基于nRF51-DK的智慧路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉雯 陳存哲 苗享天 鄭軒 王碩 陳宏

摘 要：在城市照明中，傳統(tǒng)路燈存在操控不便、管理效率低、燈況不明、巡燈投入大等諸多詬病。針對傳統(tǒng)路燈照明存在的各種缺陷，提出了一種基于nRF51-DK的智慧路燈設(shè)計(jì)方案并加以實(shí)現(xiàn)。智慧路燈系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了單燈的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并借助云平臺實(shí)現(xiàn)了路燈狀況與車流量、光照強(qiáng)度等信息的數(shù)據(jù)共享，此外還在路燈的控制上增添了手動(dòng)模式，以應(yīng)對突發(fā)狀況。實(shí)驗(yàn)表明，智慧路燈的設(shè)計(jì)方案提高了路燈的監(jiān)管效率并有效降低了能耗。

關(guān)鍵詞：智慧路燈;IoT;云平臺;車流量檢測;nRF51-DK;通信

中圖分類號：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）12-00-03

0 引 言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的不斷完善，政府出臺了建設(shè)智慧城市的政策。智慧交通作為智慧城市建設(shè)的重要組成部分，吸引了大批研究人員的關(guān)注。照明是城市交通中的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的路燈控制方式主要通過設(shè)置固定的開關(guān)燈時(shí)間或基于緯度時(shí)令對整條街道或一個(gè)路段的路燈進(jìn)行控制，顯然這種工作方式會(huì)造成電力資源的浪費(fèi)，同時(shí)簡單粗放的路燈監(jiān)控管理方式也使得在路燈的維護(hù)與檢修上投入了過多的人力資源[1-4]。

鑒于傳統(tǒng)路燈已無法滿足智慧城市照明的需要，我們提出了智慧路燈方案。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對路燈進(jìn)行單燈控制和智能調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了路燈的精細(xì)化管理，達(dá)到了節(jié)能以及高效運(yùn)維的良好效果[5-6]。

1 智慧路燈的總體結(jié)構(gòu)

智慧路燈系統(tǒng)包括主控模塊、車流量監(jiān)測模塊、光照強(qiáng)度檢測模塊、通信模塊、云端以及安卓手機(jī)APP六部分，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)物如圖2所示。

2 智慧路燈的方案設(shè)計(jì)

智慧路燈設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）以nRF51-DK開發(fā)板為主控模塊，以開發(fā)板上的LED燈模擬現(xiàn)實(shí)情景下的路燈;

（2）通過車流量監(jiān)測模塊估算當(dāng)前的車流量大小;

（3）通過光強(qiáng)檢測模塊獲取自然光線的明暗信息;

（4）借助BC35-G通信模組實(shí)現(xiàn)主控模塊與云端的雙向通信;

（5）借助華為云平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和共享，以及控制命令的下發(fā);

（6）通過安卓手機(jī)APP快速訪問云端數(shù)據(jù)并向主控模塊下發(fā)命令。

系統(tǒng)流程如圖3所示。

2.1 主控模塊

主控模塊的主體是NORDIC公司研發(fā)的nRF51-DK開發(fā)板[1，7]，該模塊的功能包括接收并處理車流量監(jiān)測模塊和光照強(qiáng)度檢測模塊的數(shù)據(jù)，控制LED燈模擬不同情境下路燈的亮滅、明暗（包括自動(dòng)模式和手動(dòng)模式;本系統(tǒng)中LED燈的狀態(tài)被設(shè)置為明、暗、滅三種;白天路燈滅，夜晚路燈亮;車流量大，則路燈明，車流量小，則路燈暗），通過通信模塊實(shí)現(xiàn)與云端的雙向通信，即主控模塊向云端上傳數(shù)據(jù)和云端向主控模塊下發(fā)命令。

2.2 車流量監(jiān)測模塊

車流量監(jiān)測模塊采用基于51單片機(jī)的紅外收發(fā)裝置。當(dāng)有車輛經(jīng)過時(shí)，紅外線的傳播路徑被阻擋，接收模塊的輸出電平發(fā)生變化，如圖4所示。統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)高電平的持續(xù)時(shí)間，并以此估算車流量，如圖5所示。

