基于互联网和WSN节点技术校园智能照明管理系统

严一踔 谷龙强 丘军意 尚亚强 陈明霞

摘  要：在过去的十多年中，校园照明能源消耗浪费的情况较为普遍而且照明系统不便统一管理，维修护理工作也较为烦琐，由此设计出一套以LED为集成，协同控制为目标的校园LED智能照明系统。利用无线传感网络（WSN）、自供电节点以及LED驱动技术，研发了一种以互联网和无线传感器网络技术为基础的校园智能照明管理系统，提供了低成本、节能的智能照明方案。

关键词：WSN节点技术;智能照明;物联网技术

中图分类号：TN929.5      文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）05-0172-04

Campus Intelligent Lighting Management System Based on Internet and

WSN Node Technology

YAN Yichuo， GU Longqiang， QIU Junyi， SHANG Yaqiang， CHEN Mingxia

（College of Mechanical and Control Engineering， Guilin University of Technology， Guilin 541006， China）

Abstract： In the past ten years， the energy consumption and waste of campus lighting is common， and the lighting system is inconvenient to be managed uniformly， and the maintenance and nursing work is also cumbersome. Therefore， a set of campus LED intelligent lighting system with LED as integration and collaborative control as the goal is designed. Using Wireless Sensor Network （WSN）， self powered node and LED driving technology， a campus intelligent lighting management system based on Internet and wireless sensor network technology is developed， which provides a low-cost and energy-saving intelligent lighting scheme.

Keywords： WSN node technology; intelligent lighting; Internet of Things technology

0  引  言

近年來绿色照明已成为世界各国推动节能减排、减缓气候变化的有效途径和重要手段。对于学校管理来说，良好的校园照明可以提高设备的利用率，同时对校园安全也有着积极的意义，因此校园照明对塑造学校的整体学习环境起着非常重要的作用。

智能照明管理系统是集供电技术、传感器测量、照明等功能于一体的综合性系统，其主要技术难点在于电源容量。为提高传感器测量效果，WSN各节点将会密集分布在工作区域。因此在节点的电能储存能力受限的前提下，本研究采用了自供电技术以保持节点在线，且基于（WSN）技术和LED驱动控制技术，借助互联网在线监测无线传感器网络中各节点的能量状态，来保证系统数据采集工作和灯光控制的稳定，达到校园环境设计的基本要求，提供了一种低成本、节能的智能照明方案。

1  系统总体方案设计

校园智能照明管理系统由控制核心模块、光敏传感器模块、LED控制驱动模块、Wi-Fi模块、太阳能自供电模块组成。此设计以WSN为系统框架，基于CC2530芯片所接收的传感器数据来调节LED工作状态，通过ZigBee通信协议来实现无线传感收发信号，主要光敏器件能够实时监控光照强度，然后通过无线传感的方式将数据传输到信息处理中心中，利用Wi-Fi模块连接物联网平台并通过手机APP或电脑端实现远程监控。

本系统中WSN节点采用的是光伏自供电，即使用太阳能板将光能转化并储存在光伏电池中，利用电池为照明节点供电。这样可以有效解决传统WSN节点中因单个电源而引起的能量不足的问题，为校园智能照明管理系统提供了实验支撑。系统总体框架如图1所示。

2  系统硬件设计

系统硬件主要部分可划分为主控模块、传感器模块、LED驱动模块以及节点自供电模[1]块。在硬件设计方面追求整体控制思路清晰，控制过程简练高效。综合对比市面上常用的各种控制硬件设备后，根据设备功能、价格、能耗、可靠性等方面特点选定了本系统所用硬件型号。

（1）主控模块。选择STM32F103系列以及cc2530（ZigBee）[2]作为主要控制芯片。ZigBee是一种低成本，低功耗的近距离无线组网通信技术，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。其中cc2530是一个兼容IEEE802.15.4的真正的片上系统，支持专有的802.15.4市场以及ZigBee、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE标准。具有功耗低且兼容性强大的特点，且配置多通道ADC采样以及脉宽调制输出，在满足本系统需求的同时也蕴含着丰富的拓展空间[3]。其中cc2530在表1条件下运行能达到最佳的效果。

（2）传感器模块。选择霍尔MH-Sensor-Series系列光敏传感器，该模块包含模拟量输出（AO）和电平输出（TTL）模式，其中模拟量输出基于传感器中光敏电阻的阻值根据光通量的大小而改变的原理，令电流与光强构成函数关系，在本系统中能凭借10位采样精度准确获取当前光照强度数据。

