基于STM32和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的道路智能照明設(shè)計

史經(jīng)允 史殊姝

【摘? 要】針對目前道路照明系統(tǒng)資源浪費(fèi)嚴(yán)重等現(xiàn)象，研究了基于STM32和ZigBee技術(shù)的道路智能照明設(shè)計，實現(xiàn)了道路照明系統(tǒng)的節(jié)能減排、實時監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)將嵌入式技術(shù)與無線通信技術(shù)相結(jié)合，在可靠性、可用性、便捷性以及穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢，能夠應(yīng)用于各種場合的道路，可移植性強(qiáng)，具有強(qiáng)大的應(yīng)用潛力。

【Abstract】In view of the serious waste of resources in the current road lighting system， this paper studies the intelligent road lighting design based on STM32 and ZigBee technology， which can realize the energy saving and emission reduction， real-time monitoring and remote control of the road lighting system. The system combines embedded technology with wireless communication technology， which has advantages in reliability， availability， convenience and stability. With strong portability and strong application potential， it can be applied to roads in various occasions.

【關(guān)鍵詞】STM32;物聯(lián)網(wǎng)技術(shù); ZigBee技術(shù);道路智能照明

【Keywords】STM32; internet of things technology; ZigBee technology; intelligent road lighting

【中圖分類號】TM923.58? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）08-0187-02

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)實力的增強(qiáng)，部分農(nóng)村地區(qū)的鄉(xiāng)間道路照明系統(tǒng)日益完善，為人們夜間出行提供了極大的便利。由于農(nóng)村地區(qū)的廣闊性，使得農(nóng)村地區(qū)照明系統(tǒng)的檢測和維護(hù)需要花費(fèi)較多的人力和物力，同時，農(nóng)村地區(qū)相對城市地區(qū)人們夜間出行的人數(shù)相對較少，這也使得資源存在很大的浪費(fèi)。當(dāng)今時代，人們不僅僅注重道路照明系統(tǒng)的基本功能，也更加注重節(jié)能環(huán)保。本系統(tǒng)的設(shè)計旨在對農(nóng)村道路照明系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到以下效果：系統(tǒng)能夠進(jìn)行自我監(jiān)控，這樣一方面可以降低管理人員的工作難度，一方面系統(tǒng)可以實時監(jiān)測、反饋數(shù)據(jù)，使得維修更加及時，從而降低事故發(fā)生的可能;系統(tǒng)能夠根據(jù)實時數(shù)據(jù)，因時因地因環(huán)境制宜，對燈光亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計概述

本系統(tǒng)的智能照明部分主要利用溫濕度傳感器、光照傳感器、PM2.5檢測裝置以及車流量檢測裝置對道路環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測，主控制器STM32將得到的數(shù)據(jù)傳送給系統(tǒng)控制中心，同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再結(jié)合時間、季節(jié)、路況以及事故發(fā)生頻率綜合得到一個系數(shù)，主控制器根據(jù)這個系數(shù)向各個路燈控制器發(fā)送相應(yīng)調(diào)節(jié)亮度的命令，從而實現(xiàn)道路照明系統(tǒng)亮度的自動調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。智能監(jiān)測部分主要是在路燈控制器上嵌入線路的電流、電壓以及功率檢測裝置，當(dāng)該裝置檢測出來的數(shù)據(jù)高于或低于規(guī)定數(shù)據(jù)區(qū)間時，該裝置自動激活路燈控制器的報警系統(tǒng)，路燈控制器向集中控制器發(fā)送異常數(shù)據(jù)，集中控制器再將數(shù)據(jù)傳回系統(tǒng)控制中心，并激活系統(tǒng)控制中心警報系統(tǒng)，提醒工作人員及時檢修。

3 系統(tǒng)的主要組成

系統(tǒng)主要由路燈控制器，集中控制器，環(huán)境監(jiān)測器以及系統(tǒng)控制中心組成，其中集中控制器和環(huán)境檢測器都圍繞STM32來實現(xiàn)其功能，所以在系統(tǒng)框圖中，默認(rèn)環(huán)境檢測器嵌入在集中控制器中。

