基于UWB的智能道路照明系統的設計與實現*

鄔志鋒，王貴恩，鐘尚敏

（1.廣東交通職業技術學院，廣州 510650；2.廣州長豐電子科技有限公司，廣州 510801）

0 引言

道路照明是社會公共設施的重要組成部分，根據中國電子技術標準化研究院相關研究，2020年我國城市道路照明燈桿保有量約為2 935萬盞[1]，若2020—2025年，我國城市道路照明燈桿數量保持5%的增速，預計2025年城市道路照明燈數量將達到3 923.4萬盞。為了解決道路照明系統存在的能源消耗大和運維費用高兩大痛點，部分路燈已經通過采用電力線通信、4G-LTE、Lora、NB-IOT、ZigBee等通信技術實現了智能化[2]，智能道路照明系統已經成為了智慧城市的重要組成部分，數量龐大的街巷路燈智能化改造目前也已經逐漸推開。

智能道路照明系統普遍存在通信時延大、易受天氣影響、不能進行精準控制等弊端[3]，如圖1所示，街巷路燈還會受到道路路線復雜、周邊建筑高度多變等因素的影響，導致智能道路照明系統的通信質量進一步惡化，控制系統難以使用，無法有效降低建造、運營成本，嚴重制約了道路照明系統的智能化。

圖1 某街巷路燈分布圖示例

針對智能道路照明系統以上不足，本文融合UWB和自組網技術設計實現了一種新型智能道路照明系統，主要實現了以下功能：

（1）基于有限基準點實現了對全部路燈的自動精確定位，距離誤差小于30 cm；

（2）設計了基于結點狀態的GPSR自組網路由算法，實現了所有街巷路燈自動組成結構穩定的數據通信網絡；

（3）實時采集環境光亮度、車流信息、行人信息，并據此調整路燈的亮度，實現路燈-環境協同。

1 系統組成及工作原理

智能道路照明系統按照功能劃分層次結構，自上而下分為三層：路燈管理中心、智能配電柜網關和LED單燈控制器終端節點構成，系統組成如圖2所示。

圖2 系統框架

系統的工作原理：LED單燈控制器主要作用是使用UWB通信模塊形成自組網實現數據通信，測量其與智能配電柜之間的距離，同時使用傳感器采集路燈的電能信息、周邊亮度等環境信息，輸出0~10 V調光信號控制LED燈具的亮度。智能配電柜是現場控制核心，主要作用作為UWB定位的已知參考點，同時作為單燈控制器的通信網關。路燈管理中心運行在云服務器上，主要作用是根據各個單燈控制器上傳的距離信息對其進行定位，提供實時路面狀態監控、路燈狀態監控、路燈資產管理、人員管理、實時告警等功能，實現路燈智能管理工作。

2 硬件設計

2.1 LED單燈控制器

LED單燈控制器是安裝在路燈上的控制終端，是UWB定位系統的標簽，其原理如圖3所示，該控制器以STM32F103微控制器為核心，使用UWB通信模塊實現數據通信和空間定位，使用HT7017構成的電能計量電路測量電壓、電流、功率因子，使用亮度傳感器獲取環境光亮度，使用微波傳感器獲取周圍的車流人流信息，使用PWM/電壓轉換電路輸出0~10 V調光信號控制LED燈具的亮度。

圖3 LED單燈控制器

LED單燈控制器使用DWM1000模塊實現UWB通信，DWM1000是DecaWave公司生產的一款基于DW1000芯片的超寬帶收發模塊，該模塊內部集成了DW1000所需要的全部射頻電路、電源管理和時鐘電路以及天線，具有時間分辨率高、通信距離遠、集成簡單等優勢[4]，其電路如圖4所示。

圖4 UWB通信電路

2.2 智能配電柜

智能配電柜是現場控制核心，主要作為UWB定位系統的基站，同時作為LED單燈控制器的數據上傳網關。智能配電柜以STM32F205微控制器為核心，硬件結構如圖5所示，UWB通信模塊的作用是實現定位和與LED單燈控制器通信，上行DTU的作用是實現智能路燈配電柜與路燈管理中心的數據通信，GPS模塊的作用是提供UWB基站所需要的地理坐標。

圖5 智能配電柜

3 軟件設計

軟件的主要作用是使用UWB模塊測量各路燈與參考點（已知地理位置的路燈）的距離并獲取通信狀態信息，利用距離計算各路燈的地理位置，然后結合通信狀態和地理位置信息使用GPSR協議形成自組網，路燈、智能配電柜使用自組網傳輸數據信息，最終實現道路照明系統的智能化控制。

3.1 UWB定位原理

準確定位路燈是形成自組網、故障快速定位、維護保養的基礎，目前工程上使用的主要方法是使用GPS定位工具逐一測量路燈的位置，然后標注在電子地圖上，此方法需要耗費大量的人力資源，本文利用了UWB精確測量路燈到已知地理坐標的參考點的距離，然后進行再對其進行定位，如圖6所示。

