智慧城市街道路燈控制系統(tǒng)設計*

王軒力，秦煜軒

(1.山西工程技術學院信息工程與大數據系，山西 陽泉 045000；2.山西工程技術學院機械電子工程系，山西 陽泉 045000)

0 引言

本世紀是科技大爆炸的時代，互聯(lián)網、人工智能、云計算等新技術新名詞層出不窮，我國作為地球大家庭中不可缺少的一員，也在新科技新技術方面有了自己的一席之地。經濟發(fā)展、科技進步，國家更多注意點放在了全體人民的生活幸福感受，所以我國提出了建設“智慧城市”的口號。科技是為了讓人民生活更方便更舒服而服務的，我們可以通過各種先進技術實現(xiàn)城市的基礎設施更加人性化、智慧化、智能化，使城市像機器人一樣會思考怎么更加有效、更加快捷、更加便利地服務于生活與此的人們，當然智能照明系統(tǒng)也是智慧城市不可或缺的一部分。

當今，我國經濟的高速發(fā)展、人民生活水平的日益提高,所以用電量是與日俱增，這樣造成了能源和資源變得日益緊張,電力的短缺已成為制約國民經濟發(fā)展的最主要矛盾之一。

因此本文設計了一款基于5G傳輸的智能路燈來降低路燈用電，減少能耗，提高用電效率，有效緩解城市公共用電問題。同時因為是基于5G的，所以也提前為以后的無人駕駛提供了數據傳輸的保障，一個設備多個功能的效用。

1 研究方案

本系統(tǒng)設計了一套智能路燈照明系統(tǒng)，采用5G技術作為信號傳輸技術，通過軟件實現(xiàn)定時開關燈，或者根據光線的強弱調整燈的亮度。本系統(tǒng)還可以將發(fā)生故障設備的這個信號發(fā)送給控制中心，讓控制中心及時派人去處理，并且安裝空氣監(jiān)測裝置，實時監(jiān)測并反饋環(huán)境情況。具體可以從以下幾個方面去設計：

1) 每個路燈安裝光線亮度傳感器，可以把時刻采集到的亮度值傳回控制部分，控制部分設置幾個范圍，根據范圍的不同設置給路燈發(fā)相應的亮度信號(實際也就是控制電壓信號實現(xiàn))。

2) 可以把開關機時間設計成程序，用單片機里面的定時器來實現(xiàn)。

3) 我們安裝一個檢測電壓變化的傳感器，當路燈發(fā)生故障了，傳感器會把異常傳給控制端，控制端會及時通知檢修人員去解決。

4) 隨著國家對環(huán)境越來越重視，對環(huán)境的監(jiān)測也成為環(huán)境保護的重要一環(huán)，我們安裝檢測空氣的傳感器，時刻傳輸空氣質量的數據。我們還可以在路燈上印上相應的二維碼，方便人們通過手機掃描獲取本地的環(huán)境情況。

5) 隨著無人駕駛的提出,最關鍵制約因素就是傳輸的速率和帶寬，5G技術的出現(xiàn)解決了這個問題，使無人駕駛的市場化成為了可能。理論上5G的覆蓋范圍是250m，實際當中應該比這個小，所以只有路燈之間的距離正好達到。路燈的重復利用既實現(xiàn)了照明功能，同時把好多功能集于一身，美化了環(huán)境，避免了以前的線路滿天飛的亂景象。

6) 每個路燈除了這些功能以外，還可以作為5G的發(fā)射基站，還可以提供220V交流電和USB應急充電口。電子智能設備成為當下人民生活必不可少的東西，電池技術難以突破的今天只有通過改進充電技術以及隨行充電來解決，路燈作為智能城市隨處可見的東西，可以極大程度上緩解人們智能設備充電需求，以實現(xiàn)智能城市以人為本的核心思想。

2 總體結構

根據智慧城市的功能要求，以及計算機網絡的相關知識，我們可以把整個系統(tǒng)層次化為圖1所示，把相關應用放在應用層，傳輸所經過的網絡(按不同功能的網絡)放到網絡層，多功能照明燈作為實際設備放在終端層。

圖1 系統(tǒng)層次結構圖

圖2 多功能照明路燈

如圖2所示，這是單個多功能照明路燈的示意圖，每個燈上都安裝以下幾個部分：

1) LED燈，通過照明模塊控制LED燈的開關、亮度、照明的模式。

2) 5G基站，一個是為5G信號全覆蓋提供基站保障，另外一個是為本路燈和外界傳送接收信息的中轉站。

3) 液晶屏，信息顯示功能。

4) 傳感器，提供溫度檢測、濕度監(jiān)測、噪聲檢測、空氣質量檢測功能。

5) 高清攝像頭，作為平安城市的主要監(jiān)控設備，主要是對重點人群的監(jiān)控，以及對周圍車輛的監(jiān)控。

3 具體實現(xiàn)

智能照明燈的主要控制是通過單片機來實現(xiàn)的(如圖3所示)，主要有8部分組成：單片機、空氣檢測模塊、高清攝像頭、溫度/濕度模塊、聲音模塊、5G模塊、光線感應模塊、液晶顯示模塊。

圖3 單片機控制模塊圖

3.1 單片機的選擇

由于我們需要單片機處理速度快、低功耗、A/D轉換、通用口多等這些特點，經過比較我們選用的是STC12C5A60S2單片機。

3.2 其余各個部分選擇

◆空氣監(jiān)測模塊：主要是監(jiān)測空氣中的PM2.5和PM10顆粒，選用的模塊是英國alphasense OPC-R1，這個模塊連接簡單，使用方便，尺寸小，功耗低，適合在各種惡劣環(huán)境工作。

