基于物联网的城市路灯控制系统

李育博 王帅帅

（西藏民族大学信息工程学院，陕西 咸阳 712082）

随着夜间照明系统及各种景观设施不断地发展，以往的人工排查设施及维护对相关部门是一笔耗时耗力的工作，缺乏有效的及时的预报故障排查机制，给相关部门造成了极大的经济支出［1］。目前，随着智慧路灯控制的不断发展和更高效的智能端控制，既降低了成本也促进了节能减排。本文旨在设计一种新型的智能路灯管理系统。与目前市场上的传统路灯系统相比，该智慧路灯管理系统更符合现在城市需求，能源转化率更高，也更符合我国基本绿色减排的基本国情［2］。

传统的路灯模式已经经历了二十余年的发展。从控制技术的角度来看，它经历了定时控制，纬度和经度时间控制，照明控制，灯光控制和时间控制的组合。从各个方面来看，它已经经历了本地控制和路灯环路监控两个阶段，并且正在朝着单灯远程监控的方向发展。在国外一些发达城市，基础设施建设相对成熟，高新技术的应用更加完善。例如，圣地亚哥市2018年宣布，它将建立全球最大的智慧城市物联网平台，并采用通用电气公司（GE）开发的CityIQ 解决方案，以改善城市街道的停车、交通和公共安全。现在我国“智慧城市”的建设发展迅速，越来越多的城市开启了“老城改造，新城建立智慧城市”的方案［3］。

城市路灯监控管理的最终目标是实现单灯级别的远程智能控制，定点单灯排障，这就需要庞大计算量的支持，以及更加节能的传输方式，才能实现地区级别的全面调度和能源分配。智能路灯控制系统的普及不仅可以在改变路灯管理方式，减少人员投入，提高服务效率方面发挥根本作用，而且可以极大地促进城市夜景的建设［4］，更重要的是贯彻了我国绿色生态、节能减排的具体要求。

1 基于物联网的城市路灯控制系统整体框架

1.1 整体框架

基于STC89C52 的智能路灯控制系统的设计与实现是多种物联网技术构成的。该项目分为四层：应用层、平台层、网络层和感知层。该项目的各层功能作用如图1所示。

图1 系统的结构框图

如图所示各层之间的作用。

感知层：传感器终端节点主要收集各种数据，将收集到的数据以简单的封装发送，接收数据并以此控制路灯状态等功能；

网络层：WiFi主要使用tcp/ip网络通信协议，与平台层通信，并通过串行端口与协调器通信［5］。通过无线模块ESP8266与终端通信；

在平台层：构建一个云服务器平台，用来接收Web端发送的消息和WiFi上传的数据，并执行数据处理；然后将其发送给客户端；

应用程序层：PC 端和Android 端通过指定的IP 访问Web，并查看各种实时数据和控制路灯的状态［6］。

1.2 功能模块设计

基于物联网的智慧路灯控制系统的控制模块的功能设计主要分为两点：

1.2.1 自动模式下，根据时钟开关，在固定的时间段内开启和关闭路灯，根据夏天昼长夜短，冬天昼短夜长，也可以根据环境变化，比如雨雪天气温湿度过大，亦或者PM2.5 值数过高，空气质量指数过差，行人出行数量过少，适当的根据4 个档位调节降低路灯的亮度和路灯打开的个数。或者根据光敏传感器来测定夜晚是否有行人车辆来调节灯的亮度或者定时开关以此来达到绿色节能的目的。

1.2.2 手动模式下，可以自由设置路灯的亮灭时间，也可以根据环境光的强弱，夜晚是否有行人车辆来调节灯的亮度共有4个档位调节。按照功能划分为五个模块，分别是：数据采集模块、终端节点模块、网关模块、云服务器模块、web界面显示模块。

图2 功能模块划分图

2 基于物联网的城市路灯控制系统设计

2.1 硬件设计

本系统的硬件总体设计由路灯节点模块和网关模块组成，路灯节点主要由以STC89C520 单片机、以及各种传感器构成；网关模块是由ESP8266 模块构成。各个模块相互链接、互相作用，传感器收集数据，将其数据发送给单片机，单片机接收到返回的数据后，对整体的设计模块进行处理和相应操作［7］。

图3 硬件总体设计结构图

2.2 软件设计

本项目依据物联网系统架构，将项目软件设计实现分为四层：感知层、网络层、平台层和应用层。

在感知层中，温湿度传感器检测路灯附近温湿度并通过在单片机中处理打包后发送到串口通过网关模块透传功能发送给云端服务器，实现云端和终端的通信［8］。

在网络层，用ESP8266 模块作为终端和服务器的数据中转站，把数据通过以太网上传到云端服务器［9］。

在平台层中，是WEB 和服务器之间的通信(共享内存实现)，平台层服务器基于TCP/IP 协议实现和终端网关的通信［10］。

在应用层中，用户可通过访问相应网址更改路灯工作状态和工作模式，可以再LCD 显示屏显示设置的开关灯时间。路灯总体流程如图4所示。

图4 路灯系统流程图

3 基于物联网的城市路灯控制系统测试

3.1 软件系统测试

3.1.1 web界面显示测试。Web终端界面显示可以实时的显示路灯状态，环境质量，测试条件、目的及效果如表1所示。

表1 web界面显示测试用例

3.1.2 路灯状态测试。路灯状态测试包括自动模式下的路灯状态测试如表2 所示，手动模式下的路灯测试如表3所示。

表2 自动模式下路灯状态测试用例

表3 手动模式下路灯状态测试用例

4 结论

在整个设计实现过程中，单控灯光到远程控制到各种传感器在web 端实时显示数据成就感十足，本次智慧路灯方案主要完成实现了以下几个功能：

智能开关：每盏路灯独立控制，可根据需要调整时间亮灭，减少能源消耗；

城市环境数据感知：空气温湿度，有害气体浓度等信息采集,实施反馈到终端；

根据检测出的有害气体和温湿度数据来控制路灯的亮灭和照射强度，比如下雨天、雾霾天气行人出行少，可根据实施检测来适当的降低亮度；

终端接收到数据并分析从而控制灯的亮灭和时间；

网关能够把实时的将数据进行传输；

可视化的web 界面，用户可以远程调控，随时查看各种数据信息；

现在我国正在加快节奏进行“智慧城市”的进程，而“物联网”的发展是进行“智慧城市”发展的一辆快速的载具，“物物相连”的宗旨符合现在我国的发展理念，更极大的改善了传统的效率低，资源浪费严重等不好的现象。而“智慧路灯”这样的选择和模式是“物联网”的一个缩影，也是“智慧城市”的一个缩影，更是我国能源可持续发展的一个很大的趋势，它可通过简单的控制实现节约人力、节能减排的目的，可获得极好的经济效益。每个城市都缺少不了路灯这样的“神经脉络”，也希望该选题可以被大力推广，可以为节能减排和智慧城市贡献自己的绵薄之力。