①路燈控制器：該部分主要包括路燈的開關(guān)裝置、燈光亮度的調(diào)節(jié)裝置以及線路的電流、電壓以及功率檢測裝置，是整個系統(tǒng)的最前端。②集中控制器：該部分是整個系統(tǒng)的核心，“承上啟下”，其主要功能是管控各個路燈控制器，將路燈控制器以及環(huán)境監(jiān)測器傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并向系統(tǒng)控制中心發(fā)送。③環(huán)境監(jiān)測器：該部分主要包括溫濕度傳感器、光照傳感器、PM2.5檢測模塊以及車流量檢測模塊，負(fù)責(zé)采集實時數(shù)據(jù)，該部分的準(zhǔn)確性對道路照明系統(tǒng)的節(jié)能有決定性作用。④系統(tǒng)控制中心：該部分主要是在PC端完成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲及顯示，工作人員可以在系統(tǒng)控制中心實時觀測各路段路燈實時工作情況，也可以在PC端操作控制路燈的工作狀態(tài)。當(dāng)接收到路燈故障數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)控制中心警報系統(tǒng)啟動，同時，工作人員可以在PC端看到反饋故障數(shù)據(jù)的路燈的編號，便于及時修復(fù)。

4 系統(tǒng)的硬件模塊

4.1 通信模塊

ZigBee通信模塊：本設(shè)計中ZigBee通信模塊使用的IT公司生產(chǎn)的CC2530模塊，該模塊具有低功耗、協(xié)議棧免費(fèi)等多方面優(yōu)點(diǎn)。ZigBee通信模塊分為主模塊和從模塊，主從模塊需要完成同一頻率間的數(shù)據(jù)通信，主模塊與主控模塊之間的連接方式采用串口連接，實現(xiàn)ZigBee無線通信的主從控模塊之間的通信[1]。

4.2 主控制器模塊

本模塊采用的是STM32L475，STM32L4具有先進(jìn)的內(nèi)核，采用Cortex M4內(nèi)核，帶FPU和DSP指令集，具有豐富的外設(shè)供人們使用，同時滿足高性能、低成本、低功耗的要求。

4.3 傳感模塊

溫濕度傳感器AHT10模塊是一款高精度，完全校準(zhǔn)，貼片封裝的溫濕度傳感器，采用標(biāo)準(zhǔn)IIC通信方式。該傳感器由一個電感式感濕元件和一個高性能CMOS微處理器連接組成，具有超快反應(yīng)、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

光照傳感器AP3216C模塊，是一款三合一環(huán)境傳感器，包含了數(shù)字環(huán)境光傳感器（ALS）、接近傳感器（PS）和一個紅外LED（IR），采用IIC接口與MCU連接，支持中斷輸出。

PM2.5檢測模塊采用GP2Y1010AU0F粉塵傳感器，采用串行通信，輸出穩(wěn)定，而且此傳感器取消了模擬輸出端口，進(jìn)而省去了外圍電路，節(jié)省成本[1]。

車流量檢測模塊是基于ZigBee技術(shù)與微波傳感技術(shù)的車流量檢測系統(tǒng)，微波傳感技術(shù)具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)、全天候使用以及維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，ZigBee技術(shù)中使用的是CC2530芯片，具有低功耗、高功率、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

4.4 PC終端

PC終端是通過上位機(jī)在電腦上查看集中控制器所傳送回來的數(shù)據(jù)，可以遠(yuǎn)程監(jiān)測路燈的照明情況，也可以實時觀測道路環(huán)境的相關(guān)數(shù)據(jù)。工作人員也可以在PC終端反向給照明系統(tǒng)發(fā)送指令，調(diào)節(jié)其開關(guān)或者亮度。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)由環(huán)境檢測器采集附近的溫濕度、光強(qiáng)等數(shù)據(jù)，傳送給集中控制器，集中控制器根據(jù)實時數(shù)據(jù)再結(jié)合車流量、時間、季節(jié)、路況以及事故發(fā)生頻率綜合得到一個合適的亮度值系數(shù)，主控制器根據(jù)這個系數(shù)向各個路燈控制器通過ZigBee發(fā)送相應(yīng)調(diào)節(jié)亮度的命令，從而實現(xiàn)道路照明系統(tǒng)亮度的自動調(diào)節(jié)。每個主控制器配備有一個環(huán)境監(jiān)測器，每個主控制器管控20個路燈，同時，集中控制器通過GPRS模塊接入Internet網(wǎng)絡(luò)，從而可以把實時監(jiān)測的環(huán)境數(shù)據(jù)以及故障報警數(shù)據(jù)發(fā)送到系統(tǒng)控制中心。同樣，工作人員可以在系統(tǒng)控制中心反向控制路燈的狀態(tài)。