◆溫度濕度模塊：選用的模塊是ROTRONIC HC2A-S/ HC2A-S3，這種模塊可以計算露點和霜點。具體特點如下：

精度:±0.8 %rh,±0.1 K,a在23℃±5 K時

測量范圍:-50～100℃/0～100%RH

數字接口(UART)和模擬信號輸出,0～1 V

標準輸出量程:0～1 V=-40～60℃/0～100 %RH

在23℃和10,35,80 %RH校準

◆噪聲檢測模塊：我們選用華西科創(chuàng)科技有限公司的CRY2110噪聲傳感器，特點如下：

高精高清：噪聲傳感器精度±0.5Db,靈敏度不隨時間變化。

兩種輸出：提供4～20 mA及RS485(或電壓)輸出聲壓級，傳輸距離超過1 km.

便于集成：方便連接PC、PLC、DCS等控制器，輕松獲得噪聲數據。

體積小巧：直徑25 mm,高115 mm,極小空間就可安裝。

超寬電源帶：電源支持5～36V輸入。

堅固耐用：不銹鋼外殼，防腐，防潮，防銹，適用各種復雜環(huán)境。

◆光線感應模塊：我們是用光線感應模塊采集自然光的強度，傳給單片機，單片機根據設定好的程序給LED發(fā)出指令,開燈或關燈，還可以選擇開幾組LED燈，達到節(jié)約能源的效果。所以要感應(測量)光的強度，我們選用光導管，當光導管沒有被光線照射時，它的阻值很大，基本上電路中沒電流，當光照強度和時間不斷增大，它的阻值不斷減小，電路中電流增大，我們可以通過檢測電路中的電流值的大小，通過單片機給LED燈發(fā)送相應的信號，實現(xiàn)控制LED的目的。具體光導管很多，可以自己選擇一種。

◆5G模塊：我們給每個路燈安裝一個5G微基站，微基站的覆蓋范圍是50 m，正好符合路燈的間距，基站的型號由具體的通信開發(fā)商提供。5G網絡傳輸數據速度快，單位時間能傳送大量數據，據統(tǒng)計一臺無人駕駛汽車一天可產生的數據量高達4000G左右，面對如此龐大的數據量目前恐怕只有5G才能輕松勝任。5G運用的技術是一種頻率很高的無線電波，由于這種波長僅為毫米級，所以大家也叫它毫米波。

◆液晶模塊和高清攝像頭不限制品牌，達到實用效果就行。

3.3 工作流程

工作時，光線感應模塊時刻采集光的強度，傳給單片機，單片機根據事先編好的程序控制LED燈，比如陰天了，光照弱的時候，單片機會打開LED燈，而且會根據具體的光照強度，選擇打開幾組LED燈。光照強的時候會關閉燈，同時還要結合時間來控制，比如早上關燈，傍晚開燈。噪聲檢測部分時刻檢測當地的噪聲強度，及時傳給單片機，當強度大于設定好的值時，會生成報警信息，通過5G傳回給控制中心，控制中心可以從遠端發(fā)信號控制高清攝像頭，觀察噪音產生的來源是哪里，然后派相關人員到場處理。同樣，空氣檢測模塊也是時刻檢測當地的空氣質量，及時傳給單片機，當相關參數大于設定值時，單片機會通過5G信號給控制中心發(fā)報警信息，監(jiān)控中心可以先通過高清攝像頭觀察一下污染源，然后派相關人員到場處理或者采取相關應急機制。溫度/濕度監(jiān)測模塊把采集到的數據傳送給單片機，然后通過液晶屏顯示出來，單片機還會把一天的溫度/濕度都存在存儲器里面，每天給氣象部門傳一次，便于氣象部門的匯總和研究。液晶顯示模塊除了能顯示溫度/濕度，新聞、廣告、娛樂、信息等都能顯示。5G模塊是本系統(tǒng)的信息傳送的主要模塊，負責智能路燈和外界信息的傳送功能，同時也是無人駕駛汽車賴以生存的信號傳送的主要技術。

5G網絡的三大特點就是傳輸速度快、延遲低、D2D設備傳輸技術。其傳輸速度是4G的100倍，延遲時間更是比4G快了50倍，僅為1 ms。如果車輛按照120 km/h行駛的話，1sm車輛的行駛距離最多為3.33 cm，所以5G網絡下的無人駕駛汽車可以做到精確操控。

D2D是設備與設備傳輸：例如前車急剎車，后車也可以同時剎車，不用將信號傳送回基站，可以通過D2D瞬間完成。據統(tǒng)計世界交通事故中每年有130萬人死亡，其中95%的事故是人為原因造成的，所以信息的及時性對無人駕駛車輛非常重要，而且無人駕駛車輛還通過5G網絡連接導航系統(tǒng)等，可以精確計算線路以及駕駛時長，并且可以預測道路擁堵，為出行提供更多便利。

4 結論

本系統(tǒng)致力于使該產品達到并超過社會對此的期望，為小區(qū)、公園、道路提供方便快捷、質量可靠、節(jié)約資源的路燈。通過智能化的產品和先進的技術力爭行業(yè)中的市場領導地位。具備優(yōu)異產品開發(fā)能力，并且掌握了市場發(fā)展趨勢和需求，同時賦予產品便捷環(huán)保理念，在綠色、低碳、環(huán)保的召喚下，以節(jié)能綠色環(huán)保為主題的低碳經濟毋庸置疑的成為未來的主旋律，在此時代發(fā)展需求下，更將推出綠色、環(huán)保、高效節(jié)能的照明路燈。