智慧路灯监控系统设计

宿迁学院信息工程学院 孙 凡 王 颖 肖俊烨 曹馨文 邹辰彦 袁 进

随着智慧城市的不断发展，传统路灯存在着功能单一、智能程度不足、监管和维修困难等问题，造成了人力、物力等资源的浪费。本文从实用的角度出发，针对传统路灯的弊端，设计了一种基于ZigBee技术的智慧路灯监控系统，该系统主要实现了对路灯的灯光自动调节、工作状态监测、远程控制等功能。经实验测试得，系统各功能运行稳定可靠，具有一定的实用价值。

随着城市化建设的不断深入，路灯已成为现代生活中必不可少的基建配套设施。传统路灯虽然为城市带来了便捷，但存在资源浪费严重、维修成本高、监控困难、灵活性差等问题。在物联网技术、无线通信技术、定位技术的发展背景下，“智慧路灯”的概念于近几年被提出，并且，部分城市的旅游景点等地区已经应用了智慧路灯监控系统，与传统路灯相比，其功能多样、智能化程度高，但在运行的过程中同样存在一些问题，如功耗大、成本高、普及化难等。

目前，智慧路灯监控系统的设计方案主要有几下几种：（1）从数据存储与处理的角度出发，通过大数据、云平台、NB-IOT等技术，实现路灯智慧运行；（2）从无线传输的角度出发，混合运用多种无线传输技术，实现路灯信息的远程实时传输与处理；（3）从智慧路灯实现功能的角度出发，扩展智慧路灯功能，加入LED显示屏、快速充电、视频监控、环境监测等模块，实现智慧城市一体化建设。

基于智慧路灯监控系统的研究现状及所存在的问题，本文从降低成本、实用、节省资源等角度出发，设计了一种基于ZigBee无线传输技术的智慧路灯监控系统。该系统主要实现对路灯灯光的自动调节、故障报修、实时数据监测、远程控制等功能。在系统设计过程中，对硬件、软件两个部分均采取了一定的实用设计，有效提升了系统的实用性。

1 ZigBee技术简介

ZigBee是一种距离近、复杂度低、功耗低、数据传输速率低、使用成本低的无线通信技术，适用于自动控制和物联网远程控制领域。

ZigBee协议栈体系结构如图1所示，从上到下依次由应用层、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层等部分组成。

图1 协议栈体系结构图

协议栈中各层功能为：应用层主要作用是提供不同类型的应用业务，在协议栈中处在最上层，服务于不同用户。应用汇聚层的任务是把应用层应用需求映射到网络层上，包括数据安全与通信鉴权、多业务数据流汇聚、设备搜索与发现、业务发现等功能。网络层的功能包括ZigBee拓扑结构管理、路由管理和安全管理等，是协议栈中的关键部分。数据链路层提供了可靠有效的数据传输、数据包的分段与重组、数据包的顺序传输等功能。物理层定义了无线通信的频段和各频段的信道分配。

在网络层中，ZigBee定义了三种设备类型：（1）网络协调设备，负责网络的建立，以及网络位置的分配；（2）路由设备，主要负责找寻、建立以及修复信息包的路由路径，并负责转送信息包；（3）终端设备，只能选择加入他人已经形成的网络，可以收发信息，但不能转发信息。

ZigBee网络层支持星状、簇树状和网状等拓扑结构。图2给出了三种拓扑结构示意，其中，白点代表终端设备，黑点代表路由设备，正方形点代表协调设备。

图2 ZigBee拓扑结构

若采用星状拓扑结构组网，整个网络有一个ZigBee协调设备设备来进行整个网络的控制。ZigBee协调设备能够启动和维持网络正常工作，使网络内的终端设备实现通信。若采用网状和簇树状拓扑结构组网，ZigBee协调设备则负责启动网络以及选择关键的网络参数。在簇树状网络中，路由设备采用分级路由策略来传送数据和控制信息。网状网络中，设备之间使用完全对等的通信方式，ZigBee路由设备不发送通信信标。

