互聯(lián)網(wǎng)與智能路燈的綜合設(shè)計
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魏明
（蘇州大學應用技術(shù)學院，江蘇蘇州215325）
摘要：通過對城市路燈的發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)應用兩個方面的調(diào)查和分析，發(fā)現(xiàn)兩者能夠相互促進發(fā)展。因此，設(shè)計了集無線網(wǎng)和智能控制于一體的路燈系統(tǒng)，即在路燈支架上安裝高速無線網(wǎng)WiFi模塊和傳感器，既實現(xiàn)了路燈系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)模式下的智能控制，也為其他互聯(lián)網(wǎng)應用提供網(wǎng)絡(luò)平臺。試驗表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)光照度檢測、聲音識別、紅外線人體識別、系統(tǒng)自檢、故障自動報修和一鍵緊急報警等功能。探討了該系統(tǒng)在智能交通領(lǐng)域的應用，由于WiFi網(wǎng)絡(luò)分布在各道路兩邊，對“互聯(lián)網(wǎng)+”的其他應用開發(fā)也起到支撐和推動作用。
關(guān)鍵詞：路燈智能控制光照度智能交通車聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)+ WiFi
中圖分類號：TH89；TP212 DOI：10. 16086/j．cnki. issn 1000 - 0380. 201606014
0引言
目前，單一功能的延時路燈、人體紅外感應路燈、聲控路燈不能滿足城市道路或高速公路照明的節(jié)能化、智能化、系統(tǒng)化控制要求，也難以適應互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的需求�；诰W(wǎng)絡(luò)智能管理的路燈系統(tǒng)發(fā)展比較緩慢，在一定程度上制約了城市的發(fā)展。因此，功能可擴展的集網(wǎng)絡(luò)與綜合應用于一體的路燈智能控制終端應運而生，其既滿足了路燈智能控制的需要，也解決了城市無線網(wǎng)的支架建設(shè)問題；同時，為智能交通、交通治安監(jiān)視、環(huán)境監(jiān)測等物聯(lián)網(wǎng)應用提供通信平臺。從經(jīng)濟性、安全性、穩(wěn)定性、便捷性、實用性、戰(zhàn)略性出發(fā)，提出了安裝于路燈支架的高速WiFi網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了基于WiFi的智能路燈控制系統(tǒng)，其性能優(yōu)于的設(shè)計。
1 智能控制系統(tǒng)設(shè)計方案
智能控制系統(tǒng)的設(shè)計思路是：對不同位置的路燈，根據(jù)實際需要安裝不同功能的控制器。其中，功能較全的控制器作為路燈節(jié)點主控模塊，只具有部分功能的控制器作為從模塊。功能較全的主節(jié)點控制器采用C8051系列單片機，聲控模塊采用鎖相環(huán)芯片LM567抑制環(huán)境噪聲干擾，識別特定頻譜人聲；光照度檢測電路采用型號為LXD/GB5 - AIELS的光電傳感器，信號經(jīng)過放大濾波后送人單片機內(nèi)部12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。光控模塊、聲控模塊以及按鍵模塊作為信息采集模塊，將環(huán)境信息、人機交互信息傳給單片機處理。光控模塊并非一般比較器的邏輯量，而是連續(xù)量，只要設(shè)置合適的軟件閥值即可控制路燈，使光線設(shè)置更加靈活，以應對不同的天氣變化。LED燈模塊具有多路選擇功能，可實現(xiàn)節(jié)能的目標。系統(tǒng)監(jiān)視各道路路燈工作電流，光敏三極管監(jiān)視各路燈是否被點亮。通過上述兩個參數(shù)，即可判斷路燈狀態(tài)（短路、點亮、開路），實現(xiàn)路燈智能自檢功能，并通過網(wǎng)絡(luò)將故障信息發(fā)送到管理員手機APP上，便于及時維護。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。
高速網(wǎng)絡(luò)通過在路燈上安裝高速Wi Fi路由器來實現(xiàn)。考慮到長遠發(fā)展和對實時數(shù)據(jù)交換的要求，應采用光纖接入方式。根據(jù)實際應用需要，當一些路燈節(jié)點位置的路由器數(shù)據(jù)流量小、速率要求不高時，可以通過鄰近路由橋接方式入網(wǎng)，既提高了效率，也降低了成本。
