基于互聯(lián)網(wǎng)和WSN節(jié)點技術(shù)校園智能照明管理系統(tǒng)

嚴一踔 谷龍強 丘軍意 尚亞強 陳明霞

摘 ?要：在過去的十多年中，校園照明能源消耗浪費的情況較為普遍而且照明系統(tǒng)不便統(tǒng)一管理，維修護理工作也較為煩瑣，由此設(shè)計出一套以LED為集成，協(xié)同控制為目標的校園LED智能照明系統(tǒng)。利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）、自供電節(jié)點以及LED驅(qū)動技術(shù)，研發(fā)了一種以互聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)的校園智能照明管理系統(tǒng)，提供了低成本、節(jié)能的智能照明方案。

關(guān)鍵詞：WSN節(jié)點技術(shù);智能照明;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

中圖分類號：TN929.5 ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：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

近年來綠色照明已成為世界各國推動節(jié)能減排、減緩氣候變化的有效途徑和重要手段。對于學(xué)校管理來說，良好的校園照明可以提高設(shè)備的利用率，同時對校園安全也有著積極的意義，因此校園照明對塑造學(xué)校的整體學(xué)習(xí)環(huán)境起著非常重要的作用。

智能照明管理系統(tǒng)是集供電技術(shù)、傳感器測量、照明等功能于一體的綜合性系統(tǒng)，其主要技術(shù)難點在于電源容量。為提高傳感器測量效果，WSN各節(jié)點將會密集分布在工作區(qū)域。因此在節(jié)點的電能儲存能力受限的前提下，本研究采用了自供電技術(shù)以保持節(jié)點在線，且基于（WSN）技術(shù)和LED驅(qū)動控制技術(shù)，借助互聯(lián)網(wǎng)在線監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的能量狀態(tài)，來保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集工作和燈光控制的穩(wěn)定，達到校園環(huán)境設(shè)計的基本要求，提供了一種低成本、節(jié)能的智能照明方案。

1 ?系統(tǒng)總體方案設(shè)計

校園智能照明管理系統(tǒng)由控制核心模塊、光敏傳感器模塊、LED控制驅(qū)動模塊、Wi-Fi模塊、太陽能自供電模塊組成。此設(shè)計以WSN為系統(tǒng)框架，基于CC2530芯片所接收的傳感器數(shù)據(jù)來調(diào)節(jié)LED工作狀態(tài)，通過ZigBee通信協(xié)議來實現(xiàn)無線傳感收發(fā)信號，主要光敏器件能夠?qū)崟r監(jiān)控光照強度，然后通過無線傳感的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⑻幚碇行闹校肳i-Fi模塊連接物聯(lián)網(wǎng)平臺并通過手機APP或電腦端實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

本系統(tǒng)中WSN節(jié)點采用的是光伏自供電，即使用太陽能板將光能轉(zhuǎn)化并儲存在光伏電池中，利用電池為照明節(jié)點供電。這樣可以有效解決傳統(tǒng)WSN節(jié)點中因單個電源而引起的能量不足的問題，為校園智能照明管理系統(tǒng)提供了實驗支撐。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要部分可劃分為主控模塊、傳感器模塊、LED驅(qū)動模塊以及節(jié)點自供電模[1]塊。在硬件設(shè)計方面追求整體控制思路清晰，控制過程簡練高效。綜合對比市面上常用的各種控制硬件設(shè)備后，根據(jù)設(shè)備功能、價格、能耗、可靠性等方面特點選定了本系統(tǒng)所用硬件型號。

（1）主控模塊。選擇STM32F103系列以及cc2530（ZigBee）[2]作為主要控制芯片。ZigBee是一種低成本，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通信技術(shù)，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。其中cc2530是一個兼容IEEE802.15.4的真正的片上系統(tǒng)，支持專有的802.15.4市場以及ZigBee、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE標準。具有功耗低且兼容性強大的特點，且配置多通道ADC采樣以及脈寬調(diào)制輸出，在滿足本系統(tǒng)需求的同時也蘊含著豐富的拓展空間[3]。其中cc2530在表1條件下運行能達到最佳的效果。

