基于Arduino Nano的智能路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

都妍美

摘 要：將Arduino Nano作為主控芯片的智能路燈控制系統(tǒng)包括道路照明系統(tǒng)管理平臺、路燈集中控制器和路燈單/雙燈控制器三部分，能對整個城市的道路照明設(shè)施進行遠程集中控制和統(tǒng)一管理，并實現(xiàn)車來燈亮車走燈滅功能，同時也能進行設(shè)備的遠程診斷維護和自動故障報警。此外，系統(tǒng)還配套有安卓客戶端以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，以便維修人員及時知曉故障路燈的相關(guān)信息。

關(guān)鍵詞：智能路燈；ZigBee；Arduino；集中控制；故障報警

中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）09-00-04

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)不斷推動著智慧城市的創(chuàng)新發(fā)展，智能路燈系統(tǒng)作為智慧城市必不可少的設(shè)備，其技術(shù)也在不斷成熟。隨著我國城鎮(zhèn)化發(fā)展規(guī)劃的不斷推進，城市面積不斷增大，城市照明路燈數(shù)量龐大且增長迅速，使城市照明管理難度不斷增加。因此開發(fā)一款具有監(jiān)控、省電、提示和信息集成功能的智能路燈系統(tǒng)對于提高管理效率、節(jié)電節(jié)能、綠色照明具有重要意義。目前國內(nèi)城市的智能路燈系統(tǒng)普及度并不高，大部分城市路燈在傍晚開啟后整夜全亮。部分智能路燈系統(tǒng)在高峰期之后采用每隔一盞路燈亮一個的方式來節(jié)省電能。但是這種方法還不能實現(xiàn)路燈的最佳利用，并具有一定的局限性，無法及時、高效地實現(xiàn)路燈系統(tǒng)的管理與維護。真正的智能路燈系統(tǒng)應(yīng)能準(zhǔn)確、實時獲取路燈周圍人或車輛的信息并做出反應(yīng)，實現(xiàn)車來燈亮車走燈滅，減少電能消耗；實時分析路燈的損壞情況，通過手機APP通知維修人員，盡早排除路燈故障，提高維護效率，確保城市夜間道路正常照明；同時集成多種傳感器來收集空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，可與城市管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合，確保路上行人和車輛的安全。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

智能路燈系統(tǒng)存在耗電量大、使用范圍廣泛、數(shù)量龐大、單個控制復(fù)雜、維護不易等問題，為了解決城市道路路燈系統(tǒng)的相關(guān)問題，系統(tǒng)方案的設(shè)計原則如下：

（1）節(jié)能性。路燈控制模式分為自動模式和手動模式。在自動模式下，當(dāng)夜幕來臨或者光照強度很低的情況下，路燈自動進入運行模式，天明時自動關(guān)閉，有人或車輛通過時開啟路燈，無人車通過時關(guān)閉路燈，實現(xiàn)節(jié)能最大化。

（2）及時性。當(dāng)路燈出現(xiàn)故障，系統(tǒng)能在第一時間檢測出故障路燈的個數(shù)與位置，同時推送給對應(yīng)的維修人員，向其提供問題路燈的位置信息等，極大地提高了檢修工作效率。

（3）先進性。充分利用現(xiàn)代化信息技術(shù)，結(jié)合實際城市道路情況進行系統(tǒng)整體設(shè)計及硬件設(shè)備選型，確保建設(shè)方案的合理性。采用模塊化方式進行軟硬件平臺設(shè)計，保證了良好的擴展能力，方便系統(tǒng)升級和更新，也提供了數(shù)據(jù)接口方便與其他系統(tǒng)相連。同時保證無線通信設(shè)備的先進性，使得整個系統(tǒng)架構(gòu)體系實現(xiàn)最優(yōu)。

（4）實用性。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下城市路燈系統(tǒng)的設(shè)計原則還應(yīng)包括符合一般傳統(tǒng)行業(yè)產(chǎn)品的基本設(shè)計原則和規(guī)范，即美學(xué)特征、可持續(xù)性、環(huán)保性等。該系統(tǒng)的設(shè)計有利于在城市道路管理領(lǐng)域推廣，是一種解決現(xiàn)有實際問題的設(shè)計方案。

基于以上原則，設(shè)計的智能路燈系統(tǒng)整體架構(gòu)包括感知控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、應(yīng)用服務(wù)層三部分。

