基于北斗定位的区域路灯故障监测系统

刘亚楼 郑意如 周俊 肖运昌

摘要：在城市或乡村等生活区域，路灯作为夜间照明系统，其分布和应用较为广泛。该类路灯工作常会因为电路故障而出现类似闪烁、过亮、低亮、不亮等异常问题，针对该情况，本课题设计一种基于北斗定位的区域路灯故障即时监测系统，可通过手机APP端对路灯的实时状态进行持续测控。

关键词：北斗定位系统;信息传递;故障分析

概述

路灯是人们晚间户外活动区域很好的照明系统，由于路灯故障监测设备和及时反应机制的缺乏，故障路灯的报修工作通常必须由人来完成。在某些偏远乡村、山区或交通不畅通地带，一旦路灯发生故障，维护人员很难远程弄清其故障状态及位置，这给检修人员的及时反馈及处理带来不利。

面对如上问题，本文提出通过智能路灯故障监测系统来对生活区域中的多个路灯工作情况进行即时监测，该系统供电由路灯电源提供为主，辅以太阳能电池，结合北斗导航系统对各个路灯进行精确定位，进一步通过手机APP端接收和处理各区域路灯的即时检测信息。该北斗定位和智能检测综合系统可对区域中多路灯实施精确管理，弥补生活区域中路灯出现故障不能即时发现并检修的缺陷。

1、系统结构

路灯监测系统主要由路灯监测系统装置和APP两个主要部分组成。路灯监测以STM32F103微处理器为控制核心，该系统主要由路灯电源供电，自带的太阳能电池为辅，系统中包含GPRS模块、光照强度传感器、温湿度传感器、北斗模块和GPS模块等五个部分组成，其中北斗模块和GPS模块共同搭配使用来提供高精度定位，当监测到路灯亮度异常，光照强度传感器会将相关信息传递给微处理器，经处理后，得到的信息再通過GPRS模块传达给绑定的APP，最后可在移动端或电脑终端查看。

APP主要是对路灯故障分析及信息位置传递结果的显示，当检测到路灯正常或者异常时，经过处理器对信号的处理，通过GPRS模块将传递信息给手机端，界面会将准确显示故障分析结果，位置信息以及检修提示等，内容齐全简洁，操作方便，可以在手机或者电脑上应用。具体系统原理框图如图1所示。

其中电源电路是系统硬件关键组成部分，为实现杆塔运行状态监测系统的稳定运行，考虑到供电的不稳定性，在电源设计方案中选用双电源供电策略;STM32F103微控制器具备安全、可靠、低功耗、精密等特点，这些特点使该系统能够较好地满足杆塔运行状态的监测需求;考虑到北斗与GPRS 通信模块为监测系统的主要功耗来源，为满足硬件系统对于功耗的较高要求，电源电路采用供电设备及模块不工作时关闭的控制方式;北斗模块属于系统的核心组件，为精确监测杆塔的方位参数，系统选定北斗GPS双模定位技术，用以实现厘米级运行状态测量[1]。

2、路灯监测装置

路灯故障检测装置为并发系统，在检测过程中需要准确检测发生故障路灯的位置。考虑到多个路灯同时发生故障的可能性，此时返回信号有多个，因此系统信号在路灯故障检测与路灯设备及传输线路之间作并行传输[2]。

检测系统主要采用光照传感器。光照传感器采用热点效应原理，其感应原件与相机的感光矩阵类似，内部有绕线电镀式多接点热电堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂层，热接点在感应面上，而冷结点则位于机体内，冷热接点产生温差电势。在线性范围内，输出信号与太阳辐射度成正比;透过滤光片的可见光照射到光敏二极管，根据可见光照度大小转换成电信号，再传至传感器处理系统，从而输出信息。

为了减小温度影响，系统所选的光照强度传感器还增选温度补偿线路，这样可在较大程度上提高光照强度传感器的灵敏度和探测能力。由于其采用的先进光电转换模块和对弱光性有较高反应的探测感光元件，该器件可用于检测路灯的光亮度情况，将光照强度值转化为电压值，再经放大电路和内部调理电路的共同作用，将此电压值转换为所需的输出电信号。除此，高精度光照强度传感器体积小巧，IP65防护等级传感器设计结实、耐腐蚀响应速度快，小于1秒时可选用电压或电流输出，电流输出在长缆线传输时无信号衰减，其测量范围在0～200000Lux;我国各地使用的路灯照度一般在89Lux以下，该光照传感器正好对弱光有较高反应，因此非常适合对路灯亮度情况的监测。

路灯监测装置对于监测光强的标准包括：当路灯光强大于89Lux，传感器输出对应的电压值，经过STM32F103微处理器处理以过亮信号输出;光强在20Lux～89Lux范围内，系统输出正常信号;光强小于20Lux，系统输出低亮度信号;当传感器输出间断电压或无输出电压时，系统将对应输出闪烁信号和不亮两种状态。