圖6 UWB定位原理

圖中定位基站A1（x1，y1）、A2（x2，y2）、A3（x3，y3）、A4（x4，y4）為已知位置的定位基站，B（x，y）為待定位的標簽點，利用UWB通信模塊DWM1000使用TOA方法精確測量B點與基站Ai的距離di，即：

即：

其中d0i為B到參考點Ai的實際距離值，ei為誤差。由式（2）可得：

記為：

其中：A=[(x i-x i+1) (y i-y i+1)]，

使用最小二乘法即可求解公式（3），結果為：

3.2 路燈定位

由于已知位置的基站數量有限，根據UWB定位原理本文設計使用了迭代定位的方法對全部路燈進行定位的方法，如圖7所示，其中Ai（i=1，2，3，4）為使用GPS定位后的已知位置的路燈，作為定位基站，Bi（i=1，2，3，…，13）為待定位的路燈，受環境影響，Bi（i=6，7，8，…，11）等處于基站視距外的待定位路燈。

圖7 路燈定位

本文使用的迭代定位方法即以通過GPS定位的基站作為一級基站，對視距范圍內的路燈進行定位，然后將其視為已知位置的二級基站，再以一級、二級基站對其他路燈定位，直至完成全部路燈的定位。

根據UWB定位原理可知定位精度主要受基站間時鐘同步精度和測距誤差影響[5]，其中測距誤差主要由非視距（Non-Line-of-Sight，NLOS）因素和多徑傳播造成[6]，所以選擇最佳定位基站是提高定位的關鍵，本文使用了基站層級、距離均方差、信號接收強度作為基站選擇標準。定義路燈i使用基站j時的定位質量系數為：

其中，gj為基站的定位層級，dij為路燈i與基站j之間的距離均方差，Rij為接收信號強度，Kg為基站層級權重，Kd為距離均方差權重，Ks為信號接收強度權重。定位的程序流程如圖8所示。

圖8 路燈定位程序流程

3.3 自組網算法

道路照明系統中LED單燈控制器、智能配電柜必須形成通信網絡才能實現數據傳輸進行智能控制，實際測試表明道路機動車、天氣、道路形狀、周邊建筑高度等環境因素以及路燈工作狀態都會影響該通信網絡的穩定性和實時性[7]，必須根據各種影響因素實時地調整網絡結構，形成健壯的自組網，才能提高通信質量，實現道路照明系統智能化。在復雜道路或者城市立體交通的場景下，基于地理位置的貪婪周邊無狀態路由協議（Geo?graphic Perimeter Stateless Routing，GPSR）應用非常廣泛[8]，GPSR協議是將要傳輸的數據盡量轉發給最靠近的鄰居中繼節點，不僅可以減少轉發跳數，提高轉發效率減輕網絡的負載[9]，而且其協議簡單可以有效降低LED單燈控制器的成本。但是GPSR協議只考慮了目標節點的位置信息，所以存在局部最優、路由空洞等弊端[10]，容易造成丟包率過高、延時過大等問題。此外，傳統的基于測距無線定位技術未考慮接收的信號強度指示（RSSI）值的分布特性也容易造成室內定位效果欠佳[11]。針對以上的不足，本文在實施過程加入了由應答時延、處理器使用率、接收信號強度（Received Signal Strength Indication，RSSI）與歐拉距離4個參數共同構成節點的節點狀態信息，源節點根據周邊節點狀態向量選擇最佳轉發節點，從而提高了數據發送成功率。具體做法如下。

（1）發送REQ數據包請求周圍節點狀態數據

周邊節點的狀態是節點選擇轉發節點的重要依據，路燈上電定位后不了解周邊的其他節點的工作狀態，所以需要通過廣播REQ數據包請求附近的節點發送其狀態，REQ數據包的格式如表1所示。

表1 REQ數據包結構

（2）周圍節點發送Hello數據包宣告狀態

Hello數據包的作用是向周邊的節點宣告自身的工作狀態，該數據包按照每分鐘一次周期性發送，或者接收到REQ數據包后發送，其結構如表2所示。

表2 Hello數據包結構

路燈B j在接收到路燈B i的Hello數據包之后，建立如（6）所示的狀態向量。

其中di是路燈Bi與配電柜之間的距離，在經典GPSR協議中希望每次轉發的距離越遠、中繼節點距離終點越近越好；Adi為路燈Bi與配電柜上一次通信的時延，該值越小表示該節點所選擇的通信線路越好；Rji為路燈B j接收路燈Bi時發送的Hello數據包時候的RSSI值，該值越大表示路燈Bi和路燈Bj之間的通信越可靠；Ui為路燈Bi的轉發路徑表使用率，該值越小表明路燈的數據被成功轉發的概率越大。

各路燈在上電一段時間后形成周邊節點狀態表，如圖9所示。

圖9 周邊節點狀態表

（3）選擇轉發節點

GPSR協議是是由中繼節點逐級轉發數據直至其到達目的地址，所以GPSR協議的關鍵是確定最佳轉發節點[12]。節點狀態信息所包含的4個變量都會影響通信質量，實驗表明只以其中某一個參數為指標計算出來的轉發節點不一定是最佳的。本文提出了使用優先級來表明節點作為轉發點的度量方法，當路燈需要發送數據時首先計算節點狀態表里面每一個節點的狀態優先級，按照優先級從高到低選擇轉發節點發送數據。優先級的計算方法如公式（7）所示：