感知控制層通過傳感層的智能傳感節(jié)點，分別利用空氣質(zhì)量傳感器對室外環(huán)境進行檢測；利用外置光敏傳感器采集的光照強度控制路燈開關(guān)；利用內(nèi)置光敏傳感器采集的光照強度來判斷路燈是否開啟。用紅外對射模塊檢測是否有人車通過，當(dāng)檢測到有人車通過時，打開前方的路燈，等人車通過后，路燈緩緩關(guān)閉。紅外對射模塊反應(yīng)靈敏，檢測可靠度高，安裝在道路兩側(cè)，并通過調(diào)節(jié)安裝的高度來盡量減少小動物等因素引發(fā)的誤操作。路燈采用穿透性強的黃色LED燈，利用電壓對燈的亮度、強度進行調(diào)節(jié)。配置空氣質(zhì)量傳感器和光照強度傳感器以實時檢測空氣質(zhì)量信息及光線強度。此外還間隔附加了報警燈和警報器，當(dāng)監(jiān)控到車禍或者其他緊急情況時可以打開，提醒路人注意當(dāng)前緊急情況。

網(wǎng)絡(luò)傳輸層采用頻段在2.4 GHz的無線ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)短距離通信，保證現(xiàn)場為無線覆蓋。ZigBee網(wǎng)絡(luò)一般傳輸距離在70～150 m之間，城市道路路燈的間距一般為30～50 m，完全可滿足大眾需求。且其還具有低功耗等優(yōu)勢，在無人通過的深夜能夠節(jié)約用電，同時還具有低成本、短時延、網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點。本地監(jiān)測終端到遠程監(jiān)測終端可以實現(xiàn)信息推送，數(shù)據(jù)交互。系統(tǒng)可實現(xiàn)多終端跨平臺應(yīng)用實施，只需一個瀏覽器即可實時查詢與監(jiān)測任何一終端。

應(yīng)用服務(wù)層主要包括監(jiān)測控制客戶端、本地服務(wù)器端和故障維修人員APP。

本地監(jiān)測終端通過Web頁面監(jiān)測控制客戶端，與數(shù)據(jù)庫進行交互操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時顯示，包括問題路段展示、天氣狀況、維修數(shù)據(jù)等信息，以網(wǎng)頁形式為主，含有設(shè)備狀態(tài)信息檢測、各區(qū)域的維護負責(zé)人查詢、空氣質(zhì)量檢測、故障信息推送等功能。監(jiān)控平臺通過數(shù)據(jù)處理決定控制決策，如將故障路燈信息發(fā)送給對應(yīng)的維修人員等。

本地服務(wù)器端主要用以保存設(shè)備數(shù)據(jù)，保障與設(shè)備的通信連接，在穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，由互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議連接服務(wù)器與客戶端，由控制器的特定協(xié)議連接服務(wù)器與控制器；控制器端的數(shù)據(jù)通過特定協(xié)議實時上傳給服務(wù)器，服務(wù)器解析處理后呈現(xiàn)在客戶端界面。

APP主要為維修人員使用，當(dāng)出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)及時推送故障信息到對應(yīng)負責(zé)人員的APP中，維修人員也可用其對故障路燈進行拍照并上傳，保存維修記錄等。智能路燈控制系統(tǒng)管理平臺主要包括路燈開關(guān)、單獨控制、故障路燈檢測、及時通知維修、檢測實況空氣質(zhì)量等功能。該管理平臺采用超強直觀的可視化界面，不僅可準(zhǔn)確控制每盞路燈，還可以檢測每盞路燈的狀態(tài)并迅速準(zhǔn)確地判斷出哪盞路燈出現(xiàn)了故障。監(jiān)控計算機對數(shù)據(jù)進行分析處理后，制定控制決策，并向APP推送故障路燈消息，同時路燈系統(tǒng)還可以通過智能傳感終端實現(xiàn)對路燈情況的實時監(jiān)測和控制，也可利用無線自組網(wǎng)技術(shù)和WiFi通信技術(shù)等將無線傳感終端匯聚的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送至本地服務(wù)器端；服務(wù)器端實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫構(gòu)建和實時數(shù)據(jù)更新，用戶可在本地查詢路燈是否損壞等。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

以路燈為控制對象，完成軟件和硬件的設(shè)計開發(fā)。系統(tǒng)可設(shè)置為自動模式和手動模式，根據(jù)檢測到的光照強度和是否有人車通過來智能控制路燈的緩慢開啟和關(guān)閉，實現(xiàn)能源節(jié)約最大化，手動模式可以單獨控制每盞路燈的亮滅。硬件電路部分包括通信電路、人車檢測電路、路燈狀態(tài)電路、路燈控制電路、光照強度檢測、空氣質(zhì)量檢測、報警提醒電路等。

硬件電路方面，主控芯片采用體積較小的Arduino Nano，每個路燈之間采用ZigBee短距離無線通信方式，無需大規(guī)模布線，降低了安裝成本。主控芯片利用PWM調(diào)光以控制燈的緩慢開啟和關(guān)閉。為了提高城市的安防質(zhì)量，路燈之間間隔安裝了報警燈和警報器，不僅可以遠程控制，而且在燈桿上有開關(guān)，可人為開啟。每隔一定數(shù)量的路燈上安裝了空氣質(zhì)量傳感器等，可以實時監(jiān)測某一地區(qū)的空氣質(zhì)量，并將質(zhì)量信息提供給氣象部門。光照強度傳感器能及時檢測光照強度，紅外對射可準(zhǔn)確檢測是否有車，因此能更加智能地控制路燈運行。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

