基于IoT的道路照明系统的设计与实现

包子建

摘要：针对目前城市道路照明系统效率低、照明方式单一、可扩展性差的问题，提出了一种基于物联网技术的城市道路智能照明监控系统，将城市道路照明与环境监测相结合并融入新的城市物联网系统，将嵌入式技术与无线通信相结合。利用传感器技术实现了智能化、数字化的城市道路智能照明，并具有环境温湿度、PM2.5等环境参数的监测功能。

关键词：物联网；智能照明；环境监测

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）10-0213-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

目前，城市道路智能照明系统的首要任务是根据节能减排的要求，改变以往的照明方式。人们不只关注路灯所发挥的照明作用，更加注重路灯的使用情况，在路灯有损坏或者线路发生问题时，可以及时发现并维修，有效避免意外事故的发生。本系统主要针对路灯的照明情况进行远程控制，实现的主要功能有：通过远程监控路灯照明情况，根据温湿度传感器、PM2.5传感器和光照传感器来检测外界环境的变化，路灯由此自动调节亮度。

1 系统设计

照明系统主要采集城市路灯的亮度、电压、电流等数据。而辅助系统则主要对外部的气象环境进行监测，以便实时地监测到外界的环境，如温湿度、PM2.5、光照度等，因此在STM32单片机上集成了温湿度、光照等模块，ZigBee无线传感器网络用于组织网络并实时采集数据。系统主要包括路灯控制器、集中控制箱、环境采集器、远程控制中心等部分：

（1）路灯控制器：安装在路灯灯柱上，实现路灯开关的控制、调节路灯亮度以及电压、电流信息的采集；

（2）集中控制箱：安装在路灯配电箱内，负责管理控制多个路灯控制器，实现路灯的集中控制以及数据的汇总与传输；

（3）环境采集器：根据合适的间隔距离安装在多个路灯灯柱内，用于进行环境的温湿度、光照度以及PM2.5数据的采集与传输；

（4）远程控制中心：集中显示城市路灯信息和路灯配电网信息，可以实现城市路灯的大规模监控和点亮。

系统硬件模块组成如下：

（1）ZigBee通信模块

本系统的ZigBee无线通信模块采用CC2530模块，包括主Zigbee模块和从Zigbee模块。主从模块需要完成同一频率之间的数据通信。Zigbee无线通信的主模块通过串口与主控模块连接，实现Zigbee无线通信的主控模块与从控模块的通信。

（2）主控终端

主控模块采用STM32系列，STM32是意法半导体公司推出的基于ARM Cortex-M3内核的MCU。CORTEX-M3是一个32位的内核，具有72 MHz的工作频率和内置高速存储器。它具有丰富的I/O端口和外围设备。特别适用于高性能、低成本、低功耗的场合。它适合于该系统的芯片要求。

（3）传感器模块

温湿度传感器DHT11模块，DHT11温湿度传感器是一种具有校准数字信号输出的温湿度复合传感器。其组成主要包括一个电阻式感湿元器件和一个NTC测温元器件，可以检测周围环境的湿度和温度。

光照传感器BH1750FVI 模块，可对广泛的亮度进行1勒克斯的高精度测定，直接数字输出，无复杂的计算，使用方便快捷。

PM2.5模块，采用GP2Y1010AU0F粉塵传感器。其特点是取消了模拟输出端口，不需要建立外围电路，节省了成本，其采用标准串行通信，串行输出更加稳定，只需要三根导线即可操作，提高了测量精度。

GPS模块，接收卫星定位信号运算出自身的位置、时间和运动状态，每秒1次送给单片机并存储，将正确的信息反馈给远程控制中心，使远程控制中心分析数据后对节点的集中控制箱进行控制，进而控制每个路灯控制器。

（4）PC终端

PC终端是电脑通过上位机查看接收到的数据，不仅能实时监控路灯的工作情况，还能实时地了解周边区域的环境情况。监控中心恢复和处理数据，并在控制界面上同步显示它们。同时，将接收到的数据存储到数据库中。上位机通过路灯管理系统发送控制命令，实现对远程监控终端的控制。