（2）傳感器模塊。選擇霍爾MH-Sensor-Series系列光敏傳感器，該模塊包含模擬量輸出（AO）和電平輸出（TTL）模式，其中模擬量輸出基于傳感器中光敏電阻的阻值根據(jù)光通量的大小而改變的原理，令電流與光強構(gòu)成函數(shù)關(guān)系，在本系統(tǒng)中能憑借10位采樣精度準確獲取當前光照強度數(shù)據(jù)。

（3）LED驅(qū)動模塊。LED驅(qū)動模塊選擇YL-78板子來驅(qū)動照明運行。由于單個LED功率有限，因此系統(tǒng)運行時通常需要借助LED驅(qū)動模塊來同時驅(qū)動多個LED以滿足照明需求。模塊采用直流電作為控制驅(qū)動信號，當正向電壓大于導(dǎo)通電壓后，可視為正向壓降與正向電流成正比關(guān)系，系統(tǒng)即可通過恒流電源來控制正向電流大小。

（4）Wi-Fi模塊。ESP8266 Wi-Fi模塊作為可以進行Wi-Fi傳輸?shù)哪K集成了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的Tensilica L106超低功耗32位微型MCU，帶有16位精簡模式，主頻可達160 MHz。本研究中選擇該芯片來作為物聯(lián)網(wǎng)平臺的一個客戶端，在設(shè)備接入無線局域網(wǎng)絡(luò)后，將當前傳感器采集的數(shù)據(jù)以及照明系統(tǒng)工作狀態(tài)等信息通過MQTT協(xié)議發(fā)布到物聯(lián)網(wǎng)平臺，以便于管理員通過手機應(yīng)用或電腦實時查看信息，并控制照明系統(tǒng)的運行。圖2為ESP8266在系統(tǒng)中工作過程。

（5）節(jié)點自供電模塊。由于部分成本較低的鉛酸蓄電池對環(huán)境有較大污染，且不能維持WSN節(jié)點長期穩(wěn)定可靠運行，隨著運行時間延長容易出現(xiàn)電池性能下降導(dǎo)致節(jié)點掉線的情況。因此本系統(tǒng)采用質(zhì)量更穩(wěn)定的聚合物鋰電池作為供電，其在溫度升高的情況下也能維持輸出功率基本不變，符合校園智能照明的需求?？刂茊卧ㄟ^檢測光伏蓄電池充電電流來判斷當前光照條件，通過檢測電池的電壓和超級電容的電壓來判斷儲能模塊剩余能量情況，并結(jié)合光照條件和當前剩余儲能，遠程對能量進行管理，同時控制相應(yīng)開關(guān)進行通斷動作，以保證智能照明系統(tǒng)在線運行。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ?物聯(lián)網(wǎng)平臺選擇

隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，系統(tǒng)的開發(fā)模式日新月異。當今構(gòu)造系統(tǒng)已經(jīng)不再需要自行搭建個人服務(wù)器，轉(zhuǎn)而開始使用例如阿里、騰訊、百度等互聯(lián)網(wǎng)大廠提供的云服務(wù)器，開發(fā)者根據(jù)自身需求選擇適合的物聯(lián)網(wǎng)平臺，極大節(jié)省了搭建服務(wù)器的人力、物力成本。由于本系統(tǒng)涉及WSN以及物聯(lián)網(wǎng)的知識，因此系統(tǒng)軟件設(shè)計對于整個智能照明系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。

