物聯(lián)網(wǎng)路燈智能控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

胡 煜，劉岳烯，陳 越，陶 銘

（東莞理工學(xué)院 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東 東莞 523808）

0 引 言

隨著經(jīng)濟和城市化建設(shè)的快速發(fā)展，各城市道路的路燈亮化系統(tǒng)不斷在擴展，但路燈的管理水平也不盡相同。亮化能源使用越來越大，浪費越來越嚴(yán)重，安全隱患頻發(fā)。隨著智慧城市建設(shè)的需要，路燈的控制管理需求也在不斷加大，管理不到位的情況也有出現(xiàn)，因此對路燈進行智能化管理變得更為重要。基于物聯(lián)網(wǎng)的信息管理系統(tǒng)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展，對路燈管理水平有很大的促進作用[1]。

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things, IoT）是信息科技產(chǎn)業(yè)第三次革命。物聯(lián)網(wǎng)指的是通過信息采集設(shè)備，采集所需要的信息，根據(jù)規(guī)定好的協(xié)議，將物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，以網(wǎng)絡(luò)為介質(zhì)，實現(xiàn)物物相連。物聯(lián)網(wǎng)中有人與物體作為主體，能夠?qū)⑽镔|(zhì)世界中的物質(zhì)科學(xué)地連接起來，通過傳感器，實現(xiàn)物品之間的感應(yīng)，達到物與物之間，人與物之間相互關(guān)聯(lián)以及有效控制[2]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks, WSNs）是物聯(lián)網(wǎng)采集網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)形式，是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點進行觀察、采集信息或檢測事件的發(fā)生等，通過互相通信形成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，再將感測數(shù)據(jù)傳輸至信宿[3]。隨著物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)快速發(fā)展，“智慧路燈+物聯(lián)網(wǎng)”的結(jié)合可以有效實現(xiàn)道路亮化智能化管理以及滿足節(jié)能降耗的需求，方便路燈管理者實時查看路燈信息以及對異常情況作出及時響應(yīng)。

本套系統(tǒng)采用CC2530處理器作為采集節(jié)點的嵌入式系統(tǒng)，搭載系統(tǒng)所需要的各式傳感器，以ZigBee作為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點，使用CC2530中的串口作為數(shù)據(jù)傳輸工具，通過串口將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器端，路燈管理員可以登陸手機客戶端系統(tǒng)，查看路燈的使用情況。不僅如此，當(dāng)路燈故障時，也會通過手機報錯，達到快速告知管理員進行路燈維護的效果。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種低功耗、短距離和低速率下的無線通信技術(shù)，過去又稱為“FireFly”和“HomeRF Lite”技術(shù)，目前被統(tǒng)一稱為ZigBee技術(shù)[4]。ZigBee技術(shù)基于IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)具有穩(wěn)定性好、自組織能力強、低成本、網(wǎng)絡(luò)容量大、低能耗等優(yōu)點，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用[5]。ZigBee模塊是一種物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)終端，通過板載嵌入式系統(tǒng)的采集，利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)為用戶提供無線數(shù)據(jù)傳輸功能，將采集到的數(shù)據(jù)匯總并上傳處理。該系統(tǒng)采用CC2530作為載體，通過ZigBee協(xié)議棧的自組織功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸；ZigBee低功耗設(shè)計，最低功耗小于1 mA，使得系統(tǒng)運行時間足夠長；且ZigBee提供多路I/O，可以實現(xiàn)數(shù)字量輸入/輸出、脈沖輸出等；其中還有3路I/O可實現(xiàn)模擬量采集、脈沖計數(shù)等功能，大大方便了傳感器對數(shù)據(jù)的采集。

1.2 串行接口技術(shù)

串行接口（Serial Interface）是采用串行通信方式的擴展接口。串行接口技術(shù)是指數(shù)據(jù)一位一位地通過串口線順序傳送[6]。其特點是通信線路簡單，串口只要有一對傳輸線就可以進行雙向通信，從而大大地降低了成本，適用于遠距離通信，但傳送速度較慢。

同步串行接口（Synchronous Serial Interface, SSI）是指通過同步時鐘控制，發(fā)送方和接收方同步進行數(shù)據(jù)的傳送。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計方案

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)路燈智能控制系統(tǒng)由ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、基于CC2530的串行通信技術(shù)、Android客戶端、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器4部分組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點廣播發(fā)起組網(wǎng)信號，ZigBee端點通過協(xié)議棧進行自組網(wǎng)[7]。ZigBee端節(jié)點采集數(shù)據(jù)后通過ZigBee搭建的無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器端，協(xié)調(diào)器通過CC2530的串行通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器端。路燈管理人員可以通過手機客戶端查詢某個路燈節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 感知節(jié)點的設(shè)計