（3）LED驱动模块。LED驱动模块选择YL-78板子来驱动照明运行。由于单个LED功率有限，因此系统运行时通常需要借助LED驱动模块来同时驱动多个LED以满足照明需求。模块采用直流电作为控制驱动信号，当正向电压大于导通电压后，可视为正向压降与正向电流成正比关系，系统即可通过恒流电源来控制正向电流大小。

（4）Wi-Fi模块。ESP8266 Wi-Fi模块作为可以进行Wi-Fi传输的模块集成了业内领先的Tensilica L106超低功耗32位微型MCU，带有16位精简模式，主频可达160 MHz。本研究中选择该芯片来作为物联网平台的一个客户端，在设备接入无线局域网络后，将当前传感器采集的数据以及照明系统工作状态等信息通过MQTT协议发布到物联网平台，以便于管理员通过手机应用或电脑实时查看信息，并控制照明系统的运行。图2为ESP8266在系统中工作过程。

（5）节点自供电模块。由于部分成本较低的铅酸蓄电池对环境有较大污染，且不能维持WSN节点长期稳定可靠运行，随着运行时间延长容易出现电池性能下降导致节点掉线的情况。因此本系统采用质量更稳定的聚合物锂电池作为供电，其在温度升高的情况下也能维持输出功率基本不变，符合校园智能照明的需求。控制单元通过检测光伏蓄电池充电电流来判断当前光照条件，通过检测电池的电压和超级电容的电压来判断储能模块剩余能量情况，并结合光照条件和当前剩余储能，远程对能量进行管理，同时控制相应开关进行通断动作，以保证智能照明系统在线运行。

3  系統软件设计

3.1  物联网平台选择

随着互联网的高速发展，系统的开发模式日新月异。当今构造系统已经不再需要自行搭建个人服务器，转而开始使用例如阿里、腾讯、百度等互联网大厂提供的云服务器，开发者根据自身需求选择适合的物联网平台，极大节省了搭建服务器的人力、物力成本。由于本系统涉及WSN以及物联网的知识，因此系统软件设计对于整个智能照明系统起着至关重要的作用。

手机端APP控制部分利用阿里官方提供的物联网平台来作为手机与硬件系统沟通的媒介，该平台针对智能化设备连接、移动端控制、设备管理、数据统计等问题，提供了一整套配置化方案，大幅降低了“设备—云端—APP”的开发成本。只需在物联网平台上将控制台需要的实时信息、操作模块等放入模板内，并与硬件信息绑定联系，就能通过手机APP远程监控智能照明系统、获取当前数据并控制系统运行。

电脑端远程控制界面则使用由IBM公司创建的开源物联网平台Node-RED进行开发，该平台提供了多个系统级API接口，且支持可视化编程，极大提高了开发控制面板的效率。在本操作面板中，制作了当前光照强度数据、当前控制模式以及当前LED照明亮度的显示，自动在物联网平台每次接收到客户端发送的数据后进行一次刷新，保证了数据的实时性、有效性，并加入了一天中光照强度随时间变化的曲线，便于对数据进行统计。系统上电后默认为自动运行模式，当光照强度低于设定值时，控制芯片cc2530根据光照强度自动改变PWM输出宽度，从而实现照明亮度的自动控制。当按下手动模式按键时，上位机会通过物联网平台向控制模块发布指令，将控制模式切换为手动，照明亮度不再随光照强度自动改变，而是等待上位机输入照明亮度控制的数值，再将照明亮度改变为设定值，从而实现了远程手动控制照明系统运行。图3为在电脑端使用Node-RED控制面板测试智能照明系统的运行状况。

图3  Node-RED控制界面

3.2  编程平台选择

为了方便后期对系统中各个模块进行调试、检查，以及将来对系统其他功能的拓展，本系统的控制程序采用集成软件进行开发。其中本地数据采集层的ESP8266程序部分选择使用c++的ArduinoIDE软件进行编写，主控程序部分则选用Keil编译器在线调试，尽量使系统各部分模块相互独立，充分将软件编程与硬件属性相结合。以下为ESP8266接入物联网平台部分代码：

// 连接物联网服务器并订阅信息

void connectMQTTserver（）{

// 根据ESP8266的MAC地址自动生成客户端ID

if （mqttClient.connect（clientId， mqttUserName，

mqttPassword， willTopic，

willQos， willRetain， willMsg， cleanSession）） {

subscribeTopic（）; // 订阅采集光照强度、运行状态的主题

} else {

Serial.print（“MQTT Server Connect Failed. Client State：”）;