5.1數(shù)據(jù)的采集

利用在STM32L4上集成的溫濕度傳感器、光照傳感器、PM2.5測量傳感器以及基于ZigBee技術(shù)與微波傳感技術(shù)的車流量檢測系統(tǒng)，對道路環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測，采集實時數(shù)據(jù)。

5.2 數(shù)據(jù)的傳輸

每一個路燈控制器都嵌入了一個ZigBee無線通信模塊，使其形成自組織網(wǎng)絡(luò)，通過該網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)路燈控制器和集中控制器之間的無線通信。集中控制器通過GPRS模塊接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而連接到Internet網(wǎng)絡(luò)，并主動與系統(tǒng)控制中心建立通信鏈路，可以進(jìn)行雙向通信，STM32單片機(jī)與GPRS模塊通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。采集到的實時數(shù)據(jù)以及照明系統(tǒng)的故障監(jiān)測系統(tǒng)所采集到的異常電流、電壓以及功率等相關(guān)數(shù)據(jù)都傳送到系統(tǒng)控制中心，進(jìn)行下一步處理，系統(tǒng)控制中心在PC端對道路照明系統(tǒng)所發(fā)出的指令，也將通過Internet傳送給集中控制器，再通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給每個路燈控制器，實現(xiàn)相關(guān)命令及操作。

5.3 系統(tǒng)的控制

本系統(tǒng)的控制機(jī)制分為三層，最低層為路燈控制器，一個路燈控制器控制一個路燈的亮滅以及亮度的調(diào)節(jié)，如果把本系統(tǒng)類比為一個小區(qū)的供水系統(tǒng)，可以把路燈控制器類比為小區(qū)里每戶人家的入水閥門;中間層為集中控制器，它可以控制20個甚至更多的路燈控制器，進(jìn)而控制路燈，可以把集中控制器類比為小區(qū)里一棟樓的供水閥門;最高層為系統(tǒng)控制中心，可以控制整個系統(tǒng)，可以把系統(tǒng)控制中心類比為整個小區(qū)的進(jìn)水管閥門。環(huán)境監(jiān)測器采集道路附近的光強(qiáng)、天氣狀況以及車流量等數(shù)據(jù)，傳送給集中控制器，集中控制器再結(jié)合時間、季節(jié)、路況以及事故發(fā)生頻率綜合得到一個亮度值系數(shù)。集中控制器對環(huán)境采集器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選后，通過Internet發(fā)送給系統(tǒng)控制中心，以備工作人員查驗。同時，系統(tǒng)控制中心也可以利用集中控制器反向控制路燈控制器，進(jìn)而控制路燈的亮滅以及亮度。

5.4 軟件的實現(xiàn)

系統(tǒng)控制中心的PC終端通過集中控制器向路燈控制器發(fā)送命令。集中控制器綜合分析環(huán)境監(jiān)測器采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送給路燈控制器，同時通過Internet網(wǎng)絡(luò)將篩選后的數(shù)據(jù)傳送到系統(tǒng)控制中心。傳送回來的數(shù)據(jù)實時顯示在PC終端，系統(tǒng)控制中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并再次進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗。必要時，工作人員還可以通過此管理系統(tǒng)對路燈終端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

6 結(jié)語

在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下，采用ARM芯片與ZigBee技術(shù)所設(shè)計的該道路智能照明系統(tǒng)，能夠根據(jù)實時的外界環(huán)境自動調(diào)節(jié)燈光的亮度，起到了一定的節(jié)能減排效果，同時也延長了燈具的使用壽命。路燈的自檢系統(tǒng)能夠及時將路燈狀況反饋給工作人員，這減輕了工作人員的工作量，同時工作人員及時發(fā)現(xiàn)損壞路燈并維修，也減少了一些意外事故的發(fā)生。由于此系統(tǒng)具有因路況制宜的特點(diǎn)，不僅可以用于農(nóng)村道路的照明系統(tǒng)，一些城市道路照明系統(tǒng)甚至高校、小區(qū)里面的道路照明系統(tǒng)均可采用此系統(tǒng)，以達(dá)到節(jié)能減排的效果。該系統(tǒng)構(gòu)建合理，綠色環(huán)保，具有可靠性高、可用性強(qiáng)、安裝方便等特點(diǎn)，具有實際的應(yīng)用價值。

【參考文獻(xiàn)】

【1】包子建.基于IoT的道路照明系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù)，2019（10）：213-214.

【2】丁亮.基于物聯(lián)網(wǎng)的城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)及相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2012.