感知節(jié)點的通訊模塊采用了CC2530，是TI公司的片上系統(tǒng)，該芯片適合于ZigBee Pro/2007復(fù)雜協(xié)議棧的應(yīng)用[8]。這款嵌入式處理器CC2530片上有多個GPIO口，利用其中兩個模擬驅(qū)動I2C總線，連接PCF8591模塊，該模塊集成了3個A/D模塊、1個D/A模塊以及一個光敏模塊。PCF8591模塊中的光敏用來監(jiān)測空中的亮暗，利用2個A/D模塊分別連接光敏模塊（監(jiān)測路燈亮暗）、紅外測距模塊。其感知節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 感知節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)

2.2 感知節(jié)點初始化設(shè)計

節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過一系列協(xié)議進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，協(xié)議實際上是定義了一系列的通信標(biāo)準(zhǔn)，編寫完協(xié)議后，可以通過一系列函數(shù)API進行調(diào)用。本套系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)基于Z-Stack協(xié)議棧。路燈監(jiān)測系統(tǒng)不僅從傳感器收到各個節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，還需要獲取數(shù)據(jù)節(jié)點的位置，本系統(tǒng)采用編號的方式定位節(jié)點，代替GPS定位之類的硬件模塊，具體操作過程如圖3所示。首先，給節(jié)點上電后，ZigBee節(jié)點初始化各類傳感器，通過Z-Stack協(xié)議棧連接成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，并初始化串口，連通服務(wù)器。由于采用編號的方式寫入?yún)f(xié)議棧代碼，便可以根據(jù)路燈位置連接CC2530，通過協(xié)調(diào)器連接服務(wù)器，服務(wù)器傳輸數(shù)據(jù)到Android客戶端，在Android端便可以看到所示路燈位置的情況。這時，在Android端的路燈數(shù)據(jù)開始顯示，感知節(jié)點初始化完畢。

圖3 編號對應(yīng)節(jié)點

2.3 算法設(shè)計

智慧物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，使得路燈系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力較好，能夠根據(jù)不同的情況開、關(guān)燈，管理員也可以根據(jù)Android端的數(shù)據(jù)查詢路燈的狀況，以及在路燈故障時進行維護。路燈管理系統(tǒng)根據(jù)環(huán)境亮度以及車輛行駛情況判斷是否進行開關(guān)燈操作。首先，光敏傳感器判斷環(huán)境亮度是否達到開燈的限度；其次，利用紅外測距，判斷是否有車經(jīng)過；綜合后，當(dāng)有車經(jīng)過時，且環(huán)境亮度達到該開燈的條件的時候，路燈亮，為車輛照明，否則滅，減少路燈的能耗。當(dāng)遇到突發(fā)情況需要開燈時，路燈管理者還可以通過Android端進行開燈操作，提高了智慧路燈的靈活性。當(dāng)路燈發(fā)生損壞無法亮燈時，路燈光敏與路燈開關(guān)標(biāo)志（是否正在開燈）共同判斷是否出現(xiàn)故障，如果出現(xiàn)故障，會立刻發(fā)送待處理事件到Android客戶端。具體算法流程圖如圖4所示。

圖4 算法流程

2.4 服務(wù)器設(shè)計

服務(wù)器后端系統(tǒng)基于Spring框架編寫，Spring是一個輕量級的控制反轉(zhuǎn)（IoC）和面向切面（AOP）的容器框架，利用其特性可編寫出更干凈、更可管理、并且更易于測試的代碼[10]。控制層接收安卓客戶端發(fā)送過來的請求，請求進入業(yè)務(wù)層代碼進行相關(guān)的業(yè)務(wù)處理，并通過數(shù)據(jù)持久層對數(shù)據(jù)庫進行CIUD操作。主要任務(wù)是返回路燈及采集到的所選當(dāng)前環(huán)境的一些實時數(shù)據(jù)情況，實現(xiàn)對指定路燈的開關(guān)控制以及對異常信息的處理審核，通過使用log4j日志框架，相關(guān)的硬件異常及客戶端的操作詳情都會生成日志數(shù)據(jù)記錄到每天的日志文件中。服務(wù)器與硬件端通過串口進行通信，接收ZigBee傳過來的數(shù)據(jù)后，解析處理數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，如圖5所示。服務(wù)器啟動HTTP進程，處理安卓客戶端的數(shù)據(jù)請求，流程圖如圖6所示。