2 系统实现

本系统由路灯控制器采集该路灯所在处位置的光强，根据集中控制箱发来与季节、地理等相关的系数计算出合适的亮度调节路灯；路灯之间每隔200米配置一个环境采集器，并将采集器采集的结果通过ZigBee发给集中控制箱，集中控制箱对数据进行滤波，得到较为准确的环境信息，并通过DTU发往远程控制中心，以便总站查看数据。同样，远程控制中心也可利用集中控制器反向控制某个路灯的亮灭及光强。此外每个路灯控制器都装有自检系统，通过采集实际输出给电灯的功率值与理论值进行比对，判断路灯是否处于故障状态，并将故障状态通过集中控制箱发到远程控制中心。

（1）感知层：运用温湿度、PM2.5、光照等传感器，在STM32单片机上集成了温湿度、光照、PM2.5等模块，对周围环境进行数据的采集汇聚，辅助系统进行气象环境监测，实时监测外界的环境。

（2）传输层：在每个路灯中嵌入ZigBee无线通信模块，使其自组织成网络。然后通过自组织ZigBee无线网络实现单灯控制器和集中控制器的通信。监控中心的计算机通过集中控制器向单灯控制器发送命令。单灯控制器采集路灯的周围环境，并对采集到的数据进行分析。通过ZigBee网络传输到集中式控制器。经过分析，集中控制器通过互联网传输到监控中心。监测中心收集和分析采集的数据。数据被恢复和处理，并在主控制界面上同步显示。同时，将接收到的数据存储在数据库中。此外，监控者可以通过路灯管理系统发送控制命令来控制远程监控终端。

（3）控制层：物联网智能终端单元的主控模块采用配备嵌入式ARM处理器的STM32系列。路灯控制器采集路灯位置的光强，根据集中控制箱发来与季节、地理等相关的系数计算出合适的亮度调节路灯；环境采集器将采集器采集的结果通过ZIGBEE发给集中控制箱，集中控制箱对数据进行滤波，得到较为准确的环境信息，并通过DTU发往远程控制中心，以便总站查看数据。同时，远程控制中心也可利用集中控制器反向控制某个路灯的亮灭及光照强度。

（4）软件开发环境：由于组态软件在网络通信和实时性方面的局限性，本系统采用Labview作为软件开发工具。Labview（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种图形化编程语言开发环境，作为标准的数据采集和仪器控制软件，已被工业界、学术界和研究实验室广泛接受。Labview也是一个强大而灵活的软件开发包。它集成了满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的所有硬件和数据采集卡通信功能。它还具有内置的库功能，易于应用软件标准，如TCP/IP和ActiveX。它可以方便地建立自己需要的虚拟仪器。同时图形界面也使得编程和使用过程更加生动有趣。

（5）云应用：监控中心的计算机终端通过集中控制器向单灯控制器发送命令。单灯控制器采集并分析从路灯设备采集的物理数据，数据通过ZigBee网络传输到集中式控制器。经过分析，集中控制器通过DTU（Internet网络）传输到监控中心。监控中心负责恢复和处理数据，并在控制界面上同步显示。同时，还将接收到的数据存储到数据库中。需要时，监控人员还可以通过路灯管理系统发送控制命令，實现对远程监控终端的控制。

3 结束语

本系统从当今市场需求以及人们生活的实际需要出发，设计了一种基于IOT的城市道路智慧照明系统。实现城市路灯的全网监控，在监控中心实时的掌握路灯的运行状态，每组路灯可独立控制，根据时间和光照实现开关和亮度调节，也可实现集中联网控制。系统结构合理，节约能源，也体现了绿色环保的理念，扩展能力也非常好，具有实际推广价值和广泛应用。

参考文献：

[1] 俞建.基于ZigBee无线传感网络的LED智能照明控制系统的研究[D].浙江工业大学， 2012.

[2] 姜男澜，等. 基于ZigBee和LabVIEW的新型城市照明监控系统[J].中国科技信息，2014（7）.

[3] 麻朋威.基于PT4115 的LED 照明灯系统设计[J].科技视界， 2015（16）.

[4] 刘蒙蒙.基于物联网的城市道路照明管理系统设计与开发[D]. 合肥工业大学，2015.

【通联编辑：代影】