互联网与智能路灯的综合设计

魏　明

(苏州大学应用技术学院, 江苏 苏州　215325)

互联网与智能路灯的综合设计

魏明

(苏州大学应用技术学院, 江苏 苏州215325)

摘要：通过对城市路灯的发展和互联网应用两个方面的调查和分析，发现两者能够相互促进发展。因此，设计了集无线网和智能控制于一体的路灯系统，即在路灯支架上安装高速无线网WiFi模块和传感器，既实现了路灯系统网络互联模式下的智能控制，也为其他互联网应用提供网络平台。试验表明，该系统能够实现光照度检测、声音识别、红外线人体识别、系统自检、故障自动报修和一键紧急报警等功能。探讨了该系统在智能交通领域的应用，由于WiFi网络分布在各道路两边，对“互联网+”的其他应用开发也起到支撑和推动作用。

关键词：路灯智能控制光照度智能交通车联网物联网互联网+WiFi

0引言

目前，单一功能的延时路灯、人体红外感应路灯、声控路灯不能满足城市道路或高速公路照明的节能化、智能化、系统化控制要求，也难以适应互联网发展的需求。基于网络智能管理的路灯系统发展比较缓慢，在一定程度上制约了城市的发展。因此，功能可扩展的集网络与综合应用于一体的路灯智能控制终端应运而生[1-2]，其既满足了路灯智能控制的需要，也解决了城市无线网的支架建设问题；同时，为智能交通、交通治安监视[3-4]、环境监测等物联网应用提供通信平台。从经济性、安全性、稳定性、便捷性、实用性、战略性出发，提出了安装于路灯支架的高速WiFi网络，设计了基于WiFi的智能路灯控制系统，其性能优于文献[5]的设计。

1智能控制系统设计方案

智能控制系统的设计思路是：对不同位置的路灯，根据实际需要安装不同功能的控制器。其中，功能较全的控制器作为路灯节点主控模块，只具有部分功能的控制器作为从模块。功能较全的主节点控制器采用C8051系列单片机，声控模块采用锁相环芯片LM567抑制环境噪声干扰，识别特定频谱人声；光照度检测电路采用型号为LXD/GB5-A1ELS的光电传感器，信号经过放大滤波后送入单片机内部12位模数转换器。光控模块、声控模块以及按键模块作为信息采集模块，将环境信息、人机交互信息传给单片机处理。光控模块并非一般比较器的逻辑量，而是连续量，只要设置合适的软件阀值即可控制路灯，使光线设置更加灵活，以应对不同的天气变化。LED灯模块具有多路选择功能，可实现节能的目标。系统监视各道路路灯工作电流，光敏三极管监视各路灯是否被点亮。通过上述两个参数，即可判断路灯状态(短路、点亮、开路)，实现路灯智能自检功能，并通过网络将故障信息发送到管理员手机APP上，便于及时维护。系统总体框图如图1所示。

高速网络通过在路灯上安装高速WiFi路由器来实现。考虑到长远发展和对实时数据交换的要求，应采用光纤接入方式。根据实际应用需要，当一些路灯节点位置的路由器数据流量小、速率要求不高时，可以通过邻近路由桥接方式入网，既提高了效率，也降低了成本。

图1　系统总体框图

在路灯控制系统的设计方面，增加了无线WiFi模块，一方面可以通过手机APP实时查看并控制系统，另一方面使得网络随处可用，既方便生活，也为车载惯性导航与定位(失去GPS信号时)、车联网奠定基础。WiFi组网和管理方式可采用“AC(无线控制器)+胖AP(Fat AP)”的集中控制型组网模式[2]，其相对于文献[6]采用的GSM方式更具普遍意义。同时，系统预留了人机交互模块的接口。

只需部分功能的路灯终端控制器采用STC(宏晶)公司的8脚单片机，型号为STC15F104E, 价格为1.5元/片，其成本低廉且性能满足设计要求。如果要预留扩展，需选用功能齐全的处理器，附带WiFi模块、CS9803模块、驱动电路，即可通过网络进行资源共享监测参数。

2光照度采集电路

选择合适的传感器既简化了电路的复杂性，又提高了电路的线性度和稳定性。设计方案是：传感器输出信号通过运算放大器进行放大、滤波，再经过A/D转换器量化处理。本文选用型号为LXD/GB5-A1ELS的光敏传感器实现对光照度的采集。该线性光敏传感器由树脂光学滤波片和光电晶体管组成，能够获得与人类视觉感度相似的分光感度特性，以降低系统误判率，使路灯控制更为准确。光照特性用来描述光电流和光照强度之间的关系，灵敏度与光线波长关系如图2所示。