S ji為路燈Bj記錄到的路燈Bi的狀態向量，W為權重。發送數據的流程如圖10所示，當節點需要發送數據時，首先計算節點狀態表中所有節點的優先級，然后選擇優先級最高的節點作為轉發節點發送數據，數據發出后啟動時延定時器，等待服務器應答。如果服務器未能在設定的超時時間內應答，則標記該節點不可達，將其優先級置為-1，并重新選取優先級最大的結點轉發數據。如果服務器在設定的超時時間內應答，則表明數據發送成功，并記錄此次通信的時延，然后發送Hello數據包給周邊的節點，更新周邊節點的節點狀態表。如果遍歷完節點狀態表中所有的節點還無法發送數據，說明節點狀態表中的所有節點均已失效，在清空節點狀態表后發送REQ數據包，向周邊節點重新請求節點狀態數據，重構節點狀態表。

圖10 發送數據

（4）轉發節點記錄數據包轉發路徑

管理中心服務器在收到路燈發送的數據后需要發送應答數據包，各轉發節點需要按照其來源該應答數據包的發送目的地址，所以各轉發節點需要在緩存相關數據包的轉發路徑，包括該數據包的源節點編號、數據包號和入口節點編號，格式如表3所示。

表3 轉發路徑格式

當節點接收到來自服務器端的數據包時，如果其目的地址不是自身，則從轉發路徑表查找該數據包的入口節點編號，將數據包轉發給該入口節點處理。

4 系統測試

本文構建了如圖11所示的實驗環境，A1、A2、A3、A4點為已知位置點，其中A1為原點，其他3點通過激光測距儀確定其坐標，配電箱主機和A1（原點）位置相同，A5為原點可視范圍內的點，A6為混凝土間隔的近距離點，A7為混凝土間隔的遠距離點，A8、A9、A10為多重混凝土間隔的遠距離點。設定每個節點按照30 s的時間間隔上傳數據，實驗主要測試了A6、A8和A10點的分組投遞率和平均應答延時兩個性能指標。

圖11 實驗測試環境

4.1 分組投遞率

分組投遞率（Packet Delivery Fractions，PDF）是目標節點接收的分組總數Nreceice與源節點發送的分組總數Nsend之比[13]，考慮到本文所提及的系統發送數據頻率較低，所以使用了累計分組投遞率，計算放方法如式（8）所示。

分組投遞率越大說明數據在網絡中傳輸的成功率越高，丟失的數據越少，意味著網絡的可靠性更好，能更好保證節點之間的正常通信；反之，節點之間通信容易出現通信中斷或數據丟失的現象[14]。

測試結果如圖12所示，3個測試點的分組投遞率隨時間逐步升高，說明各節點通過Hello數據包逐漸學習到了周圍其他節點的情況，逐步完善了周邊節點轉發優先級的排序，從而提高了數據發送的成功率，整個網絡的可靠性也隨時間逐步提高。但是各節點情況也有所不同，A6作為混凝土間隔的近距離點，其與配電箱主機的通信為直連方式，只是在在開始的時候出現了少量數據包發送失敗，而后來發送失敗的數據包越來越少。A10作為最遠的節點，其與配電箱主機之間的通信需要經過中間的多個轉發點，是一個多跳通信點，所以受到剛開始發送失敗的數據包較多，分組投遞率上升的也比較慢。

圖12 分組投遞率

4.2 平均端到端時延

平均端到端時延（Average End-to-End Delay，AED）是數據包從源節點到目的節點所需的平均時間，用于表示網絡的實時性[15]，計算方法如公式（9）所示。

其中tout為源節點發出數據的時間，trec為目的節點接收到數據包的時間，平均端到端時延越小，說明數據包從發出到被應答所經過的鏈路上的節點耗費的時間越少，數據包傳遞的速度越快，網絡的實時性越好。

測試結果如圖13所示，可見3個點的平均端到端時延大小以抖動都與其地理位置密切相關，距離配電箱主機最近的A6點時延、抖動最小，最遠的A10點時延、抖動最大，主要原因是距離近的A6點是直接與配電箱主機通信，而距離遠的A10點需要通過多個轉發節點才能與配電箱主機通信，從而造成其平均端到端時延較大。

圖13 平均應答時延

5 結束語

本文以UWB通信技術為基礎，使用加入結點狀態優化了的GPSR協議使智能配電柜、LED單燈控制器形成了自組網，測試表明本系統的直聯通信點的分組投遞率超過了95%，多跳通信點的分組投遞率超過了90%，單跳平均延時小于150 ms，具有定位精準、組網穩定可靠、通信實時性高、遠程調控響應迅速等優點，有效解決了目前道路照明智能化過程中存在的路燈定位不準、通信質量不佳、智能化不足等問題，為提高智能交通設備的通信質量和解決道路照明智能化不足等問題提供了參考。