2.1 通信電路部分

每個路燈間均采用ZigBee無線通信，間隔距離大約為10～35 m，完全可滿足通信需求。每個路口都設(shè)置有一個協(xié)調(diào)器，這條道路上的所有信號會發(fā)送到協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器匯入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器不僅要接收、發(fā)送數(shù)據(jù)，而且當(dāng)人車檢測模塊檢測到有人車通過時，會發(fā)送數(shù)據(jù)給前方路燈至下一個路口的協(xié)調(diào)器。ZigBee無線通信模塊通過串口與主控芯片相連，互不干擾。通信電路原理圖如圖3所示。

2.2 人車檢測電路部分

人車檢測采用工業(yè)級紅外對射型光電開關(guān)，開關(guān)靈敏度高，準(zhǔn)確且反應(yīng)迅速。當(dāng)芯片引腳檢測到有障礙物信號時，會依次發(fā)送數(shù)據(jù)給下一個路燈使其開啟，裝置放在每一個路口處，連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，當(dāng)檢測到有人車信號時發(fā)送給往后的路燈模塊至下一個路口。人車檢測電路示意圖如圖4所示。

2.3 路燈狀態(tài)檢測部分

我們在路燈上加裝了光檢測模塊以監(jiān)測每盞燈的狀態(tài)，該模塊成本低廉，適合大規(guī)模使用，對比檢測到的狀態(tài)和控制燈的指令可以判斷路燈是否出現(xiàn)故障。路燈狀態(tài)檢測電路原理圖如圖5所示。

2.4 路燈控制電路部分

控制路燈緩慢亮滅，利用Arduino Nano輸出PWM信號接到兩個場效應(yīng)管上，接入12 V電壓，通過調(diào)節(jié)電壓來控制燈的緩慢開啟和關(guān)閉。路燈控制電路原理圖如圖6所示。

2.5 光照強度檢測部分

每個區(qū)域的路燈上都裝有光照強度傳感器，可實時檢測本區(qū)域的光照強度，并通過主控芯片發(fā)送給ZigBee后經(jīng)協(xié)調(diào)器上傳到服務(wù)器。上位機可實時查看光照強度，以確定是否開啟路燈。

2.6 空氣質(zhì)量檢測部分

每個區(qū)域都裝有空氣質(zhì)量傳感器，檢測到的信號同樣通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)、協(xié)調(diào)器發(fā)送給服務(wù)器，可借助上位機實時查看。

2.7 報警提醒電路部分

道路上的路燈間隔安裝有小型報警燈和警報器。當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時，報警燈和警報器可以通過燈桿上的開關(guān)手動打開，也能通過監(jiān)控查看緊急情況，然后遠程控制打開，起到警示行人的作用。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計從人性化角度出發(fā)，基于B/S架構(gòu)分布式管理系統(tǒng)，分為客戶端應(yīng)用、服務(wù)器數(shù)據(jù)處理與通信保障、控制器協(xié)議處理三部分，各部分可在不同的機器上運行，由不同的操作系統(tǒng)支持，被不同的通信網(wǎng)絡(luò)連接，大大提高了監(jiān)控軟件系統(tǒng)的可擴展性、易維護性及可靠性。軟件流程如圖7所示。

4 測試數(shù)據(jù)

通過對測試數(shù)據(jù)進行收集與分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行狀態(tài)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，且能對開關(guān)燈等控制指令準(zhǔn)確反應(yīng)，符合設(shè)計要求，適合大范圍普及、推廣。路燈測試數(shù)據(jù)見表1所列。

5 結(jié) 語

智能路燈控制系統(tǒng)主要由道路照明系統(tǒng)管理平臺、路燈集中控制器和路燈單/雙燈控制器組成。該系統(tǒng)能對整個城市的道路照明設(shè)施進行遠程集中控制和統(tǒng)一管理，完成了智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化改造，同時還能實現(xiàn)設(shè)備的遠程診斷維護和自動故障報警，有效提高管理人員的管控、維護、檢修能力和效率。系統(tǒng)配套有安卓客戶端以及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，在安卓系統(tǒng)設(shè)備中安裝APP可實時接收故障信息，以便維修人員及時、準(zhǔn)確地獲悉故障路燈。在城市照明中應(yīng)用此系統(tǒng)不僅降低了電能消耗，減少了維護人員的勞動量，更提高了城市道路照明的服務(wù)質(zhì)量，使得整個城市的管理和服務(wù)水平更上一層樓。

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