基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)、科技水平不斷提高，城鎮(zhèn)化有效推進(jìn)，城市路燈的需求大幅增加，以智慧城市作為切入點(diǎn)，將智慧城市理念引入城市路燈。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)、溫濕度模塊、北斗定位模塊、人工智能和人臉識(shí)別技術(shù)等設(shè)計(jì)了智慧路燈系統(tǒng)。北斗定位模塊可定位路燈位置，溫濕度模塊可監(jiān)測(cè)周圍環(huán)境溫濕度，粉塵傳感器檢測(cè)空氣中PM2.5的濃度，若濃度過(guò)高可及時(shí)噴水，提高城市空氣質(zhì)量；攝像頭模塊結(jié)合人臉識(shí)別技術(shù)可直接掃描人臉取得路燈操作的權(quán)限，節(jié)省了工作者的時(shí)間。結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路燈周圍環(huán)境，為智慧城市的建設(shè)助力。

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.020

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；北斗定位；智慧路燈系統(tǒng)；粉塵傳感器；PM2.5；STM32單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）04-00-03

0 引 言

國(guó)內(nèi)近年來(lái)掀起了智慧城市建設(shè)的高潮[1]，智慧路燈作為智慧城市的重要組成部分，受到了多方重視。政府出臺(tái)一系列扶持政策，以促進(jìn)智慧城市的建設(shè)。5G商用化的推進(jìn)，也將依靠路燈作為網(wǎng)點(diǎn)鋪設(shè)的基礎(chǔ)載體。智慧路燈也稱為“5G時(shí)代的智慧城管[2-3]，在城市路燈上搭載LED顯示屏、廣播系統(tǒng)、監(jiān)控?cái)z像頭、PM2.5檢測(cè)器等設(shè)備，可以形成多種桿件共建共享集約化建設(shè)的集聚效應(yīng)。

國(guó)內(nèi)外有不少關(guān)于智慧城市道路照明的研究，例如楊文強(qiáng)等研究了智慧城市路燈安全防控技術(shù)研究與應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，在提升路燈安全性的同時(shí)，使得系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[4]；楊進(jìn)等設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧路燈系統(tǒng)，在提高控制效能的基礎(chǔ)上，維持道路照明系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[5]；Omar Amjad等研究了記錄天氣狀況和遠(yuǎn)程診斷故障的節(jié)能路燈系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)了節(jié)能減排的重要性[6]。

但市面上現(xiàn)有的智慧照明系統(tǒng)主要圍繞著如何提高效能這一主題[7-8]，針對(duì)周邊環(huán)境的設(shè)計(jì)還有待進(jìn)一步研究[9]，而部分研究難以滿足路邊實(shí)際復(fù)雜的使用環(huán)境[10]。本文基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)粉塵傳感器等可實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備環(huán)境周圍的PM2.5濃度，通過(guò)LED顯示屏可以實(shí)時(shí)顯示范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，例如空氣質(zhì)量、溫濕度、粉塵顆粒等，若粉塵顆粒等數(shù)據(jù)異常時(shí)，管理者能夠得到及時(shí)的預(yù)警信息并選擇是否噴水，以解決粉塵異常問(wèn)題，減少對(duì)路人的傷害；設(shè)備配備了RFID打卡系統(tǒng)，便于道路工作者途經(jīng)工作地點(diǎn)時(shí)打卡。此外，本設(shè)計(jì)還搭載了北斗模塊，管理者可實(shí)時(shí)獲取設(shè)備的位置信息，若發(fā)生突發(fā)事件，可派遣相關(guān)人員第一時(shí)間通過(guò)定位系統(tǒng)抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，此舉大幅提高了工作效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧路燈系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。粉塵傳感器將當(dāng)前顆粒數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32單片機(jī)，智慧路燈實(shí)時(shí)將氣體信息和周圍環(huán)境信息通過(guò)4G通信模塊發(fā)送給服務(wù)器，工作人員可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)端查看路燈周圍的實(shí)時(shí)信息。當(dāng)PM2.5數(shù)值超出閾值時(shí)，自動(dòng)噴水除塵。系統(tǒng)可滿足智慧城市系統(tǒng)對(duì)城市路燈狀況的統(tǒng)一管控和安全監(jiān)測(cè)需求。

智能路燈由感知層子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、應(yīng)用平臺(tái)子系統(tǒng)組成。

（1）感知層子系統(tǒng)負(fù)責(zé)模塊的整合；

（2）數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)負(fù)責(zé)獲取PM2.5數(shù)據(jù)、有害氣體數(shù)值和周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，并與總控模塊通信；