该型号光敏传感器工作在可见光范围内，且光照度强度变化与工作电流呈线性关系，有利于光线采集，与一般光敏电阻相比有着明显优势。采用有源低通滤波器电路对传感器信号进行调理，以提高系统稳定性。以截止频率fo=10 Hz，设计一个有源二阶低通滤波电路，如图3所示。图3中，Port5是信号输出点。

图2　光照度特性图

图3　光照度测量电路图

二阶有源低通滤波器参数计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

根据上述3个公式，通带内增益Aup=1，滤波器品质因数Q取0.707，参数设计如表1所示。

表1　参数设计对照表

表1中，电阻值为引入参数Ko=1时的值，其单位为kΩ；Ko为引入参数，Ko=100/(foC1)，C1单位为μF，fo的单位为Hz，通常1 ≤Ko≤10。

根据表1，先确定C1=1μF，Ko=100/(foC1)=10，R2=Ko×1.42=14.2kΩ，R3=Ko×5.399=53.99kΩ，R4=0，R5开路，C3=0.33×C2=0.33μF，R6可根据器件数据手册的光敏特性10～1 000Lux变化，对应电流变化4μA～400μA，再由A/D转换参考电压2.5V确定，这里选用5.6kΩ标称值。根据计算，运放输出在22.4mV～2.24V之间，符合设计要求。

3热释电红外模块设计

热释电红外电路芯片选用型号为EG4002，相对于BS0001和CS9803两个芯片，电路功耗更低、电路简单、易于集成，红外人体检测电路如图 4所示。

图4　红外人体检测电路图

图4中，Q3是热释电红外接收头，R14是用于光线检测的光敏电阻；Port2是电路输出端，将信号送给单片机，RW1用于调整光线参考值。C4～C6、R10～R12组成滤波电路，滤除红外接收头Q3的噪声信号。R15、C7设置输出延时。

4声控模块电路设计

声控电路容易受到环境噪声(雷声、风声)干扰。为了解决这一问题，可根据话音的持续性和人声频谱范围(一般在82Hz～3.4kHz)进行滤波降噪。先将声音信号放大，再由锁相环电路LM567识别声音频谱，从而进一步提高电路可靠性；结合人体红外检测功能，完全可以消除干扰。在实际应用中，在人员流量较大的路段安装声控模块，无行人路段则无需安装。

5路灯节点控制器设计

选用C8051F410型号单片机作为控制中心。该单片机内置24路12位模数转换器(A/D)、双路12位D/A(数模转换器)、温度传感器，直接5V供电，具有静态存储器功能；内部交叉开关及I/O口均可设置成模拟或数字方式，极易扩展各种应用。路灯节点控制系统电路图如图5所示。

图5中，WiFi模块接收命令通过串口转送到单片机U4；U2、U3驱动U6(LED灯)。Q2是光电三极管，用于检测灯的状态，程序处理时可以结合P1.0、P1.1端口状态，判断U2、U3、U6是否正常工作，再将检测结果通过WiFi送到管理员APP上，即实现路灯工作状态的智能自检。当路灯被撞坏，使得单个路灯发生故障时，U2、U3双路控制， 可以与功率电网断开，避免整个路灯系统瘫痪。光耦器U7设计在灯具内部，通过PWM(脉宽调制)方式调节灯电流，可实现调光；U2、U3比继电器体积小，可靠性更高，而且节能。LM567人声处理电路将信号送到端口Port1。对于太阳能或者风能路灯系统，各路灯终端控制器，增加供电切换功能[7-8]。

图5　节点控制系统电路图

另外，在该控制电路中增加湿度传感器、风速传感器、气压传感器、PM2.5(指大气中直径小于或等于 2.5μm的颗粒物)传感器等部件，即可用于环境监测，极大地节约了成本。对于需要图像处理且对实时性要求更高的路段，通信方式及处理器芯片可采用ARM、FPGA、DSP等高速数字信号处理器。根据道路实际情况，全部或间隔地安装所需的功能控制器，既降低了成本，又能实现智能控制；再通过群体决策[9]，即可实现更为准确的控制。