在路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計方面，增加了無線WiFi模塊，一方面可以通過手機APP實時查看并控制系統(tǒng)，另一方面使得網(wǎng)絡(luò)隨處可用，既方便生活，也為車載慣性導航與定位（失去GPS信號時）、車聯(lián)網(wǎng)奠定基礎(chǔ)。WiFi組網(wǎng)和管理方式可采用“AC（無線控制器）+胖AP( Fat AP)”的集中控制型組網(wǎng)模式，其相對于采用的GSM方式更具普遍意義。同時，系統(tǒng)預留了人機交互模塊的接口。
只需部分功能的路燈終端控制器采用STC（宏晶）公司的8腳單片機，型號為STC15F104E，價格為1.5元／片，其成本低廉且性能滿足設(shè)計要求。如果要預留擴展，需選用功能齊全的處理器，附帶WiFi模塊、CS9803模塊、驅(qū)動電路，即可通過網(wǎng)絡(luò)進行資源共享監(jiān)測參數(shù)。
2光照度采集電路
選擇合適的傳感器既簡化了電路的復雜性，又提高了電路的線性度和穩(wěn)定性。設(shè)計方案是：傳感器輸出信號通過運算放大器進行放大、濾波，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器量化處理。本文選用型號為LXD/GB5 -AIELS的光敏傳感器實現(xiàn)對光照度的采集。該線性光敏傳感器由樹脂光學濾波片和光電晶體管組成，能夠獲得與人類視覺感度相似的分光感度特性，以降低系統(tǒng)誤判率，使路燈控制更為準確。光照特性用來描述光電流和光照強度之間的關(guān)系，靈敏度與光線波長關(guān)系如圖2所示。
該型號光敏傳感器工作在可見光范圍內(nèi)，且光照度強度變化與工作電流呈線性關(guān)系，有利于光線采集，與一般光敏電阻相比有著明顯優(yōu)勢。采用有源低通濾波器電路對傳感器信號進行調(diào)理，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。以截止頻率f=10 Hz，設(shè)計一個有源二階低通濾波電路，如圖3所示。圖3中，Po fts是信號輸出點。
二階有源低通濾波器參數(shù)計算公式如下：
根據(jù)上述3個公式，通帶內(nèi)增益A up=1，濾波器品質(zhì)因數(shù)Q取0. 707，參數(shù)設(shè)計如表1所示。
3熱釋電紅外模塊設(shè)計
熱釋電紅外電路芯片選用型號為EG4002，相對于BSOO01和CS9803兩個芯片，電路功耗更低、電路簡單、易于集成，紅外人體檢測電路如圖4所示。
圖4中，Q3是熱釋電紅外接收頭，R14是用于光線檢測的光敏電阻；Port2是電路輸出端，將信號送給單片機，R w．用于調(diào)整光線參考值。C4~C6.R10～R12組成濾波電路，濾除紅外接收頭Q3的噪聲信號。R15.C7設(shè)置輸出延時。
4聲控模塊電路設(shè)計
聲控電路容易受到環(huán)境噪聲（雷聲、風聲）干擾。為了解決這一問題，可根據(jù)話音的持續(xù)性和人聲頻譜范圍(一般在82 Hz~3.4 kHz)進行濾波降噪。先將聲音信號放大，再由鎖相環(huán)電路LM567識別聲音頻譜，從而進一步提高電路可靠性；結(jié)合人體紅外檢測功能，完全可以消除干擾。在實際應用中，在人員流量較大的路段安裝聲控模塊，無行人路段則無需安裝。
5 路燈節(jié)點控制器設(shè)計
選用C8051F410型號單片機作為控制中心。該單片機內(nèi)置24路12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器( A/D)、雙路12位D/A（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）、溫度傳感器，直接SV供電，具有靜態(tài)存儲器功能；內(nèi)部交叉開關(guān)及I/O口均可設(shè)置成模擬或數(shù)字方式，極易擴展各種應用。路燈節(jié)點控制系統(tǒng)電路圖如圖5所示。
圖5中，WiFi模塊接收命令通過串口轉(zhuǎn)送到單片機U4；U2.U3驅(qū)動U6（LED燈）。Q2是光電三極管，用于檢測燈的狀態(tài)，程序處理時可以結(jié)合P1.0、P11端口狀態(tài)，判斷U2、U3.U6是否正常工作，再將檢測結(jié)果通過WiFi送到管理員APP上，即實現(xiàn)路燈工作狀態(tài)的智能自檢。當路燈被撞壞，使得單個路燈發(fā)生故障時，U2、U3雙路控制，可以與功率電網(wǎng)斷開，避免整個路燈系統(tǒng)癱瘓。光耦器U7設(shè)計在燈具內(nèi)部，通過PWM（脈寬調(diào)制）方式調(diào)節(jié)燈電流，可實現(xiàn)調(diào)光；U2.U3比繼電器體積小，可靠性更高，而且節(jié)能。LM567人聲處理電路將信號送到端口Port，。對于太陽能或者風能路燈系統(tǒng)，各路燈終端控制器，增加供電切換功能。
