一种基于物联网的园区智慧路灯系统∗

2020-05-15刘起明杨军文瞿少成

计算机与数字工程 2020年2期

刘起明赵亮杨军文瞿少成

（华中师范大学物理科学与技术学院武汉 430079）

1 引言

随着信息技术飞速发展，智能化物联网设施逐渐被运用到人们的日常生活中［1～2］。

既有基于物联网的智能水表、物流信息平台，关系到人们的日常体验［3～4］；也有基于物联网的智能鞋柜，停车场定位系统，关系到人们的出行［5～6］。基于物联网的路灯系统是智慧园区公共基础设施的重要组成部分，在完善园区服务功能和服务环境中扮演着重要角色［7～8］。文献［9］设计了基于 PLC的智能路灯系统，其载波通信基于原有的电力线网络，结合路由中继转发和GPRS网络技术，实现路灯的照明控制。文献［10］设计了基于GPRS与Zig⁃Bee无线组网的节能路灯系统，以AVR单片机为控制器，实时监测环境，以便自动调节路灯亮度。文献［11］设计了基于LED的校园照明节能系统，通过LED日光灯替换传统的荧光灯和校园路灯，达到高效、节能的目标。

基于园区路灯控制的实际需求，本文设计了一种基于物联网的园区智慧路灯系统，系统利用SI4463无线网络传感技术，进行路灯环境数据的收发，通过ARM平台实时显示，利用TCP/IP技术实现跨平台通信。通过照明系统的智能化管理，实现降低成本与节能减排。

2 系统硬件设计

基于物联网的园区智慧路灯系统的硬件架构如图1所示，由传感器子节点、协调器节点和ARM平台组成。

终端节点由HC-SR501人体红外感应模块和光敏传感器实现数据采集。

协调器节点通过串口与ARM板通信，并通过SI4463无线模块与子节点通信。

通过AM3359开发板的QT界面负责环境数据的实时显示，以及控制命令的下发，实现了人机交互。

图1 系统硬件框架图

3 系统软件设计

系统的软件设计包含三个方面：一是数据采集子系统的设计；二是数据管理子系统的设计；三是Web远程监控平台的设计。

3.1 数据采集子系统的软件设计

ZigBee的通信速率低，穿透和绕射能力差，它的协议栈包含大量的容错措施，过于复杂，代码量大［12～14］。针对这些问题，系统采用SI4463高性能低功耗射频收发器，SI4463极限通信距离为1500m，输出功率20dBm，增大覆盖无线网络节点面积。

运行在ARM平台的程序通过串口获取SI4463无线传感模块传输的环境数据。考虑到网络传输异常情况，系统移植Sqlite数据库做数据缓存，实现向服务器的数据上报［15］。

3.2 数据管理子系统的软件设计

数据管理子系统采用C/S架构，利用TCP/IP下的套接字技术和多线程技术实现嵌入式ARM平台和远程数据管理中心的跨平台通信。

客户端采用Sqlite数据库，服务器端采用MySQL数据库。远程数据管理中心通过Web监控程序收集相关的数据和控制指令，协调器节点利用自组网路由算法汇聚子节点发送的数据，传递给ARM平台，服务器通过TCP/IP获取ARM平台发送的数据，使用MySQL对数据进行存储和管理。

基于物联网园区路灯系统的控制策略为：通过一个光敏传感器感知园区环境亮度，和“系统时钟”共同确定是白昼还是黑夜；当黑夜时，通过人体红外感应5m内是否有人经过，如果有人通过，则开启该节点路灯，若路人一直在，保持路灯常亮，当路人离开感应范围，时延10s后路灯熄灭。此时，通过另一个光敏传感器感知灯光的光照强度，将测量的数据与正常路灯阈值比较，从而判断此节点是否损坏。

3.3 Web远程监控平台的设计

远程监控平台采用B/S架构，实现内网和外网的结合，支持PC、手机等不同终端在任意地点通过网络登录远程监控平台。用户通过远程的监控界面下发相应的控制参数后，通过Web服务器调用对应的CGI程序来解释监控页面的信息。

系统的远程控制界面通过POST方法向CGI程序提供数据，这种方式支持复杂的数据传输，数据不会暴露在浏览器地址栏中。

4 节点间的自组网路由算法设计

对于系统而言，要保证节点间数据传输稳定，需要减少延迟，通过网络的路由查找选择最佳路径。树型路由算法不需要复杂的路由表，数据传输时响应速度也快，但是路由效率很低。动态源路由算法将路由长度作为路由存储的唯一度量参数，未考虑路由时效性，消耗额外的接口排队时间和带宽。而自组网路由算法，它仅需要父兄节点或者子节点维护一个路由表，消耗一定存储空间，但是能达到最优路由效果。

在传感器与协调器间按照网络协议进行数据传输，这个过程中涉及网络地址的分配。网络中每加入一个节点，将会分配一个地址，它的地址分配如式（1）所示：

此公式中AK为分配的网络地址，AP为父节点的网络地址，Cskip（d）为网络深度地址偏移量，k为父节点的第k个子节点，Rm为父节点所能挂载最大路由节点数。在进行路由时，路由节点可以通过式（2）判断目的节点是否是它的孩子节点。

公式中LA为路由节点的ID，DA为目的节点ID，Cm为节点挂接子节点总数。

在发送数据时，先将目的地址代入式（2），若符合要求，则说明目的地址在孩子子节点，然后查询子节点路由表，若找到则把数据直接发送目的节点，没有找到则使用式（3）算出下一跳地址NA，把数据发送给它。再次使用式（2）进行判断，直至找到最终的目的节点。若不符合要求，则说明目的节点是它的兄弟节点或者父节点，然后通过查询兄弟节点路由表和父节点路由表，找到则将数据发送目的ID，反之将数据发送给它分配过ID的父节点，再使用式（2）进行判断，直到将最终数据发给目的节点为止。

图2 算法流程图

系统路由算法流程图如图2所示。

5 系统测试与分析

通过两盏85W的节能灯模拟路灯光源，如图3所示。每个路灯节点对应一个节点控制器，其中包含光敏传感器、人体红外传感器等。

系统启动后，各节点每隔十分钟自动选择一条路径向协调器发送数据，协调器收集后发送至ARM板，经过处理上传服务器，用户通过7英寸触摸屏近端控制，通过PC/手机访问浏览器来进行远端控制，远程监控界面如图4所示。

图3 园区智慧路灯系统实物测试

图4 远程监控界面

5.1 通信测试

SI4463无线模块与子节点的通信是整个系统的关键部分，它的性能影响着数据的管理和远程的显示。该通信测试分为两个部分，一是数据传输的距离测试；二是数据传输过程中的丢包率测试，节点数据的初始发送量均为1000。在距离测试中，以100m的间隔逐次递增。由表1可知当距离在350m内，传输正常；距离在450m内信号不稳定，超过550m丢失信号。由结果可知传感节点在350m内的园区环境正确传输，能满足路灯系统的实际需求。

表1 SI4463无线模块与子节点的通信测试

5.2 系统功能测试

系统的功能测试，如表2所示，包括四项性能指标：模式选择、远程监控、智能监测和节能控制。远程监控界面如图4所示，可以查询相关参数，控制路灯的开关闭合状态和精密控制亮度变化。通过环境亮度与系统时钟共同确定园区是白昼或者黑夜，红外感应是否有人经过；设置正常路灯阈值，当光照度小于阈值时，初步判断路灯故障，自动上传当前子节点地址，确定路灯位置。