（3）應(yīng)用平臺(tái)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)報(bào)警、智能管理決策。

網(wǎng)頁(yè)端主要進(jìn)行信息顯示，將智能路燈收集的數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)后端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，前端調(diào)用接口提取

數(shù)據(jù)。

2 硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由控制與通信、數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用平臺(tái)四部分組成，其硬件實(shí)物如圖2所示。

2.1 STM32開發(fā)板

智慧路燈監(jiān)測(cè)硬件系統(tǒng)以STM32開發(fā)板為核心，采用STM32F407VET6 Cortex-M4芯片，引出了RS 485、CAN、SD卡等模塊接口。此外，還引出了TTL串口、SPI、ADC、I2C、PWM等接口，為用戶提供更多選擇。

2.2 EC20 4G模塊

EC20 R2.1采用LTE 3GPP Rel.11技術(shù)，支持速率為50～150 Mb/s。將UMTS/HSPA+UC20模塊和多網(wǎng)絡(luò)制式LTE EC20/EC21模塊封裝在一起可以實(shí)現(xiàn)3G網(wǎng)絡(luò)與4G網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫切換。

2.3 粉塵傳感器

GP2Y10是一款數(shù)字式顆粒懸浮物檢測(cè)傳感器，可實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前顆粒物濃度，經(jīng)過(guò)PM2.5濃度判斷得出當(dāng)前AQI質(zhì)量，見表1所列。

粉塵傳感器實(shí)物如圖3所示。測(cè)量腔體時(shí)，空氣中的懸浮物顆粒使激光產(chǎn)生散射，在特定角度收集激光散射光，得到散射光強(qiáng)隨時(shí)間變化的曲線，再根據(jù)算法計(jì)算得出顆粒物的等效粒徑及單位體積內(nèi)不同粒徑的顆粒物數(shù)量。

2.4 霧化傳感器

霧化傳感器由超聲波微孔霧化片、金屬微孔片與壓電陶瓷片粘合而成，通過(guò)壓電陶瓷片帶動(dòng)金屬微孔片振動(dòng)，借助金屬微孔片將液體分解成水霧，實(shí)現(xiàn)霧化功能，實(shí)物如圖4所示。驅(qū)動(dòng)板工作電壓為DC 5 V，功率4 W，頻率

108 kHz，采用霧化片專用驅(qū)動(dòng)芯片，輕量化設(shè)計(jì)便于設(shè)備在各環(huán)境下作業(yè)。

2.5 RFID打卡讀寫設(shè)備

系統(tǒng)搭載RFID打卡模塊，實(shí)物如圖5所示。該模塊適用于工作人員經(jīng)過(guò)作業(yè)點(diǎn)時(shí)進(jìn)行打卡，便于管理人員查看設(shè)備情況。RFID卡讀寫設(shè)備是連接RFID卡與應(yīng)用系統(tǒng)的橋梁，是RFID卡應(yīng)用中至關(guān)重要的一環(huán)。RFID卡讀寫設(shè)備的基本任務(wù)是啟動(dòng)RFID卡，與RFID卡建立通信，在應(yīng)用系統(tǒng)和卡片間傳遞數(shù)據(jù)。

2.6 OLED顯示屏

顯示屏可以實(shí)時(shí)顯示設(shè)備周圍信息，如PM2.5、溫濕度等，便于工作人員到達(dá)作業(yè)地點(diǎn)時(shí)能夠查詢當(dāng)前異常信息，采取對(duì)應(yīng)措施進(jìn)行維修、管理，實(shí)物如圖6所示。OLED顯示屏的顯示顏色為白色，顯示尺寸為0.96英寸，驅(qū)動(dòng)IC為SSD1306，該模塊采用3.3 V電源供電，通過(guò)I2C接口與控制器通信，顯示效果好，安裝方便。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 連接協(xié)議

在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中使用消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議（Message Queuing Telemetry Transport， MQTT），這是一種基于發(fā)布/訂閱（publish/subscribe）模式的“輕量級(jí)”通信協(xié)議，其工作流程如圖7所示。該協(xié)議構(gòu)建于TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)上。MQTT的最大優(yōu)點(diǎn)在于可以以極少的代碼和有限的帶寬，為連接遠(yuǎn)程設(shè)備提供實(shí)時(shí)可靠的消息服務(wù)。MQTT數(shù)據(jù)包由固定頭、可變頭、消息體構(gòu)成。MQTT協(xié)議通過(guò)交換預(yù)定義的MQTT控制報(bào)文通信。

