基于Arduino Nano的智能路灯控制系统的设计与实现

都妍美

摘 要：将Arduino Nano作为主控芯片的智能路灯控制系统包括道路照明系统管理平台、路灯集中控制器和路灯单/双灯控制器三部分，能对整个城市的道路照明设施进行远程集中控制和统一管理，并实现车来灯亮车走灯灭功能，同时也能进行设备的远程诊断维护和自动故障报警。此外，系统还配套有安卓客户端以及网络应用程序，以便维修人员及时知晓故障路灯的相关信息。

关键词：智能路灯；ZigBee；Arduino；集中控制；故障报警

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）09-00-04

0 引 言

物联网、云计算、大数据等前沿技术不断推动着智慧城市的创新发展，智能路灯系统作为智慧城市必不可少的设备，其技术也在不断成熟。随着我国城镇化发展规划的不断推进，城市面积不断增大，城市照明路灯数量庞大且增长迅速，使城市照明管理难度不断增加。因此开发一款具有监控、省电、提示和信息集成功能的智能路灯系统对于提高管理效率、节电节能、绿色照明具有重要意义。目前国内城市的智能路灯系统普及度并不高，大部分城市路灯在傍晚开启后整夜全亮。部分智能路灯系统在高峰期之后采用每隔一盏路灯亮一个的方式来节省电能。但是这种方法还不能实现路灯的最佳利用，并具有一定的局限性，无法及时、高效地实现路灯系统的管理与维护。真正的智能路灯系统应能准确、实时获取路灯周围人或车辆的信息并做出反应，实现车来灯亮车走灯灭，减少电能消耗；实时分析路灯的损坏情况，通过手机APP通知维修人员，尽早排除路灯故障，提高维护效率，确保城市夜间道路正常照明；同时集成多种传感器来收集空气质量数据，可与城市管理系统数据融合，确保路上行人和车辆的安全。

1 系统设计方案

智能路灯系统存在耗电量大、使用范围广泛、数量庞大、单个控制复杂、维护不易等问题，为了解决城市道路路灯系统的相关问题，系统方案的设计原则如下：

（1）节能性。路灯控制模式分为自动模式和手动模式。在自动模式下，当夜幕来临或者光照强度很低的情况下，路灯自动进入运行模式，天明时自动关闭，有人或车辆通过时开启路灯，无人车通过时关闭路灯，实现节能最大化。

（2）及时性。当路灯出现故障，系统能在第一时间检测出故障路灯的个数与位置，同时推送给对应的维修人员，向其提供问题路灯的位置信息等，极大地提高了检修工作效率。

（3）先进性。充分利用现代化信息技术，结合实际城市道路情况进行系统整体设计及硬件设备选型，确保建设方案的合理性。采用模块化方式进行软硬件平台设计，保证了良好的扩展能力，方便系统升级和更新，也提供了數据接口方便与其他系统相连。同时保证无线通信设备的先进性，使得整个系统架构体系实现最优。

（4）实用性。物联网环境下城市路灯系统的设计原则还应包括符合一般传统行业产品的基本设计原则和规范，即美学特征、可持续性、环保性等。该系统的设计有利于在城市道路管理领域推广，是一种解决现有实际问题的设计方案。

基于以上原则，设计的智能路灯系统整体架构包括感知控制层、网络传输层、应用服务层三部分。

感知控制层通过传感层的智能传感节点，分别利用空气质量传感器对室外环境进行检测；利用外置光敏传感器采集的光照强度控制路灯开关；利用内置光敏传感器采集的光照强度来判断路灯是否开启。用红外对射模块检测是否有人车通过，当检测到有人车通过时，打开前方的路灯，等人车通过后，路灯缓缓关闭。红外对射模块反应灵敏，检测可靠度高，安装在道路两侧，并通过调节安装的高度来尽量减少小动物等因素引发的误操作。路灯采用穿透性强的黄色LED灯，利用电压对灯的亮度、强度进行调节。配置空气质量传感器和光照强度传感器以实时检测空气质量信息及光线强度。此外还间隔附加了报警灯和警报器，当监控到车祸或者其他紧急情况时可以打开，提醒路人注意当前紧急情况。

网络传输层采用频段在2.4 GHz的无线ZigBee传感网络实现短距离通信，保证现场为无线覆盖。ZigBee网络一般传输距离在70～150 m之间，城市道路路灯的间距一般为30～50 m，完全可满足大众需求。且其还具有低功耗等优势，在无人通过的深夜能够节约用电，同时还具有低成本、短时延、网络容量大等优点。本地监测终端到远程监测终端可以实现信息推送，数据交互。系统可实现多终端跨平台应用实施，只需一个浏览器即可实时查询与监测任何一终端。

应用服务层主要包括监测控制客户端、本地服务器端和故障维修人员APP。

本地监测终端通过Web页面监测控制客户端，与数据库进行交互操作，实现数据实时显示，包括问题路段展示、天气状况、维修数据等信息，以网页形式为主，含有设备状态信息检测、各区域的维护负责人查询、空气质量检测、故障信息推送等功能。监控平台通过数据处理决定控制决策，如将故障路灯信息发送给对应的维修人员等。

本地服务器端主要用以保存设备数据，保障与设备的通信连接，在稳定的网络环境下，由互联网通信协议连接服务器与客户端，由控制器的特定协议连接服务器与控制器；控制器端的数据通过特定协议实时上传给服务器，服务器解析处理后呈现在客户端界面。