手機端APP控制部分利用阿里官方提供的物聯(lián)網(wǎng)平臺來作為手機與硬件系統(tǒng)溝通的媒介，該平臺針對智能化設(shè)備連接、移動端控制、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等問題，提供了一整套配置化方案，大幅降低了“設(shè)備—云端—APP”的開發(fā)成本。只需在物聯(lián)網(wǎng)平臺上將控制臺需要的實時信息、操作模塊等放入模板內(nèi)，并與硬件信息綁定聯(lián)系，就能通過手機APP遠程監(jiān)控智能照明系統(tǒng)、獲取當前數(shù)據(jù)并控制系統(tǒng)運行。

電腦端遠程控制界面則使用由IBM公司創(chuàng)建的開源物聯(lián)網(wǎng)平臺Node-RED進行開發(fā)，該平臺提供了多個系統(tǒng)級API接口，且支持可視化編程，極大提高了開發(fā)控制面板的效率。在本操作面板中，制作了當前光照強度數(shù)據(jù)、當前控制模式以及當前LED照明亮度的顯示，自動在物聯(lián)網(wǎng)平臺每次接收到客戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)后進行一次刷新，保證了數(shù)據(jù)的實時性、有效性，并加入了一天中光照強度隨時間變化的曲線，便于對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。系統(tǒng)上電后默認為自動運行模式，當光照強度低于設(shè)定值時，控制芯片cc2530根據(jù)光照強度自動改變PWM輸出寬度，從而實現(xiàn)照明亮度的自動控制。當按下手動模式按鍵時，上位機會通過物聯(lián)網(wǎng)平臺向控制模塊發(fā)布指令，將控制模式切換為手動，照明亮度不再隨光照強度自動改變，而是等待上位機輸入照明亮度控制的數(shù)值，再將照明亮度改變?yōu)樵O(shè)定值，從而實現(xiàn)了遠程手動控制照明系統(tǒng)運行。圖3為在電腦端使用Node-RED控制面板測試智能照明系統(tǒng)的運行狀況。

圖3 ?Node-RED控制界面

3.2 ?編程平臺選擇

為了方便后期對系統(tǒng)中各個模塊進行調(diào)試、檢查，以及將來對系統(tǒng)其他功能的拓展，本系統(tǒng)的控制程序采用集成軟件進行開發(fā)。其中本地數(shù)據(jù)采集層的ESP8266程序部分選擇使用c++的ArduinoIDE軟件進行編寫，主控程序部分則選用Keil編譯器在線調(diào)試，盡量使系統(tǒng)各部分模塊相互獨立，充分將軟件編程與硬件屬性相結(jié)合。以下為ESP8266接入物聯(lián)網(wǎng)平臺部分代碼：

// 連接物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器并訂閱信息

void connectMQTTserver（）{

// 根據(jù)ESP8266的MAC地址自動生成客戶端ID

if （mqttClient.connect（clientId， mqttUserName，

mqttPassword， willTopic，

willQos， willRetain， willMsg， cleanSession）） {

subscribeTopic（）; // 訂閱采集光照強度、運行狀態(tài)的主題

} else {

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

Serial.println（mqttClient.state（））; ?//若訂閱失敗，通過串口返回信息

delay（5000）;

}

}

//光敏傳感器采集數(shù)據(jù)、發(fā)送至物聯(lián)網(wǎng)平臺

void sensor（）{

float data = 0;

float PWM_data=0;

char output[5];

char PWM_zt[5];

sensorValue = analogRead（analogInPin）; ?//讀取當前光照強度0至1023數(shù)值

data = 100-（sensorValue/10.23）; ?//將光強數(shù)據(jù)換算為0至100數(shù)值

dtostrf（data，2，0，output）;

mqttClient.publish（sensorTopic， output）; //數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化并發(fā)布到物聯(lián)網(wǎng)平臺

delay（1000）;

PWM_data=dutyCycle/10.23; ?//將光照強度轉(zhuǎn)化為PWM輸出脈寬

dtostrf（PWM_data，3，0，PWM_zt）; ?//根據(jù)光照強度自動改變照明亮度

mqttClient.publish（PWMztTopic， PWM_zt）; ?//將照明狀態(tài)發(fā)布到物聯(lián)網(wǎng)平臺

delay（1000）;

