基于物联网的智能路灯控制系统的设计与实现

孙厚权

摘 要：基于Web服务与通信、ZigBee无线自组网、GPRS无线广域网传输以及GPS定位技术，开发一套基于物联网的智能路灯控制系统，目的是实现路况检测、智能调光、一键求助以及实时定位功能。本系统不仅能促进能源的节约，还能利用路灯高普及性的特点来获取路况交通数据，对其加以分析和利用，可以缓解交通拥堵的状况。

关键词：物联网；智能路灯；Web；ZigBee；GPRS

中图分类号：TN929.5；TP391.44 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）02-0194-03

Design and Implementation of Intelligent Street Lamp Control System Based

on Internet of Things

SUN Houquan

（Jiangsu University of Science and Technology，Zhangjiagang 215600，China）

Abstract：Based on Web service and communication，ZigBee wireless ad-hoc network，GPRS wireless wan transmission and GPS positioning technology，developed a set of intelligent street light control system based on internet of things，a key to realize traffic detection，intelligent dimmer，for help and real-time positioning function. This system can not only promote energy saving，but also use the high popularity of street lamps to obtain traffic data，which can be used to relieve traffic congestion.

Keywords：internet of things；intelligent street lamp；Web；ZigBee；GPRS

0 引 言

隨着社会和科技的发展，未来家庭、办公室、工厂等地方的设备日趋智能化。一方面，智能设备会给日常生活带来便利，另一方面，它们越来越大的用电需求会给社会以及环境带来压力。

从现实情况来看，既有晚上路灯“彻夜不眠”的情况，也有因阴天能见度低而路灯不亮造成的交通问题，还存在路灯坏了难以及时检修的状况，这会给我们的日常出行造成很大的不便。此外，随着人均车辆占有率的日益增加，缓解交通拥堵成为一个棘手的问题。智能路灯这一理念虽然提出地较早，但至今未有成熟的解决方案能有效利用路灯采集到的车流信息来对交通拥堵现象作出相应的处理。

基于以上问题，本文从节能角度出发，以智能调控亮度的办法来应对当前电量浪费以及由于路灯亮度不够造成的交通问题。同时，还要实现路况信息的实时预报，减少交通拥堵情况的发生。

1 关键技术介绍

1.1 物联网技术

物联网是通过射频识别技术、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息进行传感的设备。利用现代通信技术，把待识别物体与互联网进行连接，从而实现对物体的识别、定位、跟踪、监控和管理。[1]

1.2 无线局域网通信技术

常用的无线局域网技术有RF，WiFi，蓝牙，NRF，ZigBee等。ZigBee网络是自组织网络，大部分节点采用电池供电。ZigBee可工作在2.4GHz、868MHz和915MHz频段上，分别有高达250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率。[2]

1.3 GPRS技术

GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线业务）是在GSM网络的基础上叠加一个新的网络而形成的逻辑实体，是在现有GSM系统基础上发展出来的一种新的分组数据承载业务。

主要特点：（1）永远在线，缩短入网时间；（2）流量计费，只有在传输数据时才会产生流量费用。[3]

GPRS作为数据传输中间模块，通过串口与ZigBee协调器相连，将汇总过后的数据传输至云端服务器，来完成局域网向广域网的传输工作。

2 系统设计

2.1 系统架构设计

基于物联网的智能路灯控制系统主要完成智能调光，一键求助，路况监测的功能，其系统总体流程如图1所示。

系统主要由三大模块构成：硬件检测模块、通信传输模块和用户管理模块。

（1）硬件检测模块负责路灯周围光照强度的检测，自身故障的检测，求助信息的获取以及当前道路车流量的获取；

（2）通信传输模块负责硬件检测模块获取的数据收集，然后将其传输至云服务器，并进行保存；

（3）用户管理模块主要负责通信传输模块存储至服务器端数据库中的数据获取并进行展示。

2.2 硬件检测模块

硬件检测模块包括Zigbee中控单元，各传感器设备。中控单元为TI公司的CC2530射频芯片，内核为增强型51内核，既可以作为短距离数据通信设备又可以作为系统控制单元。

选用常见的4线制光敏传感器作为光照探知传感器，该传感器使用的光传感器是光敏电阻，可以将光信号转换为电信号。模块共有4个引脚，其中两个用于信号输出，分别为A0（模拟信号）输出端和D0（数字信号）输出端。使用时可以将A0端与MCU的AD模块相连，通过AD转换获得精准的环境光强数值。

一键求助功能的添加是为了将准确的位置信息迅速传至救助中心，起到加快处理交通事故的速度的作用。基本原理是按键检测，循环检测标志按键是否被按下。

故障自检功能是利用CC2530芯片内部ADC功能检测灯两端的电压，将检测到的数值与正常值进行比对，判断是否出现故障。

选用NPN型常开光电开关作为路况获取模块。初步设定在正常城郊道路进行检测，不考虑人为和环境影响，联合附近区域路灯采集路况信息，采用中值滤波方式进行降噪处理。

2.3 通信传输模块

系统数据传输采用无线局域网汇总，并用广域网进行传输的方式。局域网的传输依托于ZigBee自组网技术，广域网是采用GPRS传输。局域网与广域网之间通过串口进行数据交互。

2.4 用户管理模块

本模块主要用于将传感器采集到的数据进行展示，分为管理员和用户两个部分。用户需要先进行注册，然后登录系统，浏览相关信息。

3 程序邏辑设计

3.1 终端设备程序设计

智能路灯控制系统终端设备程序逻辑如图2所示。首先系统进行初始化设置，然后系统会采集按键端口电平值，从而判断是否有人进行按键求助，接着就是对光敏传感器、红外传感器以及内部电压进行数据采集。将光敏传感器采集到的数据与设定的阈值进行比较，如果大于阈值则提示应该进行开灯的操作，否则灯继续处于灭的状态。下一步则是将各个传感器采集到的数据进行临时保存打包，最后发至协调器。

3.2 协调器设备程序设计

协调器端程序逻辑如图3所示。首先协调器进行系统初始化设置，然后判断数据传输标志位是否发生变化。如果没有变化则继续初始化，直到数据传输标志位发生变化。检测到数据传输标志位变化之后，将缓冲区的各终端节点传来的数据进行临时保存，然后将所有数据进行整合。下一步是与GPRS模块进行通信，然后将数据构造成json形式的字符串以便与云端数据库进行通信。最后把整合好的数据传输至云服务器即可。

4 模块展示

图4是系统实物图展示。ZigBee终端节点带有光敏传感器，红外传感器，路灯以及按键，通过无线局域网将数据传输至协调器。

协调器主要负责接收数据以及与GPRS模块通信。GPRS模块用来与服务器进行通信，实现数据远距离传输。

5 结 论

本系统依托于现有的智能路灯控制技术，实现了智能控光、故障自检功能，达到了节约用电和及时维护的目的，并节省了维护费用。同时系统采用无线局域网作为数据交换载体，既减少了布线，也节省了成本。此外，系统创新性地添加了一键求助和路况检测功能，为交通事故的紧急处理提供了一定的便利，也为交通拥堵的缓解提供了一定的数据依据。

参考文献：

[1] 燕妮.浅论物联网技术的应用研究 [J].科技信息，2013（19）：81+94.

[2] 张科.基于ZigBee技术的家用安防系统研究[J].现代信息科技，2017，1（2）：39-41.

[3] 赵亮.黎峰.GPRS无线网络在远程数据采集中的应用 [J].计算机工程与设计，2005（9）：2552-2554.