边缘计算模式下的智能照明系统

东南大学成贤学院 郭 扬 茹海涵 王逸凡 魏 婧

本文设计了一种基于边缘计算的智能照明系统。该系统通过传感器和控制器对照明设备全面感知，实现实时的自适应控制，并将实时数据传输至云端保存，通过蓝牙技术在手机端进行远程控制。此系统具备感知环境光亮暗、红外感应、数据分析、自适应调节等功能。相对于传统的云计算处理方式，该系统具有低成本、低功耗、实时化、智能化、安全性高、便于管理等优点，从而优化城市照明管理水平，实现照明系统的减排、节能的效果。

为了应对日益增多的数据，2005年，云计算的概念被提出后，很快便得到了广泛的应用，十多年的发展，国际上形成了以亚马逊、微软以及国内的阿里巴巴为代表的致力于云计算解决方案的厂商，为整个社会提供所需要的存储空间和服务器。万物互联的步伐正不断加快，庞大的数据量给云端带来的巨大的压力，进而网络延迟也越来越严重。行业智能时代的加速到来，全球已经掀起行业智能化转型的浪潮。通过对人、物、环境、过程等对象进行数字化产生数据，通过网络化实现数据的价值流动，以数据为生产要素，通过智能化为各行业创造经济和社会价值。智能化控制在无人驾驶、制造、能源、城市建设等各个行业都得到了广泛应用。

1 传统照明系统的不足

城市建设离不开照明系统的支持，智慧城市在今年来不断发展，“智能照明系统”将是未来智慧城市的重要组成部分，密集分布于城市各个区域的照明系统网络，也是一个信息采集网络。然而，智能化是当今的主流趋势，从该角度分析，我们会了解传统的不足之处。

1.1 光照固定，功能单一

传统照明系统只能够实现单一的照明功能，也有能调节亮度的照明设备，但都需要人为操作，已经不能满足特定的、智能化的需求。作为智能照明系统，除照明功能之外，还需要具备一些新的功能，以达到智能化的要求。

1.2 消耗功率较大，能源浪费

作为照明系统，实现照明的功能是十分必要的，然而照明需求会随着不同场景、不同时间做出不同变化。由于技术条件限制，传统的照明系统一般只能够实现开、关操作，就会造成一些亮度不好的环境照明不足，亮度好的条件下造成浪费，仅能指定统一的标准，而不能针对不同条件下的照明需求实现个性化控制，以达到因时而异、因地而异的效果。

1.3 运行维护不便

传统照明系统大多不能实时监控系统的状态，需要投入大量人、财、物力进行巡检，或多或少存在维修不及时的情况，对人们出行造成一定的影响。

2 智能照明系统的优势

智能照明系统的诞生即可解决传统照明系统的不足，相较于传统照明，智能照明系统针对传统照明系统的缺点，实现智能照明控制，达到合理配置资源的效果。系统采用全自动状态工作，由光照度传感器感知环境光亮暗情况，根据环境光亮暗程度系统自适应调节，并可以自动将照明调整到最适宜的水平，现有如下优点：

2.1 自适应调节

系统系全自动化控制。设定数个工作状态，所有的状态可相互切换。通过环境光感知模块、多级调光模块等，可以根据实际环境的亮度条件来判断当前条件下是否需要开启照明，开启什么程度的照明。环境光发生变化，系统就可以自动调节在此前提下，通过红外感应可以判断是否繁忙，并且会根据实际需要调整到最合适的水平。该智慧照明系统时刻与环境光照需求相适应。

2.2 节约能源

该智能照明控制系统能进行智能调光，某些光照需求多的地域获得更多光照，光照条件充足的地域获得相对少的光照。因时制宜、因地制宜。减轻了供电压力。实现了能源的合理配置，此时在路灯照明就不会出现能耗浪费的现象。

2.3 自我诊断，便于维护

借助互联网与3G/4G通信网络的连接，可以实现对智能照明系统的工作情况进行实时监测，有效提高了设备运维效率。每个单独的系统都和控制中心互联，当检测到来自传感器或输送给硬件的故障信号时，控制中心会快速显示并定位到故障位置，同时，系统将故障信息以设定的代码形式储存在存储器中，以便帮助维修人员获取故障信息，及时维修，节约了大量成本。