}

3.3 ?控制過程原理

系統(tǒng)上電后開始初始化，同時STM32開始通過串口與cc2530連接，ESP8266啟動并根據(jù)預(yù)存信息尋找無線局域網(wǎng)進行接入，接通網(wǎng)絡(luò)后開始憑客戶端ID、密鑰連接物聯(lián)網(wǎng)平臺，并訂閱受管理員手機電腦控制的相關(guān)主題，同時等待來自STM32F103的JSON數(shù)據(jù)包。照明系統(tǒng)的控制從管理員的角度可分為收發(fā)數(shù)據(jù)兩部分：

接收數(shù)據(jù)部分即為cc2530芯片讀取當前LED工作狀態(tài)以及光敏傳感器實時采集到的光照強度數(shù)值，并利用STM32將數(shù)據(jù)打包為JSON格式，再通過串口發(fā)送至Wi-Fi模塊，然后ESP8266芯片調(diào)用內(nèi)部的Arduino-json庫函數(shù)對接收到的JSON格式數(shù)據(jù)包進行解析并通過MQTT協(xié)議發(fā)布到物聯(lián)網(wǎng)平臺的個人主題中，管理員便可在手機端APP及電腦網(wǎng)頁中訂閱對應(yīng)的主題以查看采集到的數(shù)據(jù)。

發(fā)送數(shù)據(jù)部分即為管理員通過手機或電腦端的物聯(lián)網(wǎng)平臺控制面板對照明系統(tǒng)下達控制指令后，指令透過物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)布到Wi-Fi模塊[4]上，Wi-Fi模塊的ESP8266芯片再通過串口通信下級發(fā)送控制數(shù)據(jù)，經(jīng)過cc2530后實現(xiàn)對LED的工作控制。

另外，本系統(tǒng)在程序中設(shè)置了手動和自動兩種控制模式，在自動控制模式下當光照強度偏離人為設(shè)定范圍時便能自動啟停LED[5]照明并隨外界光照強度變化而改變工作亮度，而手動模式則可以通過人為改變cc2530芯片輸出的PWM數(shù)值來控制照明亮度。

4 ?結(jié) ?論

校園智能照明管理系統(tǒng)通過對WSN以及LED驅(qū)動控制技術(shù)的研究和開發(fā)，利用物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)技術(shù)研發(fā)了一種較為合理、經(jīng)濟、有效、適用性強的實現(xiàn)方式。光伏自供電系統(tǒng)有效的解決了校園照明中的能源問題，WSN無線傳感技術(shù)能根據(jù)光照強度的實際變化讓路燈照明更加智能化、節(jié)能化。二者的有機結(jié)合，滿足了校園實際的需求，能實現(xiàn)校園照明系統(tǒng)的信息化、智能化管理，同時大幅度的減少了學(xué)校在照明系統(tǒng)方面的能源消耗，降低了人工維護與檢修的成本，符合“智能化、節(jié)約化”的環(huán)保理念，該系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景。相信伴隨著科學(xué)的進步，WSN將會在校園智能照明方面產(chǎn)生深遠影響。

參考文獻：

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作者簡介：嚴一踔（2000—），男，漢族，廣西蒼梧人，本科在讀，研究方向：自動化;谷龍強（2000—），男，漢族，安徽阜陽人，本科在讀，研究方向：自動化;丘軍意（2001—），男，漢族，廣西陸川人，本科在讀，研究方向：自動化;尚亞強（2000—），男，漢族，河南洛陽人，本科在讀，研究方向：自動化;通訊作者：陳明霞（1971—），女，漢族，廣西恭城人，教授級高級工程師，本科，研究方向：裝備自動化技術(shù)、過程控制系統(tǒng)、運動控制。