智能路燈監(jiān)控與管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

季媛媛，文小玲，張闡娟，張雙華，唐四維

武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205

智能路燈監(jiān)控與管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

季媛媛，文小玲*，張闡娟，張雙華，唐四維

武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205

針對目前“全夜燈”和“間歇亮滅燈”照明所帶來的能源浪費(fèi)，設(shè)計(jì)了以STM32F103單片機(jī)為核心的智能路燈監(jiān)控與管理系統(tǒng).該系統(tǒng)由控制臺(tái)和路燈節(jié)點(diǎn)兩大部分構(gòu)成，包括了無線模塊、紅外傳感器、光敏電阻、繼電器及攝像頭等多種傳感器電路.控制臺(tái)通過無線網(wǎng)絡(luò)主動(dòng)監(jiān)控與管理任意節(jié)點(diǎn)的路燈及攝像頭的工作狀態(tài)；路燈節(jié)點(diǎn)的傳感器系統(tǒng)通過檢測到人通過或離開，控制路燈及攝像頭的開關(guān)，并將拍攝結(jié)果無線傳輸給控制臺(tái)顯示及存儲(chǔ).測試結(jié)果顯示該系統(tǒng)在室外復(fù)雜環(huán)境中實(shí)時(shí)監(jiān)控靈敏高，且畫面清晰、存儲(chǔ)時(shí)間長.

智能路燈；監(jiān)控與管理；傳感器系統(tǒng)；無線網(wǎng)絡(luò)；攝像頭

1　引　言

近幾十年以來，隨著中國城市和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市照明建設(shè)中的資源節(jié)約和交通安全等問題也越來越受到普遍關(guān)注.傳統(tǒng)路燈照明存在的一種常見現(xiàn)象就是夜間路燈一直亮著，或者亮一會(huì)滅一會(huì)，完全不將是否有人經(jīng)過考慮在內(nèi).這樣不僅浪費(fèi)能源，而且存在路燈的使用壽命短、維修成本高等問題.傳統(tǒng)路燈的另一個(gè)問題是要么功能單一，只能進(jìn)行夜間照明；要么就算帶有攝像頭能對路況進(jìn)行監(jiān)控，也需鋪設(shè)很長的光纜線進(jìn)行連續(xù)的視頻圖像傳輸；從而造成路燈系統(tǒng)的建設(shè)成本高、受地勢影響大，而且這種連續(xù)對路況進(jìn)行攝像的數(shù)據(jù)量很大，一方面儲(chǔ)存成本過高，另一方面視頻信息中絕大部分是無用路況信息，加大了調(diào)查難度［1］.

智慧城市建設(shè)已成為當(dāng)前的大趨勢，在2011年的“十二五”規(guī)劃中，將智慧城市列入建設(shè)內(nèi)容的城市達(dá)到了20多個(gè)，包括北京、天津、上海、廣州、深圳、南京、武漢、寧波等.對于智慧城市的建設(shè)，結(jié)合上面提到的目前路燈照明的缺陷，本文設(shè)計(jì)了一種智能路燈監(jiān)控與管理系統(tǒng).該系統(tǒng)通過無線模塊將控制臺(tái)及各個(gè)節(jié)點(diǎn)的路燈構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并結(jié)合人體紅外傳感，光敏電阻，攝像頭等傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)路燈智能控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控.該系統(tǒng)當(dāng)傳感器系統(tǒng)檢測到人體經(jīng)過時(shí)，攝像頭才會(huì)啟動(dòng)并只拍一張人體正在經(jīng)過時(shí)的照片，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)，可以最大程度減小儲(chǔ)存成本，而且照片信息實(shí)用性、方便性比路況監(jiān)控視頻高很多.經(jīng)測試該系統(tǒng)可用在公路、公共樓道、過道十字路口等場所的照明和監(jiān)控.