車流量c可按下式計(jì)算：

2.3 光強(qiáng)檢測模塊

光強(qiáng)檢測模塊采用光照強(qiáng)度傳感器GY-302 BH1750，該傳感器能夠?qū)崟r(shí)獲取外界光線的光照強(qiáng)度值。通過實(shí)驗(yàn)我們設(shè)置了合理的閾值Tth，當(dāng)實(shí)際的光強(qiáng)值大于Tth時(shí)，路燈被設(shè)置為滅;當(dāng)光強(qiáng)值小于Tth時(shí)，根據(jù)車流量c的大小，路燈被設(shè)置為明或暗。

2.4 通信模塊

通信模塊采用BC35-G NB-IoT模組[8]，BC35-G模組配有板載天線和SIM卡座，插入移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)卡后，即可通過中國移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與云端通信，從而進(jìn)行云端與主控模塊的雙向通信：將車流量和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器;云端向主控模塊下發(fā)控制命令。

2.5 云端

云端部分采用華為云-物聯(lián)網(wǎng)平臺-IoT平臺增強(qiáng)版[9]，借助華為OceanConnect開發(fā)者平臺進(jìn)行設(shè)備管理及應(yīng)用開發(fā)，包括顯示路燈的工作情況;接收、顯示和存儲車流量及光照強(qiáng)度數(shù)據(jù);下發(fā)路燈控制命令，命令格式見表1所列;與安卓手機(jī)APP通信，即允許APP讀取數(shù)據(jù)以及接收控制命令。歷史數(shù)據(jù)如圖6所示，歷史命令如圖7所示。

2.6 安卓手機(jī)APP

APP基于Android平臺[10-14]采用Java語言開發(fā)，通過調(diào)用云服務(wù)器API進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)訪問或者下達(dá)命令，包括獲取路燈、車流量及光線強(qiáng)弱信息并實(shí)時(shí)顯示在APP界面和控制路燈的亮滅、明暗，如圖8所示。此外還可設(shè)置手動(dòng)模式（圖8中右上角按鈕為開關(guān)，此時(shí)處于打開狀態(tài)），手動(dòng)模式下路燈狀態(tài)僅由云端命令控制，不再根據(jù)自然光線和車流量自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)路燈照明存在的操控不便、管理效率低、燈況不明、巡燈投入大等諸多缺陷，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及云平臺，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)基于nRF51-DK的智慧路燈系統(tǒng)。通過測試我們發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)具備預(yù)期的各種基本功能，初步模擬了智慧路燈在實(shí)際情景中的應(yīng)用，但值得注意的是，我們僅實(shí)現(xiàn)了單燈的監(jiān)控，對于規(guī)?；牟荚O(shè)及使用，還有許多問題亟待解決。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]劉雯，姜鐵增，陳煒，等.基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的物聯(lián)網(wǎng)/嵌入式系統(tǒng)開發(fā)教程[M].北京：水利水電出版社，2018.

[2]查利君，蔡濱峰，黃建輝.城市LED路燈智慧照明設(shè)計(jì)[J].中國照明論壇，2014：234-243.

[3]羅茶根，洪蕓蕓，張志海.LED智慧路燈在智慧城市中的應(yīng)用[J].中國信息交通化，2015（12）：135-137.

[4]肖鵬.智慧路燈在城市道路照明中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)，2018，（22）：121-122.

[5]劉武.智慧路燈管理系統(tǒng)中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2018（12）：124.

[6]曾保權(quán)，楊琳芳.基于NB-IoT的智慧路燈管控系統(tǒng)研究及應(yīng)用[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2019，9（3）：282-285.

[7] nRF51參考手冊nRF51 Series Reference Manual Version 3.0. Reproduction in whole or in part is prohibited without the prior written permission of the copyright holder [Z]. 2014-10-20.

[8] NB-IoT_BC35-G最小系統(tǒng)板參考資料[EB/OL].www.iot-club.cn.

[9]華為云IoT平臺增強(qiáng)版[EB/OL].https： //www.huaweicloud.com/product/iot.html.

[10]孫光宇，張玲玲.Android物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)從入門到實(shí)戰(zhàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015.

[11]郭霖.第一行代碼 Android [M]. 2版.北京：人民郵電出版社，2016.

[12]李天祥.Android物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)細(xì)致入門與最佳實(shí)踐[M].北京：中國鐵道出版社，2016.

[13]歐陽燊.Android Studio開發(fā)實(shí)戰(zhàn)：從零基礎(chǔ)到APP上線[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.

[14]千鋒教育高教產(chǎn)品研發(fā)部.Java語言程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2017.