圖5 數(shù)據(jù)存儲流程

圖6 用戶請求處理流程

2.5 Android客戶端設(shè)計

Android系統(tǒng)具有開發(fā)性、程序間無界限、程序平等性和程序開發(fā)方便快捷等優(yōu)點。該系統(tǒng)架構(gòu)由應(yīng)用程序、程序服務(wù)框架、系統(tǒng)庫、Android運行時以及Linux內(nèi)核5個部分組成。在運行程序時，不是使用Java虛擬機來運行，而是采用其自有的Android運行時，包括Dalvik虛擬機和核心庫兩部分，能使一臺移動設(shè)備在消耗較少的資源同時運行多個虛擬機程序，并且Android的應(yīng)用程序都在其自有的Dalvik虛擬機中運行[9]。

Android客戶端的主要功能是向用戶展示路燈的各項數(shù)據(jù)以及對路燈進行控制，其模塊主要包含有路燈位置顯示模塊、路燈數(shù)據(jù)呈現(xiàn)模塊、路燈控制模塊、異常信息處理模塊四個部分，如圖7所示。路燈位置顯示模塊主要是在校園地圖上，根據(jù)路燈所在的位置在地圖打上標(biāo)簽點，實現(xiàn)對路燈位置的顯示功能。當(dāng)用戶點擊地圖上的標(biāo)簽點時，根據(jù)標(biāo)簽點的信息通過使用HttpClient網(wǎng)絡(luò)接口對服務(wù)器端請求獲取對應(yīng)的路燈數(shù)據(jù)，獲取數(shù)據(jù)成功后在數(shù)據(jù)顯示界面對路燈的數(shù)據(jù)進行顯示，并定時向服務(wù)器端發(fā)送獲取數(shù)據(jù)的請求用以完成路燈數(shù)據(jù)的更新，實現(xiàn)了路燈數(shù)據(jù)實時呈現(xiàn)的功能。在路燈數(shù)據(jù)顯示頁面的下方，有兩個路燈控制按鈕“開/關(guān)”“人工權(quán)限設(shè)置”，分別是實現(xiàn)對路燈的開關(guān)和路燈控制模式的轉(zhuǎn)換，用戶通過點擊按鈕向服務(wù)器端發(fā)送數(shù)據(jù)，服務(wù)器端根據(jù)用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)實現(xiàn)對路燈的操作，再將路燈操作的結(jié)果返回給客戶端的用戶，以此來實現(xiàn)對路燈進行控制的功能。當(dāng)用戶點擊處理界面時，客戶端向服務(wù)器端請求異常數(shù)據(jù)信息，成功后在界面上顯示顯示異常數(shù)據(jù)的信息，用戶可點擊這些異常信息進行處理，處理后點擊提交按鈕將處理信息返回給服務(wù)器端，完成對異常信息的處理。

圖7 Android客戶端功能結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)開始運行，啟動硬件端相應(yīng)路燈節(jié)點以及協(xié)調(diào)器節(jié)點、服務(wù)器端，將感知節(jié)點所獲得的路燈數(shù)據(jù)通過ZigBee發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點再通過串口將其發(fā)送到服務(wù)器端中存儲，最終用戶通過Android客戶端對服務(wù)器的訪問獲得路燈信息，并實現(xiàn)對路燈的控制等。具體的操作如下：用戶通過Android客戶端可以看到校園地圖上路燈感知節(jié)點的位置分布圖，如圖8所示；路燈節(jié)點的數(shù)據(jù)如圖9所示；對路燈的控制如圖10所示；對異常信息的處理如圖11所示。路燈節(jié)點除了可以通過Android客戶端控制外，還可以通過自身所獲得的信息進行智能控制，當(dāng)路燈上的紅外感知器沒有感知到車輛經(jīng)過并且是陰天或夜晚時，將不會開燈，在有車經(jīng)過時才會開燈；當(dāng)在白天時，無論有沒有車都不會開燈。

圖8 路燈位置分布圖

圖9 路燈狀態(tài)數(shù)據(jù)

圖10 路燈控制界面

圖11 異常信息處理界面

4 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)路燈智能控制系統(tǒng)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與路燈進行結(jié)合，實現(xiàn)了路燈智能化管理，大幅減少了能耗。隨著智慧城市不斷發(fā)展，路燈更需要智慧物聯(lián)。本項目雖然實現(xiàn)了路燈的基本功能，但仍存在諸多不足，還有待未來進行進一步完善。