2.4 采用边缘计算

边缘计算(Edge Computing)指的是在网络边缘结点来处理、分析数据，边缘结点指的就是在数据产生源头和云中心之间任一具有计算资源和网络资源的结点。举个例子，如，学生查询成绩一般通过学校教务处查询，但现在可以在各个系里查询，这便是在边缘侧处理。边缘计算与云计算不同的是数据不用再传到云端，在边缘侧就能解决。边缘计算更适合实时的数据分析和智能化处理，相较单纯的云计算也更加高效。同时避免数据全都存储于云端，如云端受到网络攻击，数据的安全性即无法得到保证。边缘计算数据分散便有效解决了该问题。边缘计算是对云计算的一种补充和优化。智慧照明系统的规模随着城市建设及技术水平的提高而不断扩大，面对系统产生的海量数据，都汇聚到云端处理带来了时延等问题。那么采用边缘计算，将在理想环境中，边缘计算指的就是在数据产生源附近分析、处理数据，没有数据的流转，在边缘侧通过设定的算法进而减少网络流量和响应时间。基于边缘计算的智慧路灯系统的建设成为了智慧城市的重要组成部分。

本次项目中，边缘计算的优势有如下几点：①减少了传输过程，更实时、更快速的数据处理能力。②成本更低。边缘计算处理的数据是“小数据”，从数据计算、存储上都具有成本优势。③更低的网络带宽需求。而边缘计算的过程中，更少的数据传输不占用带宽。④提升效率。低成本、小压力、数据快处理使得效率也会大大提升。⑤边缘计算更加注重安全性、隐私性。数据存储本地，有效避免传输过程中的泄漏。

3 系统结构（图1）

图1 智能照明系统结构图

3.1 CC2541蓝牙模块（图2）

图2 蓝牙芯片模块图

本实验采用CC2541蓝牙芯片，该芯片集成性能极好RF收发器以及增强型8051内核，该模块启动后手机会对其进行配对，通过BLE协议对其进行监控。并且可以通过手机APP通过蓝牙模块发送数据来控制单片机中的光照强度高低阈值。从而实现远程控制、实时监测，提高了系统的灵活性。

3.2 传感模块

3.2.1 光照度传感器

使用BH1750型号的光照传感器，其内部由光敏二极管、运算放大器、ADC采集、晶振等组成来实现对照明系统所处环境光亮暗情况的监测。光照传感器电路如图3所示，光照传感器功能如表1所示。

图3 光照传感器电路图

表1 光照传感器功能表

3.2.2 红外传感器

使用HC-SR501型号的红外传感器，监测有无人员及车辆通过，功能如表2所示。

表2 红外传感器功能表

3.3 边缘算法优化

在本次项目中采用边缘计算算法，将CC2541蓝牙模块、传感器模块、照明系统几大部分连接起来，整个构成边缘计算系统。

我们设计了四个光照传感器和一个红外传感器来接收我们所需要的靠近数据源头的网络边缘侧的光照数据以及行人信息，将收集到的数据反馈回单片机。

在单片机内通过平均值滤波算法将采集到的数据汇总并进行优化得到一个输出值sum：

并在单片机内设置两个控制灯亮度的值low和high，默认low的初值为60，high的初值为100（数据可调）。在有行人通过时，即红外传感器接收到数据时，将sum与low和high进行对比，进行一个判断的操作：

从而达到控制照明亮度的效果。

3.4 数据记录汇总

通过uart串口通信协议将单片机通过导线连接至树莓派，由低功耗的树莓派作为上位机实时接收光照数据并存在本地，待需要时可以上传至云端或者本地直接查看。树莓派实时接收、保存数据如图4所示。

图4 树莓派实时接收、保存数据图

总结：本文主要介绍了基于边缘计算的智能照明系统，与传统的照明系统相比，有一些明显的优势，文中已提及。我小组认为基于边缘计算的智能照明系统有着广阔的发展前景，在日益加快的智慧城市的建设中，照明系统采用边缘计算的形式大大减轻了云端总处理的压力，将城市照明的灵活性大大提高。