3.2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理需要完成對(duì)各類傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)整合、多組數(shù)據(jù)分析識(shí)別、事件流調(diào)攜程管理、獨(dú)立設(shè)備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等處理。智慧路燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)備選擇哈佛存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，原理如圖8所示。

3.3 應(yīng)用平臺(tái)

應(yīng)用平臺(tái)有登錄、路燈屬性、環(huán)境監(jiān)測(cè)、位置信息、人員信息和異常信息6個(gè)界面。為實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的統(tǒng)一管理和差異對(duì)比，此平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)路燈位置信息顯示，環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及信息反饋，便于管理者及時(shí)采取措施應(yīng)對(duì)突發(fā)情況。

圖9所示為應(yīng)用平臺(tái)路燈管理界面。

環(huán)境監(jiān)測(cè)功能可以實(shí)時(shí)展示當(dāng)前各設(shè)備周圍環(huán)境數(shù)值，包括PM值、有害氣體濃度、溫濕度等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)路燈周圍環(huán)境的有效掌握，若數(shù)據(jù)異常則發(fā)起報(bào)警；位置信息功能可以保證設(shè)備能夠顯示當(dāng)前所處位置，并通過(guò)點(diǎn)擊位置氣泡展示該設(shè)備周圍情況，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備的精確位置監(jiān)控，方便工作人員了解工作地情況；異常頁(yè)面用于收集設(shè)備發(fā)出警報(bào)的實(shí)時(shí)信息，一旦路燈周圍PM2.5值和有害氣體濃度過(guò)高，該頁(yè)面會(huì)第一時(shí)間捕獲異常數(shù)據(jù)，顯示設(shè)備當(dāng)前位置信息和異常數(shù)據(jù)。圖10所示為位置信息管理界面。

3.4 數(shù)據(jù)大屏

系統(tǒng)配備了可視化數(shù)據(jù)大屏，便于工作人員實(shí)時(shí)查看相關(guān)數(shù)據(jù)。大屏采用滾動(dòng)式數(shù)據(jù)刷新方式，能夠監(jiān)測(cè)各設(shè)備當(dāng)前情況，方便處理異常事件。有效的可視化大屏數(shù)據(jù)狀態(tài)顯示便于工作人員了解設(shè)備當(dāng)前周圍環(huán)境和智慧城市的統(tǒng)一管理。圖11所示為數(shù)據(jù)大屏顯示界面。

4 結(jié) 語(yǔ)

城市智慧路燈的理念在于“智慧照明，智控核心，智慧發(fā)布，智慧電控”，結(jié)合城市道路屬性，激發(fā)城市智慧內(nèi)涵，創(chuàng)造現(xiàn)代、智慧、可持續(xù)的夜景照明。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧路燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和北斗定位技術(shù)，配合客戶端網(wǎng)頁(yè)，對(duì)路邊環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并能采取措施改善空氣質(zhì)量，有效提高路燈的智慧化程度。

注：本文通訊作者為吳有龍。

參考文獻(xiàn)

[1]唐寬.基于NB-IoT技術(shù)的LED路燈系統(tǒng)[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2019，35（6）：55-57.

[2]張繼果，徐瑞，王德政.基于RFID技術(shù)的家校通無(wú)線考勤系統(tǒng)研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2011，1（10）：38-40.

[3]孫彥璽，姜冰冰，于怡然.“5G+價(jià)值路燈”推動(dòng)智慧城市建設(shè)

[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2021，11（2）：61-62.

[4]楊文強(qiáng). 智慧城市路燈安全防控技術(shù)研究與應(yīng)用[D].西安：西安理工大學(xué)，2021.

[5]楊進(jìn).基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].集成電路應(yīng)用，2021，38（3）：176-177.

[6] OMAR A，ALMAEENI S，ATTIA H，et al. Smart city：Recent advances in intelligent street lighting systems based on IoT [J]. Journal of sensors，2022，249187.

[7] LI S C，ZHANG W，LI Y X. Research on the application of wireless communication technology based on computer technology in intelligent street lamp design [J]. Journal of physics：conference series，2021（2）：022098.

[8]唐寬.基于NB-IoT技術(shù)的LED路燈系統(tǒng)[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2019，36（6）：55-57.

[9]彭育強(qiáng)，郭景陽(yáng)，郭芷旗.基于NB-IoT技術(shù)的低功耗智能路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2022，37（1）：20-25.

[10]程盼，王大芬.校園智能路燈系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)產(chǎn)品與流通，2019，36（5）：227.

收稿日期：2023-05-24 修回日期：2023-06-30

基金項(xiàng)目：江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（202313573131T）；金陵科技學(xué)院科教融合項(xiàng)目（2022KJRH15）