2 系统设计

本文设计的智慧路灯监控系统总体框图如图3所示，系统包括路灯终端（ZigBee终端设备）、ZigBee协调器、控制中心（用户界面）等部分，采用星状网络拓扑结构。各路灯终端将实时监测数据通过终端通信节点发送到ZigBee协调器，协调器再将数据打包发送到控制中心，供用户使用。

图4为路灯控制终端的设计框图，路灯终端以STM32开发平台为控制器，主要包括灯光调节模块、超声波检测模块、工作状态检测模块、通信模块（ZigBee终端节点）等功能模块，每个路灯终端有独有的编号，便于控制中心对路灯的查找与定位。

图4 路灯终端设计框图

3 系统功能实现与分析

3.1 灯光自动调节

首先，令硬件平台上电复位，若路灯处于光照较弱的环境中，将自动点亮，亮度随外界光照的强弱而自动调节；若路灯处于外界光照较强的环境中，将自动关闭。路灯亮度变化的实现过程为：外界光照强度大于60（范围为0~100）时，路灯自动关闭，外界光照强度小于等于60时，路灯自动打开（阈值可根据实际情况在控制中心进行更改），并且，其亮度随外界光照强度的变化而变化。灯光亮度自动调节情况如图5所示，由图可得，随着路灯所处环境的改变，其亮度值会发生相应的变化，实验中快速将灯光遮挡时，其亮度也随之快速，具有一定的实时性及敏捷性。

图5 灯光亮度自动调节

3.2 路灯灯光远程控制

为了便于对不同路段路灯灯光亮度的远程控制，系统设计了路灯灯光远程控制功能。具体实现过程为：通过控制中心发送控制指令给目标路灯，目标路灯接收到相应指令后，根据指令要求进行相应的灯光亮度调节，实现远程调节路灯灯光亮暗的功能。系统指令设置及相应的灯光亮度变化如表1所示，当控制中心发送指令“0”时，目标路灯灯灭；控制中心发送指令“1”时，路灯亮度柔和；控制中心发送指令“2”时，路灯亮度较强（指令可根据实际需要进行等级的增加与减少）。

表1 控制指令与灯光亮度设置

3.3 车辆与行人检测

为实现路灯灯光随车辆及行人经过情况进行实时改变的功能，路灯终端对经过路灯的车辆及行人进行实时监测并随监测情况自动改变工作状态，同时，将灯光亮度信息实时反馈到控制中心。路灯终端通过超声波检测模块实现车辆及行人感知功能，当在一定时间范围内，某路灯未检测到车辆及行人经过，其将自动进入节能（睡眠）状态，即灯光亮度值较低；一旦感知到有车辆及行人经过，路灯将被立即唤醒，灯光亮度值恢复到正常工作状态。路灯灯光亮度随车辆及行人经过的变化情况如图6所示，当无车辆及行人经过时，灯光亮度值较低，当有车辆及行人经过时，灯光立即恢复正常亮度值。

图6 路灯灯光亮度变化

3.4 路灯工作状态监控

为了便于实时监测路灯工作状态，系统设置了路灯工作状态监控功能。当路灯正常工作时，控制中心可实时监测其工作电流、工作电压等情况；当路灯处于故障状态时，即工作电流（或工作电压）数值超过正常工作范围，系统将对其进行远程关闭。图7为路灯工作状态实时监测情况。

图7 路灯工作状态实时监测（电流值）

本文针对传统路灯所存在的问题，设计了一种基于ZigBee技术的智慧路灯监控系统。该系统主要有以下几个特点：（1）系统根据实际应用需求进行设计，各功能之间具有一定的关联，提高了系统的应用价值，保证了实用性；（2）系统功能可拓展，以满足不同环境下的使用需求（如城市道路、乡村道路、社区道路、校园道路等），具有应用面较广的特点；（3）系统参数可调，如灯光亮度阈值、控制指令设置等，具有灵活性；（4）系统采用ZigBee技术进行数据传输，保证了系统的低功耗运行，还可根据系统需求进行终端设备的拓展。经实际测试可得，系统软硬件运行稳定，各功能测试结果良好，具有一定的实用性。