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為控制臺(tái)及各路燈節(jié)點(diǎn)兩大部分［2］.控制臺(tái)由一臺(tái)服務(wù)器構(gòu)成，包括上位機(jī)軟件和數(shù)據(jù)庫.上位機(jī)能夠顯示路況信息，控制各節(jié)點(diǎn)的路燈和攝像頭工作狀態(tài)，存儲(chǔ)和管理攝像頭傳來的圖像和視頻信息.路燈節(jié)點(diǎn)包括路燈、傳感器系統(tǒng)及微處理器，傳感器系統(tǒng)包括光敏電阻、人體紅外傳感器和攝像頭.為了使控制臺(tái)能控制各個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)，也為了各個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)能將路況信息傳遞給控制臺(tái)，就需要在控制臺(tái)那端使用微處理器完成信息從控制臺(tái)到各路燈節(jié)點(diǎn)的傳輸，此微處理器也相當(dāng)于橋接的作用，因而要完成一個(gè)帶有n個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)的智能系統(tǒng)，需要n+1個(gè)微處理器.本方案微處理器選用意法半導(dǎo)體公司的以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的32位STM32F103ZET6處理器［3］，主頻率高達(dá)72 MHz、可滿足大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)囊?；芯片集成有定時(shí)器、I2C、SPI總線以及UART功能，可設(shè)置低功耗模式，芯片引腳數(shù)量多且價(jià)格便宜，非常適用于此種多傳感器、數(shù)據(jù)量大且續(xù)航能力好的系統(tǒng).

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1　Structure diagram of system

2.1控制端硬件電路設(shè)計(jì)

由上述分析可知，整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)可分為兩大部分：以STM32微處理器為核心的控制端硬件電路，以STM32微處理器為核心的路燈節(jié)點(diǎn)硬件電路.

控制端硬件電路的功能，一是通過無線網(wǎng)絡(luò)接收來自各個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)的視頻或圖片信息，并將這些信息通過串行通信傳給控制臺(tái)的上位機(jī)進(jìn)行顯示及儲(chǔ)存；二是接收上位機(jī)的控制命令，并將其通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給各個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)，由路燈節(jié)點(diǎn)的微控器執(zhí)行這些命令.控制端硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括串行通信接口、無線模塊以及STM32微處理器.

圖2　控制端硬件電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.2　Frame scheme of hardware circuit structure of control part

由于STM32單片機(jī)需要將路燈節(jié)點(diǎn)攝像頭拍攝的視頻數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)顯示及儲(chǔ)存，而視頻的數(shù)據(jù)量是非常大的，為了能盡快地傳輸數(shù)據(jù)，串行通信的波特率設(shè)置為單片機(jī)72 MHz主頻率下最高且不會(huì)出錯(cuò)的921 600 bps.在此種波特率下，沒有壓縮的視頻每秒可以傳1～2幀圖像，每幀像素320×240，像素深度為16 bits；被壓縮的視頻可以達(dá)到每秒3～5幀圖像，每幀像素160×120，像素深度也為16bits，通過肉眼可以輕松地分辨清楚圖像中人物信息.常用的無線模塊有GSM、WIFI、ZigBee和RF射頻等.GSM無論從距離還是效果來說無疑都是最好的，但是需要向電信營業(yè)商交付費(fèi)用，那么多路燈節(jié)點(diǎn)及大數(shù)據(jù)量傳輸長期積累會(huì)是一筆巨大的開支.WIFI通信速度快可達(dá)10～50 Mbps，但是WIFI芯片相對比較昂貴，且安裝在城市環(huán)境中易受干擾.ZigBee易于組建成多點(diǎn)對多點(diǎn)的無線網(wǎng)絡(luò)，但是有個(gè)致命缺點(diǎn)是最高通信速率僅為250 kbps，速率慢不適合傳輸大量數(shù)據(jù)［4］.而RF射頻系列中的NRF24L01模塊通信速率可達(dá)2 Mbps［5］，而且價(jià)格非常便宜；其缺點(diǎn)是較遠(yuǎn)距離會(huì)有極少量數(shù)據(jù)丟失的問題，但可通過程序配置增強(qiáng)發(fā)射功率或加入數(shù)據(jù)校驗(yàn)來解決；因而此系統(tǒng)中使用RF射頻模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)的傳輸.

2.2路燈節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)

路燈節(jié)點(diǎn)硬件電路需要實(shí)現(xiàn)以下功能：通過紅外傳感器感應(yīng)人體經(jīng)過、光敏電阻感應(yīng)環(huán)境光強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)攝像頭拍照或攝像，打開或關(guān)閉路燈，經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)接收控制臺(tái)的命令，或?qū)D片、視頻數(shù)據(jù)傳輸給控制臺(tái).因此，設(shè)計(jì)的路燈節(jié)點(diǎn)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，主要包括紅外傳感器、光敏電阻、攝像頭、繼電器、路燈、無線模塊和微處理器.

