邊緣計算模式下的智能照明系統(tǒng)

東南大學成賢學院 郭 揚 茹海涵 王逸凡 魏 婧

本文設(shè)計了一種基于邊緣計算的智能照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過傳感器和控制器對照明設(shè)備全面感知，實現(xiàn)實時的自適應(yīng)控制，并將實時數(shù)據(jù)傳輸至云端保存，通過藍牙技術(shù)在手機端進行遠程控制。此系統(tǒng)具備感知環(huán)境光亮暗、紅外感應(yīng)、數(shù)據(jù)分析、自適應(yīng)調(diào)節(jié)等功能。相對于傳統(tǒng)的云計算處理方式，該系統(tǒng)具有低成本、低功耗、實時化、智能化、安全性高、便于管理等優(yōu)點，從而優(yōu)化城市照明管理水平，實現(xiàn)照明系統(tǒng)的減排、節(jié)能的效果。

為了應(yīng)對日益增多的數(shù)據(jù)，2005年，云計算的概念被提出后，很快便得到了廣泛的應(yīng)用，十多年的發(fā)展，國際上形成了以亞馬遜、微軟以及國內(nèi)的阿里巴巴為代表的致力于云計算解決方案的廠商，為整個社會提供所需要的存儲空間和服務(wù)器。萬物互聯(lián)的步伐正不斷加快，龐大的數(shù)據(jù)量給云端帶來的巨大的壓力，進而網(wǎng)絡(luò)延遲也越來越嚴重。行業(yè)智能時代的加速到來，全球已經(jīng)掀起行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型的浪潮。通過對人、物、環(huán)境、過程等對象進行數(shù)字化產(chǎn)生數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)化實現(xiàn)數(shù)據(jù)的價值流動，以數(shù)據(jù)為生產(chǎn)要素，通過智能化為各行業(yè)創(chuàng)造經(jīng)濟和社會價值。智能化控制在無人駕駛、制造、能源、城市建設(shè)等各個行業(yè)都得到了廣泛應(yīng)用。

1 傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的不足

城市建設(shè)離不開照明系統(tǒng)的支持，智慧城市在今年來不斷發(fā)展，“智能照明系統(tǒng)”將是未來智慧城市的重要組成部分，密集分布于城市各個區(qū)域的照明系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，也是一個信息采集網(wǎng)絡(luò)。然而，智能化是當今的主流趨勢，從該角度分析，我們會了解傳統(tǒng)的不足之處。

1.1 光照固定，功能單一

傳統(tǒng)照明系統(tǒng)只能夠?qū)崿F(xiàn)單一的照明功能，也有能調(diào)節(jié)亮度的照明設(shè)備，但都需要人為操作，已經(jīng)不能滿足特定的、智能化的需求。作為智能照明系統(tǒng)，除照明功能之外，還需要具備一些新的功能，以達到智能化的要求。

1.2 消耗功率較大，能源浪費

作為照明系統(tǒng)，實現(xiàn)照明的功能是十分必要的，然而照明需求會隨著不同場景、不同時間做出不同變化。由于技術(shù)條件限制，傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)一般只能夠?qū)崿F(xiàn)開、關(guān)操作，就會造成一些亮度不好的環(huán)境照明不足，亮度好的條件下造成浪費，僅能指定統(tǒng)一的標準，而不能針對不同條件下的照明需求實現(xiàn)個性化控制，以達到因時而異、因地而異的效果。

1.3 運行維護不便

傳統(tǒng)照明系統(tǒng)大多不能實時監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)，需要投入大量人、財、物力進行巡檢，或多或少存在維修不及時的情況，對人們出行造成一定的影響。

2 智能照明系統(tǒng)的優(yōu)勢

智能照明系統(tǒng)的誕生即可解決傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的不足，相較于傳統(tǒng)照明，智能照明系統(tǒng)針對傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的缺點，實現(xiàn)智能照明控制，達到合理配置資源的效果。系統(tǒng)采用全自動狀態(tài)工作，由光照度傳感器感知環(huán)境光亮暗情況，根據(jù)環(huán)境光亮暗程度系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)節(jié)，并可以自動將照明調(diào)整到最適宜的水平，現(xiàn)有如下優(yōu)點：

2.1 自適應(yīng)調(diào)節(jié)

系統(tǒng)系全自動化控制。設(shè)定數(shù)個工作狀態(tài)，所有的狀態(tài)可相互切換。通過環(huán)境光感知模塊、多級調(diào)光模塊等，可以根據(jù)實際環(huán)境的亮度條件來判斷當前條件下是否需要開啟照明，開啟什么程度的照明。環(huán)境光發(fā)生變化，系統(tǒng)就可以自動調(diào)節(jié)在此前提下，通過紅外感應(yīng)可以判斷是否繁忙，并且會根據(jù)實際需要調(diào)整到最合適的水平。該智慧照明系統(tǒng)時刻與環(huán)境光照需求相適應(yīng)。

2.2 節(jié)約能源

該智能照明控制系統(tǒng)能進行智能調(diào)光，某些光照需求多的地域獲得更多光照，光照條件充足的地域獲得相對少的光照。因時制宜、因地制宜。減輕了供電壓力。實現(xiàn)了能源的合理配置，此時在路燈照明就不會出現(xiàn)能耗浪費的現(xiàn)象。

2.3 自我診斷，便于維護

借助互聯(lián)網(wǎng)與3G/4G通信網(wǎng)絡(luò)的連接，可以實現(xiàn)對智能照明系統(tǒng)的工作情況進行實時監(jiān)測，有效提高了設(shè)備運維效率。每個單獨的系統(tǒng)都和控制中心互聯(lián)，當檢測到來自傳感器或輸送給硬件的故障信號時，控制中心會快速顯示并定位到故障位置，同時，系統(tǒng)將故障信息以設(shè)定的代碼形式儲存在存儲器中，以便幫助維修人員獲取故障信息，及時維修，節(jié)約了大量成本。