6供电控制

安全、可靠、稳定是优良系统设计的体现。考虑到当今网络仍然存在诸多不稳定因素，如各类病毒甚至黑客入侵，因此对于路灯联网，还需保持谨慎。

区域控制中心采用半自动化方式：网络远程断电与人工操作送电相结合方式，控制若干条干道配电中心；干道线路配电方式采用全自动方式，由多个小型继电器控制交流接触器，实现若干条道路供电。

7智能交通应用

在图 5中，增加了一个紧急求救按键。当发生交通事故时，按下开关(可设定长时按键3s或者连续按3次，消除误动作)，此时该路灯处于定时闪烁状态，提醒远处过往车辆减速绕行，起到交通信号灯的作用；同时，系统通过WiFi直接向交通管理局报警，并传送位置信息(每个路灯均有唯一标识码)，同行道路上的车载系统也同样会接收到事故广播信息。对于数据接收稳定性问题，可通过频偏与信道估计的算法[10]加以改善。

7.1智能红绿灯应用

在车联网时代，各条道路即时统计车速、车流量、交通定位等数据，然后通过大数据分析得出通行峰值，最后根据峰值数据合理设置不同时段道路红绿灯时间。比如夜间，在任何方向都无行人或过往车辆时，可完全关闭红绿灯。对于目前实际情况而言，并不是所有车型都有WiFi系统。因此，作为过渡期，在距离路口2km内的路灯控制器上，安装红外传感器或者超声波传感器，统计过往行人或车辆数据，通过WiFi直接送到路口交通专用控制处理系统；然后自动设置红绿灯时间，实现红绿灯智能化。对于发生交通事故后，车载智能系统由于安全气囊打开而自动报警的情况，通过路灯WiFi系统上报事故信息，同时启动车载语音免提功能，报告事故详细情况。需要注意的是，WiFi交通定位限定在交叉路口局域网内进行数据处理与决策，比GPS定位更快、更精确。

7.2交通预测

对于安装了摄像头的路灯系统，还可以通过手机交通APP查看道路实时情况[11-12]。规律化的城市生活更有利于交通预测。如果每个人的出行日程、路线、所需交通工具等信息，在出门前，都通过智能交通网络系统中事先约定，那么车辆或手机一旦接入基于路灯WiFi网络的交通系统，交通信息系统立刻收集到位置、车速等信息，即可利用“短时交通流量智能组合预测模型”[13]或“小世界模型”算法进行数据处理。届时，交通预测将更加准确，也能够解决多路口交通问题。可以说，组建路灯高速WiFi网络是解决当今交通状况拥堵不堪的良药之一。

8结束语

通过上述设计的路灯控制器，根据路段实际需要，安装所需功能模块，并通过WiFi构建网络智能路灯系统。系统不但能够实现路灯智能控制，还具有交通辅助灯功能，具有成本低、可靠性高、功能化强、智能化程度高等特点，充分体现了“互联网+”的优势。而基于路灯组建的WiFi无线网络，对于即将发展起来的物联网、车联网、智能交通，都具有极高的应用价值。

参考文献

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[10]张凯,陈峰,杜警.城市公交实时位置手机查询系统设计[J].计算机工程与科学,2014(7):1296-1300.

[11]北京:推出手机APP辅助快处交通事故[J].湖南安全与防灾,2015(6):6.

[12]沈国江,王啸虎,孔祥杰.短时交通流量智能组合预测模型及应用[J].系统工程理论与实践,2011(3):561-568.

[13]赵军.基于小世界模型的交通网络拥堵状态研究[J].自动化仪表,2015(6):15-18.

Comprehensive Design of Internet and Intelligent Streetlights

Abstract：Through investigating and analyzing the development of urban streetlights and Internet applications, it is found that the both are the bottleneck of development.Therefore, the system of streetlights is designed with integrating wireless network and intelligent control.The streetlights brackets are equipped with high speed wireless WiFi modules and many kinds of sensors to realize intelligent control under network interconnection mode and provide network platform for other Internet applications.Experiment shows that the system implements various functions, including illuminance detection, sound recognition, infrared human body identification, self-detection of system, automatic fault report for repairing and one-button emergency alarm, etc.Some of the applications of the system in intelligent transportation are discussed; the system plays the role of supporting and promoting other application development of “Internet+”.

Keywords:Intelligent streetlight controlIlluminationIntelligent transportationInternet of vehiclesInternet of thingsInternet+WiFi

中图分类号：TH89;TP212

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201606014

修改稿收到日期：2015-09-28。

作者魏明(1979-)，男，2011年毕业于苏州大学电子信息工程专业，获学士学位，实验师；主要从事电路与系统的研究。