圖3　路燈節(jié)點(diǎn)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.3　Frame scheme of hardware circuit structure of street light node

目前使用最廣泛的人體紅外傳感器是LHI778熱釋電紅外線傳感器［6］.它能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線能量的變化，并將其轉(zhuǎn)換成電壓信號輸出，將這個(gè)電壓信號加以放大，便可驅(qū)動(dòng)各種控制電路，此模塊只有3個(gè)引腳：電源、地、輸出引腳，使用起來很方便，為了進(jìn)一步減少環(huán)境中流動(dòng)風(fēng)和其它雜光的干擾，可以給此模塊加上菲涅爾透鏡，當(dāng)人體進(jìn)入其感應(yīng)范圍時(shí)輸出高電平，人體離開感應(yīng)范圍時(shí)自動(dòng)延時(shí)一小段時(shí)間后輸出低電平.由于路燈在白天不能亮、晚上或者光線昏暗并且有人通過時(shí)需要亮，因此需用光敏電阻來檢測環(huán)境光強(qiáng)，光敏電阻的阻值隨著光照強(qiáng)度的增加而減小，因而其兩端電壓會(huì)隨之增加，通過TI公司的低價(jià)位、高性能TLC549芯片AD采樣電壓大小，即可知道環(huán)境光強(qiáng)的大小.該系統(tǒng)使用的攝像頭是OV7670圖像傳感器，它體積小、工作電壓低、提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能，適合于嵌入式系統(tǒng)使用［7］；最大輸出的圖片像素為640×480，像素深度為16 bits，顯示圖像清晰；帶有異步的FIFO，使得在高速率下讀取攝像頭數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理具有時(shí)間余量，且STM32單片機(jī)對FIFO操作相對更為方便，圖像穩(wěn)定性也更好，單片機(jī)通過I2C接口配置攝像頭內(nèi)部寄存器，實(shí)現(xiàn)攝像頭的初始化、功能配置及像素?cái)?shù)據(jù)的讀取等功能.系統(tǒng)中微處理器及各種傳感器都工作在3.3 V電壓下，而路燈工作在220 V電壓下，要想通過微處理器控制路燈的開關(guān)就必須要用到繼電器，此處用的繼電器為SRD-05VDC-SL-C模塊.

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由路燈節(jié)點(diǎn)程序、控制端程序、上位機(jī)監(jiān)控程序三大部分組成.路燈節(jié)點(diǎn)程序的功能是控制各個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)及相連傳感器模塊（包括紅外感應(yīng)傳感器、光敏電阻、繼電器和攝像頭等）的工作狀態(tài)；控制端程序則是完成服務(wù)器和路燈節(jié)點(diǎn)之間通信的數(shù)據(jù)傳遞；上位機(jī)監(jiān)控程序可以控制各個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)，也可以觀察和查找攝像頭拍攝到的路況.

3.1路燈節(jié)點(diǎn)軟件程序設(shè)計(jì)

路燈節(jié)點(diǎn)程序包括紅外觸發(fā)控制、攝像頭控制、圖像壓縮處理、無線通信控制以及路燈通斷控制等功能模塊.路燈節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖4所示.微控器低功耗模式下只是一直在判斷是否有上位機(jī)的控制命令，及是否有紅外感應(yīng)觸發(fā)；一方面，如果光敏電阻檢查到環(huán)境昏暗，且紅外觸發(fā)控制模塊感應(yīng)到人體經(jīng)過，則微控器進(jìn)入正常工作模式，并調(diào)用路燈控制模塊打開路燈，調(diào)用攝像頭控制模塊對經(jīng)過的人進(jìn)行拍照，通過無線通信模塊將圖片信息上傳給服務(wù)器儲(chǔ)存，路燈在亮30 s之后會(huì)自動(dòng)關(guān)掉，從而實(shí)現(xiàn)人至路燈亮，人走路燈滅的功能.由于每次傳輸并儲(chǔ)存的是人經(jīng)過的圖片數(shù)據(jù)，因而可以減小數(shù)據(jù)庫儲(chǔ)存壓力，而且相對于儲(chǔ)存路況視頻，儲(chǔ)存的圖片都帶有人物信息，后期查詢路況更省時(shí)省力；另一方面，如果路燈節(jié)點(diǎn)的無線通信模塊接收到了上位機(jī)控制命令，則微控器也會(huì)進(jìn)入正常工作模式，接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過命令解析后，判斷是調(diào)用路燈控制模塊打開路燈，還是調(diào)用攝像頭控制模塊對路況進(jìn)行實(shí)時(shí)攝像，攝像后的視頻信息會(huì)經(jīng)過圖像壓縮處理再無線發(fā)送給上位機(jī)，此時(shí)無線傳輸、上位機(jī)播放及服務(wù)器儲(chǔ)存的就是一段壓縮后的視頻數(shù)據(jù).