2.4 采用邊緣計算

邊緣計算(Edge Computing)指的是在網(wǎng)絡(luò)邊緣結(jié)點來處理、分析數(shù)據(jù)，邊緣結(jié)點指的就是在數(shù)據(jù)產(chǎn)生源頭和云中心之間任一具有計算資源和網(wǎng)絡(luò)資源的結(jié)點。舉個例子，如，學生查詢成績一般通過學校教務(wù)處查詢，但現(xiàn)在可以在各個系里查詢，這便是在邊緣側(cè)處理。邊緣計算與云計算不同的是數(shù)據(jù)不用再傳到云端，在邊緣側(cè)就能解決。邊緣計算更適合實時的數(shù)據(jù)分析和智能化處理，相較單純的云計算也更加高效。同時避免數(shù)據(jù)全都存儲于云端，如云端受到網(wǎng)絡(luò)攻擊，數(shù)據(jù)的安全性即無法得到保證。邊緣計算數(shù)據(jù)分散便有效解決了該問題。邊緣計算是對云計算的一種補充和優(yōu)化。智慧照明系統(tǒng)的規(guī)模隨著城市建設(shè)及技術(shù)水平的提高而不斷擴大，面對系統(tǒng)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，都匯聚到云端處理帶來了時延等問題。那么采用邊緣計算，將在理想環(huán)境中，邊緣計算指的就是在數(shù)據(jù)產(chǎn)生源附近分析、處理數(shù)據(jù)，沒有數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)，在邊緣側(cè)通過設(shè)定的算法進而減少網(wǎng)絡(luò)流量和響應(yīng)時間?；谶吘売嬎愕闹腔勐窡粝到y(tǒng)的建設(shè)成為了智慧城市的重要組成部分。

本次項目中，邊緣計算的優(yōu)勢有如下幾點：①減少了傳輸過程，更實時、更快速的數(shù)據(jù)處理能力。②成本更低。邊緣計算處理的數(shù)據(jù)是“小數(shù)據(jù)”，從數(shù)據(jù)計算、存儲上都具有成本優(yōu)勢。③更低的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求。而邊緣計算的過程中，更少的數(shù)據(jù)傳輸不占用帶寬。④提升效率。低成本、小壓力、數(shù)據(jù)快處理使得效率也會大大提升。⑤邊緣計算更加注重安全性、隱私性。數(shù)據(jù)存儲本地，有效避免傳輸過程中的泄漏。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（圖1）

圖1 智能照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 CC2541藍牙模塊（圖2）

圖2 藍牙芯片模塊圖

本實驗采用CC2541藍牙芯片，該芯片集成性能極好RF收發(fā)器以及增強型8051內(nèi)核，該模塊啟動后手機會對其進行配對，通過BLE協(xié)議對其進行監(jiān)控。并且可以通過手機APP通過藍牙模塊發(fā)送數(shù)據(jù)來控制單片機中的光照強度高低閾值。從而實現(xiàn)遠程控制、實時監(jiān)測，提高了系統(tǒng)的靈活性。

3.2 傳感模塊

3.2.1 光照度傳感器

使用BH1750型號的光照傳感器，其內(nèi)部由光敏二極管、運算放大器、ADC采集、晶振等組成來實現(xiàn)對照明系統(tǒng)所處環(huán)境光亮暗情況的監(jiān)測。光照傳感器電路如圖3所示，光照傳感器功能如表1所示。

圖3 光照傳感器電路圖

表1 光照傳感器功能表

3.2.2 紅外傳感器

使用HC-SR501型號的紅外傳感器，監(jiān)測有無人員及車輛通過，功能如表2所示。

表2 紅外傳感器功能表

3.3 邊緣算法優(yōu)化

在本次項目中采用邊緣計算算法，將CC2541藍牙模塊、傳感器模塊、照明系統(tǒng)幾大部分連接起來，整個構(gòu)成邊緣計算系統(tǒng)。

我們設(shè)計了四個光照傳感器和一個紅外傳感器來接收我們所需要的靠近數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)的光照數(shù)據(jù)以及行人信息，將收集到的數(shù)據(jù)反饋回單片機。

在單片機內(nèi)通過平均值濾波算法將采集到的數(shù)據(jù)匯總并進行優(yōu)化得到一個輸出值sum：

并在單片機內(nèi)設(shè)置兩個控制燈亮度的值low和high，默認low的初值為60，high的初值為100（數(shù)據(jù)可調(diào)）。在有行人通過時，即紅外傳感器接收到數(shù)據(jù)時，將sum與low和high進行對比，進行一個判斷的操作：

從而達到控制照明亮度的效果。

3.4 數(shù)據(jù)記錄匯總

通過uart串口通信協(xié)議將單片機通過導線連接至樹莓派，由低功耗的樹莓派作為上位機實時接收光照數(shù)據(jù)并存在本地，待需要時可以上傳至云端或者本地直接查看。樹莓派實時接收、保存數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 樹莓派實時接收、保存數(shù)據(jù)圖

總結(jié)：本文主要介紹了基于邊緣計算的智能照明系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)相比，有一些明顯的優(yōu)勢，文中已提及。我小組認為基于邊緣計算的智能照明系統(tǒng)有著廣闊的發(fā)展前景，在日益加快的智慧城市的建設(shè)中，照明系統(tǒng)采用邊緣計算的形式大大減輕了云端總處理的壓力，將城市照明的靈活性大大提高。