Serial.println（mqttClient.state（））;  //若订阅失败，通过串口返回信息

delay（5000）;

}

}

//光敏传感器采集数据、发送至物联网平台

void sensor（）{

float data = 0;

float PWM_data=0;

char output[5];

char PWM_zt[5];

sensorValue = analogRead（analogInPin）;  //读取当前光照强度0至1023数值

data = 100-（sensorValue/10.23）;  //将光强数据换算为0至100数值

dtostrf（data，2，0，output）;

mqttClient.publish（sensorTopic， output）; //数据格式转化并发布到物联网平台

delay（1000）;

PWM_data=dutyCycle/10.23;  //将光照强度转化为PWM输出脉宽

dtostrf（PWM_data，3，0，PWM_zt）;  //根据光照强度自动改变照明亮度

mqttClient.publish（PWMztTopic， PWM_zt）;  //将照明状态发布到物联网平台

delay（1000）;

}

3.3  控制过程原理

系统上电后开始初始化，同时STM32开始通过串口与cc2530连接，ESP8266启动并根据预存信息寻找无线局域网进行接入，接通网络后开始凭客户端ID、密钥连接物联网平台，并订阅受管理员手机电脑控制的相关主题，同时等待来自STM32F103的JSON数据包。照明系统的控制从管理员的角度可分为收发数据两部分：

接收数据部分即为cc2530芯片读取当前LED工作状态以及光敏传感器实时采集到的光照强度数值，并利用STM32将数据打包为JSON格式，再通过串口发送至Wi-Fi模块，然后ESP8266芯片调用内部的Arduino-json库函数对接收到的JSON格式数据包进行解析并通过MQTT协议发布到物联网平台的个人主题中，管理员便可在手机端APP及电脑网页中订阅对应的主题以查看采集到的数据。

发送数据部分即为管理员通过手机或电脑端的物联网平台控制面板对照明系统下达控制指令后，指令透过物联网平台发布到Wi-Fi模块[4]上，Wi-Fi模块的ESP8266芯片再通过串口通信下級发送控制数据，经过cc2530后实现对LED的工作控制。

另外，本系统在程序中设置了手动和自动两种控制模式，在自动控制模式下当光照强度偏离人为设定范围时便能自动启停LED[5]照明并随外界光照强度变化而改变工作亮度，而手动模式则可以通过人为改变cc2530芯片输出的PWM数值来控制照明亮度。

4  结  论

校园智能照明管理系统通过对WSN以及LED驱动控制技术的研究和开发，利用物联网、传感网技术研发了一种较为合理、经济、有效、适用性强的实现方式。光伏自供电系统有效的解决了校园照明中的能源问题，WSN无线传感技术能根据光照强度的实际变化让路灯照明更加智能化、节能化。二者的有机结合，满足了校园实际的需求，能实现校园照明系统的信息化、智能化管理，同时大幅度的减少了学校在照明系统方面的能源消耗，降低了人工维护与检修的成本，符合“智能化、节约化”的环保理念，该系统具有广泛的应用前景。相信伴随着科学的进步，WSN将会在校园智能照明方面产生深远影响。

参考文献：

[1] 韩鹏元.太阳能光伏发电系统应用技术 [J].黑龙江科技信息，2016（7）：138.

[2] 姜仲，刘丹.ZigBee技术与实训教程 基于CC2530的无线传感网技术 [M].北京：清华大学出版社，2014.

[3] 李少雷.基于Zigbee技术的无线智能照明控制系统 [J].电子设计工程，2015，23（19）：125-126.

[4] 刘强.无线传感器网络组网关键技术研究 [D].四川：电子科技大学，2012.

[5] 王琳，肖军，王威.可组网的太阳能LED路灯终端控制系统设计 [J].工业仪表与自动化装置，2020（3）：20-23.

作者简介：严一踔（2000—），男，汉族，广西苍梧人，本科在读，研究方向：自动化;谷龙强（2000—），男，汉族，安徽阜阳人，本科在读，研究方向：自动化;丘军意（2001—），男，汉族，广西陆川人，本科在读，研究方向：自动化;尚亚强（2000—），男，汉族，河南洛阳人，本科在读，研究方向：自动化;通讯作者：陈明霞（1971—），女，汉族，广西恭城人，教授级高级工程师，本科，研究方向：装备自动化技术、过程控制系统、运动控制。