圖4　路燈節(jié)點(diǎn)程序流程圖Fig.4　Program flowchart of street light node

由于微控器工作頻率不可能太高，且微控器要一直讀取攝像頭數(shù)據(jù)并控制無線傳輸，不可能空出太多時(shí)間進(jìn)行視頻壓縮，且視頻壓縮算法需要儲(chǔ)存大量數(shù)據(jù)［8］，這又會(huì)大大消耗微控器的內(nèi)存資源；在微控器上常見的視頻壓縮做法是外接視頻壓縮處理芯片，但是視頻壓縮芯片并不便宜，會(huì)增加系統(tǒng)成本.為此系統(tǒng)中只用了一種簡單快速的減少圖像像素的圖像壓縮算法，其原理如圖5所示.減少圖像像素的圖像壓縮算法通過判斷輸入像素點(diǎn)是否為奇數(shù)行和奇數(shù)列從而過濾掉偶數(shù)行和偶數(shù)列的像素.這種算法處理時(shí)間只用幾個(gè)時(shí)鐘周期，不消耗任何內(nèi)存資源，雖然最后顯示的清晰度會(huì)下降，但仍可以分辨出圖像中人物的特征信息.這樣在固定的無線通信速率下，需要無線傳輸?shù)南袼刈兂稍嫉乃姆种唬Ｇ闆r沒有壓縮的視頻每秒可以傳1～2幀圖像，而壓縮的視頻每秒可以傳3～5幀圖像.

圖5　圖像壓縮算法（a）圖像壓縮算法流程圖；（b）壓縮像素點(diǎn)過程Fig.5　Image compression algorithm （a）Flowchart of image compression algorithm；（b）Process of compression pixels

3.2控制端軟件程序設(shè)計(jì)

控制端程序包括無線通信控制以及UART串口通信控制兩個(gè)功能模塊.程序流程圖如圖6所示.由程序流程圖可知，微控器低功耗模式下只是一直在判斷UART串口是否接收到上位機(jī)數(shù)據(jù)，及無線模塊是否接收到路燈節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；一方面，如果UART串口通信控制模塊接收到數(shù)據(jù)，則表示上位機(jī)需要對路燈節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，此時(shí)只需把此控制命令轉(zhuǎn)換成無線傳輸?shù)母袷?，并通過無線通信控制模塊發(fā)送給相應(yīng)的路燈節(jié)點(diǎn)；另一方面，如果無線通信控制模塊接收到數(shù)據(jù)，則表示路燈節(jié)點(diǎn)有圖片或視頻需要傳給上位機(jī)儲(chǔ)存或播放，此時(shí)只需將此數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串口傳輸?shù)母袷剑⑼ㄟ^UART串口通信控制模塊傳輸給上位機(jī).

圖6　控制端程序流程圖Fig.6　Program flowchart of control part

3.3上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)實(shí)現(xiàn)的方法有多種，而LabVIEW則是其中較簡單快捷的一種.它通過框圖連線的形式進(jìn)行編程，而不是編寫文本代碼，可以大大提高工程開發(fā)效率［9］.整個(gè)上位機(jī)監(jiān)控程序由串口收發(fā)送模塊、串口接收模塊、視頻解碼播放模塊及數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)控制模塊構(gòu)成.串口發(fā)送模塊用來給路燈節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令；串口接收模塊用于接收路燈節(jié)點(diǎn)的圖片或視頻數(shù)據(jù)；視頻解碼播放模塊用以對串口接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，形成上位機(jī)能識(shí)別的格式并加以顯示［10］；數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)控制模塊則可以將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Excel表中，以方便后期隨時(shí)查詢路況.其中視頻解碼播放模塊程序如圖7所示，程序前半部分是利用雙重FOR循環(huán)及數(shù)據(jù)移位操作將讀取的565RGB像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分解后再重組，構(gòu)成LabVIEW的“Image Display”函數(shù)能夠顯示的888RGB像素格式.

