智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)設計

宿遷學院信息工程學院 孫 凡 王 穎 肖俊燁 曹馨文 鄒辰彥 袁 進

隨著智慧城市的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)路燈存在著功能單一、智能程度不足、監(jiān)管和維修困難等問題，造成了人力、物力等資源的浪費。本文從實用的角度出發(fā)，針對傳統(tǒng)路燈的弊端，設計了一種基于ZigBee技術的智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要實現(xiàn)了對路燈的燈光自動調節(jié)、工作狀態(tài)監(jiān)測、遠程控制等功能。經實驗測試得，系統(tǒng)各功能運行穩(wěn)定可靠，具有一定的實用價值。

隨著城市化建設的不斷深入，路燈已成為現(xiàn)代生活中必不可少的基建配套設施。傳統(tǒng)路燈雖然為城市帶來了便捷，但存在資源浪費嚴重、維修成本高、監(jiān)控困難、靈活性差等問題。在物聯(lián)網技術、無線通信技術、定位技術的發(fā)展背景下，“智慧路燈”的概念于近幾年被提出，并且，部分城市的旅游景點等地區(qū)已經應用了智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)，與傳統(tǒng)路燈相比，其功能多樣、智能化程度高，但在運行的過程中同樣存在一些問題，如功耗大、成本高、普及化難等。

目前，智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案主要有幾下幾種：（1）從數(shù)據存儲與處理的角度出發(fā)，通過大數(shù)據、云平臺、NB-IOT等技術，實現(xiàn)路燈智慧運行；（2）從無線傳輸?shù)慕嵌瘸霭l(fā)，混合運用多種無線傳輸技術，實現(xiàn)路燈信息的遠程實時傳輸與處理；（3）從智慧路燈實現(xiàn)功能的角度出發(fā)，擴展智慧路燈功能，加入LED顯示屏、快速充電、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測等模塊，實現(xiàn)智慧城市一體化建設。

基于智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及所存在的問題，本文從降低成本、實用、節(jié)省資源等角度出發(fā)，設計了一種基于ZigBee無線傳輸技術的智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)對路燈燈光的自動調節(jié)、故障報修、實時數(shù)據監(jiān)測、遠程控制等功能。在系統(tǒng)設計過程中，對硬件、軟件兩個部分均采取了一定的實用設計，有效提升了系統(tǒng)的實用性。

1 ZigBee技術簡介

ZigBee是一種距離近、復雜度低、功耗低、數(shù)據傳輸速率低、使用成本低的無線通信技術，適用于自動控制和物聯(lián)網遠程控制領域。

ZigBee協(xié)議棧體系結構如圖1所示，從上到下依次由應用層、應用匯聚層、網絡層、數(shù)據鏈路層和物理層等部分組成。

圖1 協(xié)議棧體系結構圖

協(xié)議棧中各層功能為：應用層主要作用是提供不同類型的應用業(yè)務，在協(xié)議棧中處在最上層，服務于不同用戶。應用匯聚層的任務是把應用層應用需求映射到網絡層上，包括數(shù)據安全與通信鑒權、多業(yè)務數(shù)據流匯聚、設備搜索與發(fā)現(xiàn)、業(yè)務發(fā)現(xiàn)等功能。網絡層的功能包括ZigBee拓撲結構管理、路由管理和安全管理等，是協(xié)議棧中的關鍵部分。數(shù)據鏈路層提供了可靠有效的數(shù)據傳輸、數(shù)據包的分段與重組、數(shù)據包的順序傳輸?shù)裙δ?。物理層定義了無線通信的頻段和各頻段的信道分配。

在網絡層中，ZigBee定義了三種設備類型：（1）網絡協(xié)調設備，負責網絡的建立，以及網絡位置的分配；（2）路由設備，主要負責找尋、建立以及修復信息包的路由路徑，并負責轉送信息包；（3）終端設備，只能選擇加入他人已經形成的網絡，可以收發(fā)信息，但不能轉發(fā)信息。

ZigBee網絡層支持星狀、簇樹狀和網狀等拓撲結構。圖2給出了三種拓撲結構示意，其中，白點代表終端設備，黑點代表路由設備，正方形點代表協(xié)調設備。

圖2 ZigBee拓撲結構

若采用星狀拓撲結構組網，整個網絡有一個ZigBee協(xié)調設備設備來進行整個網絡的控制。ZigBee協(xié)調設備能夠啟動和維持網絡正常工作，使網絡內的終端設備實現(xiàn)通信。若采用網狀和簇樹狀拓撲結構組網，ZigBee協(xié)調設備則負責啟動網絡以及選擇關鍵的網絡參數(shù)。在簇樹狀網絡中，路由設備采用分級路由策略來傳送數(shù)據和控制信息。網狀網絡中，設備之間使用完全對等的通信方式，ZigBee路由設備不發(fā)送通信信標。