另外，在該控制電路中增加濕度傳感器、風速傳感器、氣壓傳感器、PM2.5（指大氣中直徑小于或等于2．5 um的顆粒物）傳感器等部件，即可用于環(huán)境監(jiān)測，極大地節(jié)約了成本。對于需要圖像處理且對實時性要求更高的路段，通信方式及處理器芯片可采用ARM、FPGA、DSP等高速數(shù)字信號處理器。根據(jù)道路實際情況，全部或間隔地安裝所需的功能控制器，既降低了成本，又能實現(xiàn)智能控制；再通過群體決策，即可實現(xiàn)更為準確的控制。
6供電控制
安全、可靠、穩(wěn)定是優(yōu)良系統(tǒng)設(shè)計的體現(xiàn)�？紤]到當今網(wǎng)絡(luò)仍然存在諸多不穩(wěn)定因素，如各類病毒甚至黑客人侵，因此對于路燈聯(lián)網(wǎng)，還需保持謹慎。
區(qū)域控制中心采用半自動化方式：網(wǎng)絡(luò)遠程斷電與人工操作送電相結(jié)合方式，控制若干條干道配電中心；干道線路配電方式采用全自動方式，由多個小型繼電器控制交流接觸器，實現(xiàn)若干條道路供電。
7智能交通應用
在圖5中，增加了一個緊急求救按鍵。當發(fā)生交通事故時，按下開關(guān)（可設(shè)定長時按鍵3s或者連續(xù)按3次，消除誤動作），此時該路燈處于定時閃爍狀態(tài)，提醒遠處過往車輛減速繞行，起到交通信號燈的作用；同時，系統(tǒng)通過WiFi直接向交通管理局報警，并傳送位置信息（每個路燈均有唯一標識碼），同行道路上的車載系統(tǒng)也同樣會接收到事故廣播信息。對于數(shù)據(jù)接收穩(wěn)定性問題，可通過頻偏與信道估計的算法加以改善。
7.1智能紅綠燈應用
在車聯(lián)網(wǎng)時代，各條道路即時統(tǒng)計車速、車流量、交通定位等數(shù)據(jù)，然后通過大數(shù)據(jù)分析得出通行峰值，最后根據(jù)峰值數(shù)據(jù)合理設(shè)置不同時段道路紅綠燈時間。比如夜間，在任何方向都無行人或過往車輛時，可完全關(guān)閉紅綠燈。對于目前實際情況而言，并不是所有車型都有WiFi系統(tǒng)。因此，作為過渡期，在距離路口2 km內(nèi)的路燈控制器上，安裝紅外傳感器或者超聲波傳感器，統(tǒng)計過往行人或車輛數(shù)據(jù)，通過WiFi直接送到路口交通專用控制處理系統(tǒng)；然后自動設(shè)置紅綠燈時間，實現(xiàn)紅綠燈智能化。對于發(fā)生交通事故后，車載智能系統(tǒng)由于安全氣囊打開而自動報警的情況，通過路燈WiFi系統(tǒng)上報事故信息，同時啟動車載語音免提功能，報告事故詳細情況。需要注意的是，WiFi交通定位限定在交叉路口局域網(wǎng)內(nèi)進行數(shù)據(jù)處理與決策，比GPS定位更快、更精確。
7.2交通預測
對于安裝了攝像頭的路燈系統(tǒng)，還可以通過手機交通APP查看道路實時情況。規(guī)律化的城市生活更有利于交通預測。如果每個人的出行日程、路線、所需交通工具等信息，在出門前，都通過智能交通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中事先約定，那么車輛或手機一旦接入基于路燈WiFi網(wǎng)絡(luò)的交通系統(tǒng)，交通信息系統(tǒng)立刻收集到位置、車速等信息，即可利用“短時交通流量智能組合預測模型”或“小世界模型”算法進行數(shù)據(jù)處理。屆時，交通預測將更加準確，也能夠解決多路口交通問題�？梢哉f，組建路燈高速WiFi網(wǎng)絡(luò)是解決當今交通狀況擁堵不堪的良藥之一。
8結(jié)束語
通過上述設(shè)計的路燈控制器，根據(jù)路段實際需要，安裝所需功能模塊，并通過WiFi構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)智能路燈系統(tǒng)。系統(tǒng)不但能夠?qū)崿F(xiàn)路燈智能控制，還具有交通輔助燈功能，具有成本低、可靠性高、功能化強、智能化程度高等特點，充分體現(xiàn)了“互聯(lián)網(wǎng)+”的優(yōu)勢。而基于路燈組建的WiFi無線網(wǎng)絡(luò)，對于即將發(fā)展起來的物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智能交通，都具有極高的應用價值。
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