一種基于物聯(lián)網(wǎng)的園區(qū)智慧路燈系統(tǒng)?

劉起明 趙 亮 楊軍文 瞿少成

（華中師范大學物理科學與技術學院 武漢 430079）

1 引言

隨著信息技術飛速發(fā)展，智能化物聯(lián)網(wǎng)設施逐漸被運用到人們的日常生活中［1～2］。

既有基于物聯(lián)網(wǎng)的智能水表、物流信息平臺，關系到人們的日常體驗［3～4］；也有基于物聯(lián)網(wǎng)的智能鞋柜，停車場定位系統(tǒng)，關系到人們的出行［5～6］。基于物聯(lián)網(wǎng)的路燈系統(tǒng)是智慧園區(qū)公共基礎設施的重要組成部分，在完善園區(qū)服務功能和服務環(huán)境中扮演著重要角色［7～8］。文獻［9］設計了基于 PLC的智能路燈系統(tǒng)，其載波通信基于原有的電力線網(wǎng)絡，結合路由中繼轉發(fā)和GPRS網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)路燈的照明控制。文獻［10］設計了基于GPRS與Zig?Bee無線組網(wǎng)的節(jié)能路燈系統(tǒng)，以AVR單片機為控制器，實時監(jiān)測環(huán)境，以便自動調節(jié)路燈亮度。文獻［11］設計了基于LED的校園照明節(jié)能系統(tǒng)，通過LED日光燈替換傳統(tǒng)的熒光燈和校園路燈，達到高效、節(jié)能的目標。

基于園區(qū)路燈控制的實際需求，本文設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的園區(qū)智慧路燈系統(tǒng)，系統(tǒng)利用SI4463無線網(wǎng)絡傳感技術，進行路燈環(huán)境數(shù)據(jù)的收發(fā)，通過ARM平臺實時顯示，利用TCP/IP技術實現(xiàn)跨平臺通信。通過照明系統(tǒng)的智能化管理，實現(xiàn)降低成本與節(jié)能減排。

2 系統(tǒng)硬件設計

基于物聯(lián)網(wǎng)的園區(qū)智慧路燈系統(tǒng)的硬件架構如圖1所示，由傳感器子節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點和ARM平臺組成。

終端節(jié)點由HC-SR501人體紅外感應模塊和光敏傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

協(xié)調器節(jié)點通過串口與ARM板通信，并通過SI4463無線模塊與子節(jié)點通信。

通過AM3359開發(fā)板的QT界面負責環(huán)境數(shù)據(jù)的實時顯示，以及控制命令的下發(fā)，實現(xiàn)了人機交互。

圖1 系統(tǒng)硬件框架圖

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計包含三個方面：一是數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的設計；二是數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)的設計；三是Web遠程監(jiān)控平臺的設計。

3.1 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的軟件設計

ZigBee的通信速率低，穿透和繞射能力差，它的協(xié)議棧包含大量的容錯措施，過于復雜，代碼量大［12～14］。針對這些問題，系統(tǒng)采用SI4463高性能低功耗射頻收發(fā)器，SI4463極限通信距離為1500m，輸出功率20dBm，增大覆蓋無線網(wǎng)絡節(jié)點面積。

運行在ARM平臺的程序通過串口獲取SI4463無線傳感模塊傳輸?shù)沫h(huán)境數(shù)據(jù)?？紤]到網(wǎng)絡傳輸異常情況，系統(tǒng)移植Sqlite數(shù)據(jù)庫做數(shù)據(jù)緩存，實現(xiàn)向服務器的數(shù)據(jù)上報［15］。

3.2 數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)的軟件設計

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)采用C/S架構，利用TCP/IP下的套接字技術和多線程技術實現(xiàn)嵌入式ARM平臺和遠程數(shù)據(jù)管理中心的跨平臺通信。

客戶端采用Sqlite數(shù)據(jù)庫，服務器端采用MySQL數(shù)據(jù)庫。遠程數(shù)據(jù)管理中心通過Web監(jiān)控程序收集相關的數(shù)據(jù)和控制指令，協(xié)調器節(jié)點利用自組網(wǎng)路由算法匯聚子節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，傳遞給ARM平臺，服務器通過TCP/IP獲取ARM平臺發(fā)送的數(shù)據(jù)，使用MySQL對數(shù)據(jù)進行存儲和管理。

基于物聯(lián)網(wǎng)園區(qū)路燈系統(tǒng)的控制策略為：通過一個光敏傳感器感知園區(qū)環(huán)境亮度，和“系統(tǒng)時鐘”共同確定是白晝還是黑夜；當黑夜時，通過人體紅外感應5m內是否有人經(jīng)過，如果有人通過，則開啟該節(jié)點路燈，若路人一直在，保持路燈常亮，當路人離開感應范圍，時延10s后路燈熄滅。此時，通過另一個光敏傳感器感知燈光的光照強度，將測量的數(shù)據(jù)與正常路燈閾值比較，從而判斷此節(jié)點是否損壞。

3.3 Web遠程監(jiān)控平臺的設計

遠程監(jiān)控平臺采用B/S架構，實現(xiàn)內網(wǎng)和外網(wǎng)的結合，支持PC、手機等不同終端在任意地點通過網(wǎng)絡登錄遠程監(jiān)控平臺。用戶通過遠程的監(jiān)控界面下發(fā)相應的控制參數(shù)后，通過Web服務器調用對應的CGI程序來解釋監(jiān)控頁面的信息。

系統(tǒng)的遠程控制界面通過POST方法向CGI程序提供數(shù)據(jù)，這種方式支持復雜的數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)不會暴露在瀏覽器地址欄中。