2 系統(tǒng)設計

本文設計的智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖如圖3所示，系統(tǒng)包括路燈終端（ZigBee終端設備）、ZigBee協(xié)調器、控制中心（用戶界面）等部分，采用星狀網絡拓撲結構。各路燈終端將實時監(jiān)測數(shù)據通過終端通信節(jié)點發(fā)送到ZigBee協(xié)調器，協(xié)調器再將數(shù)據打包發(fā)送到控制中心，供用戶使用。

圖4為路燈控制終端的設計框圖，路燈終端以STM32開發(fā)平臺為控制器，主要包括燈光調節(jié)模塊、超聲波檢測模塊、工作狀態(tài)檢測模塊、通信模塊（ZigBee終端節(jié)點）等功能模塊，每個路燈終端有獨有的編號，便于控制中心對路燈的查找與定位。

圖4 路燈終端設計框圖

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)與分析

3.1 燈光自動調節(jié)

首先，令硬件平臺上電復位，若路燈處于光照較弱的環(huán)境中，將自動點亮，亮度隨外界光照的強弱而自動調節(jié)；若路燈處于外界光照較強的環(huán)境中，將自動關閉。路燈亮度變化的實現(xiàn)過程為：外界光照強度大于60（范圍為0~100）時，路燈自動關閉，外界光照強度小于等于60時，路燈自動打開（閾值可根據實際情況在控制中心進行更改），并且，其亮度隨外界光照強度的變化而變化。燈光亮度自動調節(jié)情況如圖5所示，由圖可得，隨著路燈所處環(huán)境的改變，其亮度值會發(fā)生相應的變化，實驗中快速將燈光遮擋時，其亮度也隨之快速，具有一定的實時性及敏捷性。

圖5 燈光亮度自動調節(jié)

3.2 路燈燈光遠程控制

為了便于對不同路段路燈燈光亮度的遠程控制，系統(tǒng)設計了路燈燈光遠程控制功能。具體實現(xiàn)過程為：通過控制中心發(fā)送控制指令給目標路燈，目標路燈接收到相應指令后，根據指令要求進行相應的燈光亮度調節(jié)，實現(xiàn)遠程調節(jié)路燈燈光亮暗的功能。系統(tǒng)指令設置及相應的燈光亮度變化如表1所示，當控制中心發(fā)送指令“0”時，目標路燈燈滅；控制中心發(fā)送指令“1”時，路燈亮度柔和；控制中心發(fā)送指令“2”時，路燈亮度較強（指令可根據實際需要進行等級的增加與減少）。

表1 控制指令與燈光亮度設置

3.3 車輛與行人檢測

為實現(xiàn)路燈燈光隨車輛及行人經過情況進行實時改變的功能，路燈終端對經過路燈的車輛及行人進行實時監(jiān)測并隨監(jiān)測情況自動改變工作狀態(tài)，同時，將燈光亮度信息實時反饋到控制中心。路燈終端通過超聲波檢測模塊實現(xiàn)車輛及行人感知功能，當在一定時間范圍內，某路燈未檢測到車輛及行人經過，其將自動進入節(jié)能（睡眠）狀態(tài)，即燈光亮度值較低；一旦感知到有車輛及行人經過，路燈將被立即喚醒，燈光亮度值恢復到正常工作狀態(tài)。路燈燈光亮度隨車輛及行人經過的變化情況如圖6所示，當無車輛及行人經過時，燈光亮度值較低，當有車輛及行人經過時，燈光立即恢復正常亮度值。

圖6 路燈燈光亮度變化

3.4 路燈工作狀態(tài)監(jiān)控

為了便于實時監(jiān)測路燈工作狀態(tài)，系統(tǒng)設置了路燈工作狀態(tài)監(jiān)控功能。當路燈正常工作時，控制中心可實時監(jiān)測其工作電流、工作電壓等情況；當路燈處于故障狀態(tài)時，即工作電流（或工作電壓）數(shù)值超過正常工作范圍，系統(tǒng)將對其進行遠程關閉。圖7為路燈工作狀態(tài)實時監(jiān)測情況。

圖7 路燈工作狀態(tài)實時監(jiān)測（電流值）

本文針對傳統(tǒng)路燈所存在的問題，設計了一種基于ZigBee技術的智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要有以下幾個特點：（1）系統(tǒng)根據實際應用需求進行設計，各功能之間具有一定的關聯(lián)，提高了系統(tǒng)的應用價值，保證了實用性；（2）系統(tǒng)功能可拓展，以滿足不同環(huán)境下的使用需求（如城市道路、鄉(xiāng)村道路、社區(qū)道路、校園道路等），具有應用面較廣的特點；（3）系統(tǒng)參數(shù)可調，如燈光亮度閾值、控制指令設置等，具有靈活性；（4）系統(tǒng)采用ZigBee技術進行數(shù)據傳輸，保證了系統(tǒng)的低功耗運行，還可根據系統(tǒng)需求進行終端設備的拓展。經實際測試可得，系統(tǒng)軟硬件運行穩(wěn)定，各功能測試結果良好，具有一定的實用性。