APP主要为维修人员使用，当出现故障时，系统及时推送故障信息到对应负责人员的APP中，维修人员也可用其对故障路灯进行拍照并上传，保存维修记录等。智能路灯控制系统管理平台主要包括路灯开关、单独控制、故障路灯检测、及时通知维修、检测实况空气质量等功能。该管理平台采用超强直观的可视化界面，不仅可准确控制每盏路灯，还可以检测每盏路灯的状态并迅速准确地判断出哪盏路灯出现了故障。监控计算机对数据进行分析处理后，制定控制决策，并向APP推送故障路灯消息，同时路灯系统还可以通过智能传感终端实现对路灯情况的实时监测和控制，也可利用无线自组网技术和WiFi通信技术等将无线传感终端汇聚的监测数据传送至本地服务器端；服务器端实现数据库构建和实时数据更新，用户可在本地查询路灯是否损坏等。系统整体结构如图1所示。

2 硬件系统设计

以路灯为控制对象，完成软件和硬件的设计开发。系统可设置为自动模式和手动模式，根据检测到的光照强度和是否有人车通过来智能控制路灯的缓慢开启和关闭，实现能源节约最大化，手动模式可以单独控制每盏路灯的亮灭。硬件电路部分包括通信电路、人车检测电路、路灯状态电路、路灯控制电路、光照强度检测、空气质量检测、报警提醒电路等。

硬件电路方面，主控芯片采用体积较小的Arduino Nano，每個路灯之间采用ZigBee短距离无线通信方式，无需大规模布线，降低了安装成本。主控芯片利用PWM调光以控制灯的缓慢开启和关闭。为了提高城市的安防质量，路灯之间间隔安装了报警灯和警报器，不仅可以远程控制，而且在灯杆上有开关，可人为开启。每隔一定数量的路灯上安装了空气质量传感器等，可以实时监测某一地区的空气质量，并将质量信息提供给气象部门。光照强度传感器能及时检测光照强度，红外对射可准确检测是否有车，因此能更加智能地控制路灯运行。系统硬件框图如图2所示。

2.1 通信电路部分

每个路灯间均采用ZigBee无线通信，间隔距离大约为10～35 m，完全可满足通信需求。每个路口都设置有一个协调器，这条道路上的所有信号会发送到协调器，由协调器汇入网络。协调器不仅要接收、发送数据，而且当人车检测模块检测到有人车通过时，会发送数据给前方路灯至下一个路口的协调器。ZigBee无线通信模块通过串口与主控芯片相连，互不干扰。通信电路原理图如图3所示。

2.2 人车检测电路部分

人车检测采用工业级红外对射型光电开关，开关灵敏度高，准确且反应迅速。当芯片引脚检测到有障碍物信号时，会依次发送数据给下一个路灯使其开启，装置放在每一个路口处，连接ZigBee网络的协调器，当检测到有人车信号时发送给往后的路灯模块至下一个路口。人车检测电路示意图如图4所示。

2.3 路灯状态检测部分

我们在路灯上加装了光检测模块以监测每盏灯的状态，该模块成本低廉，适合大规模使用，对比检测到的状态和控制灯的指令可以判断路灯是否出现故障。路灯状态检测电路原理图如图5所示。

2.4 路灯控制电路部分

控制路灯缓慢亮灭，利用Arduino Nano输出PWM信号接到两个场效应管上，接入12 V电压，通过调节电压来控制灯的缓慢开启和关闭。路灯控制电路原理图如图6所示。

2.5 光照强度检测部分

每个区域的路灯上都装有光照强度传感器，可实时检测本区域的光照强度，并通过主控芯片发送给ZigBee后经协调器上传到服务器。上位机可实时查看光照强度，以确定是否开启路灯。

2.6 空气质量检测部分

每个区域都装有空气质量传感器，检测到的信号同样通过ZigBee网络、协调器发送给服务器，可借助上位机实时查看。

2.7 报警提醒电路部分

道路上的路灯间隔安装有小型报警灯和警报器。当出现紧急情况时，报警灯和警报器可以通过灯杆上的开关手动打开，也能通过监控查看紧急情况，然后远程控制打开，起到警示行人的作用。

3 软件系统设计

系统软件设计从人性化角度出发，基于B/S架构分布式管理系统，分为客户端应用、服务器数据处理与通信保障、控制器协议处理三部分，各部分可在不同的机器上运行，由不同的操作系统支持，被不同的通信网络连接，大大提高了监控软件系统的可扩展性、易维护性及可靠性。软件流程如图7所示。

4 测试数据

通过对测试数据进行收集与分析，发现系统运行状态稳定，数据准确，且能对开关灯等控制指令准确反应，符合设计要求，适合大范围普及、推广。路灯测试数据见表1所列。

5 结 语

智能路灯控制系统主要由道路照明系统管理平台、路灯集中控制器和路灯单/双灯控制器组成。该系统能对整个城市的道路照明设施进行远程集中控制和统一管理，完成了智能化、信息化、网络化、自动化改造，同时还能实现设备的远程诊断维护和自动故障报警，有效提高管理人员的管控、维护、检修能力和效率。系统配套有安卓客户端以及网络应用程序，在安卓系统设备中安装APP可实时接收故障信息，以便维修人员及时、准确地获悉故障路灯。在城市照明中应用此系统不仅降低了电能消耗，减少了维护人员的劳动量，更提高了城市道路照明的服务质量，使得整个城市的管理和服务水平更上一层楼。

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