4 節(jié)點間的自組網(wǎng)路由算法設計

對于系統(tǒng)而言，要保證節(jié)點間數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，需要減少延遲，通過網(wǎng)絡的路由查找選擇最佳路徑。樹型路由算法不需要復雜的路由表，數(shù)據(jù)傳輸時響應速度也快，但是路由效率很低。動態(tài)源路由算法將路由長度作為路由存儲的唯一度量參數(shù)，未考慮路由時效性，消耗額外的接口排隊時間和帶寬。而自組網(wǎng)路由算法，它僅需要父兄節(jié)點或者子節(jié)點維護一個路由表，消耗一定存儲空間，但是能達到最優(yōu)路由效果。

在傳感器與協(xié)調器間按照網(wǎng)絡協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，這個過程中涉及網(wǎng)絡地址的分配。網(wǎng)絡中每加入一個節(jié)點，將會分配一個地址，它的地址分配如式（1）所示：

此公式中AK為分配的網(wǎng)絡地址，AP為父節(jié)點的網(wǎng)絡地址，Cskip（d）為網(wǎng)絡深度地址偏移量，k為父節(jié)點的第k個子節(jié)點，Rm為父節(jié)點所能掛載最大路由節(jié)點數(shù)。在進行路由時，路由節(jié)點可以通過式（2）判斷目的節(jié)點是否是它的孩子節(jié)點。

公式中LA為路由節(jié)點的ID，DA為目的節(jié)點ID，Cm為節(jié)點掛接子節(jié)點總數(shù)。

在發(fā)送數(shù)據(jù)時，先將目的地址代入式（2），若符合要求，則說明目的地址在孩子子節(jié)點，然后查詢子節(jié)點路由表，若找到則把數(shù)據(jù)直接發(fā)送目的節(jié)點，沒有找到則使用式（3）算出下一跳地址NA，把數(shù)據(jù)發(fā)送給它。再次使用式（2）進行判斷，直至找到最終的目的節(jié)點。若不符合要求，則說明目的節(jié)點是它的兄弟節(jié)點或者父節(jié)點，然后通過查詢兄弟節(jié)點路由表和父節(jié)點路由表，找到則將數(shù)據(jù)發(fā)送目的ID，反之將數(shù)據(jù)發(fā)送給它分配過ID的父節(jié)點，再使用式（2）進行判斷，直到將最終數(shù)據(jù)發(fā)給目的節(jié)點為止。

圖2 算法流程圖

系統(tǒng)路由算法流程圖如圖2所示。

5 系統(tǒng)測試與分析

通過兩盞85W的節(jié)能燈模擬路燈光源，如圖3所示。每個路燈節(jié)點對應一個節(jié)點控制器，其中包含光敏傳感器、人體紅外傳感器等。

系統(tǒng)啟動后，各節(jié)點每隔十分鐘自動選擇一條路徑向協(xié)調器發(fā)送數(shù)據(jù)，協(xié)調器收集后發(fā)送至ARM板，經(jīng)過處理上傳服務器，用戶通過7英寸觸摸屏近端控制，通過PC/手機訪問瀏覽器來進行遠端控制，遠程監(jiān)控界面如圖4所示。

圖3 園區(qū)智慧路燈系統(tǒng)實物測試

圖4 遠程監(jiān)控界面

5.1 通信測試

SI4463無線模塊與子節(jié)點的通信是整個系統(tǒng)的關鍵部分，它的性能影響著數(shù)據(jù)的管理和遠程的顯示。該通信測試分為兩個部分，一是數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x測試；二是數(shù)據(jù)傳輸過程中的丟包率測試，節(jié)點數(shù)據(jù)的初始發(fā)送量均為1000。在距離測試中，以100m的間隔逐次遞增。由表1可知當距離在350m內，傳輸正常；距離在450m內信號不穩(wěn)定，超過550m丟失信號。由結果可知傳感節(jié)點在350m內的園區(qū)環(huán)境正確傳輸，能滿足路燈系統(tǒng)的實際需求。

表1 SI4463無線模塊與子節(jié)點的通信測試

5.2 系統(tǒng)功能測試

系統(tǒng)的功能測試，如表2所示，包括四項性能指標：模式選擇、遠程監(jiān)控、智能監(jiān)測和節(jié)能控制。遠程監(jiān)控界面如圖4所示，可以查詢相關參數(shù)，控制路燈的開關閉合狀態(tài)和精密控制亮度變化。通過環(huán)境亮度與系統(tǒng)時鐘共同確定園區(qū)是白晝或者黑夜，紅外感應是否有人經(jīng)過；設置正常路燈閾值，當光照度小于閾值時，初步判斷路燈故障，自動上傳當前子節(jié)點地址，確定路燈位置。

表2 系統(tǒng)功能測試

根據(jù)測試結果與傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)進行比較，如表3所示，從四個方面進行了對比，包括故障排查、能耗、使用壽命和數(shù)據(jù)傳輸。物聯(lián)網(wǎng)園區(qū)智慧路燈系統(tǒng)根據(jù)是否有人經(jīng)過，按需照明，節(jié)約能源；根據(jù)光照度參數(shù)的變化，來自動報修故障路燈。它通過這兩部分實現(xiàn)智慧的理念。

表3 傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)路燈系統(tǒng)對比

6 結語

本文采用無線通信、數(shù)據(jù)庫、Linux、Qt設計、TCP/IP等多種技術［16］，設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的園區(qū)智慧路燈系統(tǒng)。測試結果表明，系統(tǒng)能夠有效地遠程實時監(jiān)控園區(qū)路燈，方便故障路燈維修，并且根據(jù)場景的不同自動開關，有效節(jié)省電能。系統(tǒng)具有較好的安全性和穩(wěn)定性，具有一定的實用價值。