圖7　視頻解碼播放模塊程序Fig.7　Program of video decoding and displaying

4　系統(tǒng)測試

為了檢測系統(tǒng)的可靠性，將智能路燈控制與管理系統(tǒng)的一個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)電路放在實(shí)驗(yàn)室的走廊內(nèi)；利用PC機(jī)作為控制臺(tái)，連接好控制端STM32硬件電路，打開上位機(jī)軟件，進(jìn)行實(shí)地功能測試.功能測試結(jié)果如下：

紅外感應(yīng)測試：無環(huán)境光，發(fā)現(xiàn)沒人時(shí)路燈滅掉，有人經(jīng)過時(shí)路燈會(huì)亮，同時(shí)會(huì)拍照傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示并存儲(chǔ).

光敏電阻測試：有環(huán)境光，發(fā)現(xiàn)不管是否有人經(jīng)過，路燈都不會(huì)亮.

上位機(jī)測試：在上位機(jī)界面打開路燈按鈕，發(fā)現(xiàn)路燈被點(diǎn)亮；攝像頭選擇慢速/快速攝像模式，此時(shí)上位機(jī)能顯示過道的路況，如圖8所示.

圖8　上位機(jī)顯示畫面Fig.8　Display image of upper computer

穩(wěn)定性測試：系統(tǒng)不斷電連續(xù)工作兩天，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能穩(wěn)定記錄過往行人信息.

由上述測試可知，此智能路燈監(jiān)控與管理系統(tǒng)，功能完善，達(dá)到了預(yù)期效果，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，能應(yīng)用到實(shí)際生活當(dāng)中.

5　結(jié)　語

本文設(shè)計(jì)出的一種智能路燈監(jiān)控與管理系統(tǒng)，能夠智能開關(guān)路燈從而最大限度節(jié)約電量，并提出了一種拍照監(jiān)控模式從而能最大限度減少服務(wù)器存儲(chǔ)壓力.分析了控制端和路燈節(jié)點(diǎn)兩大結(jié)構(gòu)的各個(gè)硬件模塊的電路實(shí)現(xiàn)，以及相應(yīng)的軟件控制流程，同時(shí)介紹了上位機(jī)的結(jié)構(gòu)和部分程序，最后對此系統(tǒng)在室外進(jìn)行了實(shí)地的測試.經(jīng)測試，此系統(tǒng)能夠在昏暗環(huán)境下準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)人到燈亮，人走燈滅的效果，同時(shí)能清晰監(jiān)測人體經(jīng)過時(shí)的路況畫面，并無線傳輸給服務(wù)器存儲(chǔ).但系統(tǒng)還可進(jìn)一步改進(jìn)，如提高紅外傳感器的靈敏度以及視頻傳輸?shù)乃俣鹊?

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本文編輯：陳小平

Monitoring and Management System of Intelligent Streetlight

JI Yuanyuan，WEN Xiaoling*，ZHANG Chanjuan，ZHANG Shuanghua，TANG Siwei

School of Electrical and Information Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

Aimed at the energy waste caused by the full-night and intermittent-blinking lighting，the intelligent street light monitoring and management system was designed based on STM32F103 microcontroller.The system was composed of console and streetlight node，including wireless module，infrared sensor，light-sensitive resistor，relay，camera sensor circuit and so on.The console can actively control light and camera of each node through wireless network，and the sensor system of the node controls the light and camera on or off through detecting the person passing by or leaving，then transmits wirelessly the images to the console for display and storage.Testing results show that the system displays high sensitivity in real-time control and clear images with long-time storage.

intelligent street light；monitoring and management；sensor system；wireless network；camera

文小玲，碩士，教授.E-mail：whwxl_2004@163.com

TP368.2

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2016.04.017

1674-2869（2016）04-0404-06

2016-04-19

武漢工程大學(xué)研究生教育創(chuàng)新基金項(xiàng)目（CX2015049）

季媛媛，碩士研究生.E-mail：1416431399@qq.com