此外，采用温湿度传感器模块来检测路灯故障。当路灯体内的温度和湿度达到路灯设计上限值时，MCU可强制电源供电断路，从而达到保护灯具的效果;如系统由于温湿度发生故障时，微处理器将该信息附于采集到的故障数据传递至APP，供维修人员参考。设计上，系统采用OLED显示屏，它比LCD更轻薄、亮度高、功耗低、响应快、清晰度高、柔性好、发光效率高，可将光照强度传感器和温湿度传感器检测到的数据实时显示，从而满足对显示技术的所有需求[3]。

3、路灯精准定位

北斗定位是基于北斗卫星导航系统实现的定位技术。北斗卫星导航系统是中国自行研制的全球卫星定位与通信系统，可全天候、全天时的为各类用户提供高精度和可靠的定位、导航、授时及短报文通信服务[4]。基于北斗的路灯精准定位，主要以北斗差分定位算法为核心。该算法理论上可有效降低甚至消除各种测量误差，但为了保证定位结果的高精度，避免可能引起定位误差的星时钟误差、卫星星历误差、电离层延时误差、对流层延时误差、接收机多路径效应以及接收机噪声等。系统采用以北斗为主、GPS为辅的双模定位技术[5，6]，GPS是在美国海军导航卫星系统的基础上发展起来的无线电导航定位系统，具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时功能，是第一个成熟的、可供全民使用的全球定位系统。这两种定位方式拥有比较高的准确度和可靠性，在市场上已成为相对主流的定位方式。

通过基于北斗GPS的双模定位方法、定位终端及系统;包括接收卫星定位数据信息，并根据卫星定位数据信息读取北斗GPS双模定位终端与定位卫星之间的配合，计算出北斗GPS双模定位终端的精确坐标，完成位置的高精度定位。北斗GPS双模定位通讯图如下图2。

4、APP终端实时监测

APP路灯监测界面设计：将系列区域路灯以矩阵形式在APP上显示，每个小区域被包括在一个集合里面，不同的同等集合组成一个更大的集合，以A市为例，其集合包括B区、B区和D县等子集合;而B区包括E街道、F街道、G街道等多个子集合，将E街道所有的路灯都归于E街道集合。

路灯故障分析处理：当路灯相关信息经微处理器分析后，通过GPRS模块将分析信息结果传递给APP端。路灯状态与指示灯的对照关系如表1所示，该表中部分状态可以组合，如路灯不断闪烁且亮度处于低亮状态时，APP中对应路灯信号将显示为不断闪烁黄灯进行报警。当对应色彩的灯光亮起时，可及时辨别故障类型，并对故障类型可能存在的原因进行分析，最后给出相关检修材料建议。只有当故障灯被维修好之后路灯信号灯的颜色才会正常显示为绿色，整个过程均可进行实时显示和监测。

故障路灯实时定位：将APP和高德、百度等地图软件相结合，当路灯出现故障时，会提示出现异常状况的具体街道和区域，再通过点击区域，详细显示异常颜色的路灯位置。将APP授权于百度、高德等地图软件后，系统可直接跳至地图界面，且地图界面自动生成路灯地图类型，故障路灯的位置将会精准、具体的显示在地图上，进一步可根据此时所处位置给出最佳导航路线。

故障提醒及处理：当APP端路灯信号显示为绿色时，无需进行任何提醒;其余异常状况，系统均会触发震动提醒，直到用户进行确认之后停止，但灯的颜色不改变，仅当维修人员将路灯修好后，经路灯故障监测系统处理分析达到正常要求时，信号灯颜色才会正常显示;如路灯未维修超过三天，APP将会进行语音提醒;故障提醒会记录在APP消息板块中，每次提醒和其它关于APP的消息都会记录以供随时寻找;APP有单独的故障处理界面，该界面能够显示未处理故障路灯的所处状态。

APP区域和地图设置：APP需要手机进行定位权限设置，授权后可根据定位信息确定并显示当前区域路灯的分布情况;地图设置包括实时和离线两种类型，实时地图可在网络条件下更新区域路灯分布情况;而离线地图则在下载当前区域路灯分布情况下进行查询。

结论

本文主要对城市或乡村等生活区域中路灯工作情况的实时监测和处理服务系统过程作简单描述和分析。该基于北斗定位的区域路灯故障即时监测系统组成简单、功能强大，集成手机APP显示和控制简单等特点，对现实的应用和操作过程具有重要的指导意义。

参考文献：

[1] 黄红兵，张辰，刘俊毅，章毅，钟一俊.基于北斗定位技术的输电杆塔运行状态监测研究与应用[P].数字通信世界，2018，05：51-53.

[2] 严兵，宋文，蒋忠远.基于增广自控网的路灯故障检测系统[J].系统仿真学报，2007，19（1）：171-174.

[3] 袁学松，张静. 基于北斗的LED路灯故障检测与报警系统设计[J].宿州学院学报，2016，31（5）：100-103.

[4] 刘基余.北斗卫星导航系统的现况与发展[J].遥测遥控，2013，34（3）：1-8.

[5]寧津生，姚宜斌，张小红.全球导航卫星系统发展综述[J].导航定位学报，2013，1（01）：3-8.

[6] 谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京：电子工业出版社，2017.