智慧城市街道路灯控制系统设计*

王轩力，秦煜轩

(1.山西工程技术学院信息工程与大数据系，山西 阳泉 045000；2.山西工程技术学院机械电子工程系，山西 阳泉 045000)

0 引言

本世纪是科技大爆炸的时代，互联网、人工智能、云计算等新技术新名词层出不穷，我国作为地球大家庭中不可缺少的一员，也在新科技新技术方面有了自己的一席之地。经济发展、科技进步，国家更多注意点放在了全体人民的生活幸福感受，所以我国提出了建设“智慧城市”的口号。科技是为了让人民生活更方便更舒服而服务的，我们可以通过各种先进技术实现城市的基础设施更加人性化、智慧化、智能化，使城市像机器人一样会思考怎么更加有效、更加快捷、更加便利地服务于生活与此的人们，当然智能照明系统也是智慧城市不可或缺的一部分。

当今，我国经济的高速发展、人民生活水平的日益提高,所以用电量是与日俱增，这样造成了能源和资源变得日益紧张,电力的短缺已成为制约国民经济发展的最主要矛盾之一。

因此本文设计了一款基于5G传输的智能路灯来降低路灯用电，减少能耗，提高用电效率，有效缓解城市公共用电问题。同时因为是基于5G的，所以也提前为以后的无人驾驶提供了数据传输的保障，一个设备多个功能的效用。

1 研究方案

本系统设计了一套智能路灯照明系统，采用5G技术作为信号传输技术，通过软件实现定时开关灯，或者根据光线的强弱调整灯的亮度。本系统还可以将发生故障设备的这个信号发送给控制中心，让控制中心及时派人去处理，并且安装空气监测装置，实时监测并反馈环境情况。具体可以从以下几个方面去设计：

1) 每个路灯安装光线亮度传感器，可以把时刻采集到的亮度值传回控制部分，控制部分设置几个范围，根据范围的不同设置给路灯发相应的亮度信号(实际也就是控制电压信号实现)。

2) 可以把开关机时间设计成程序，用单片机里面的定时器来实现。

3) 我们安装一个检测电压变化的传感器，当路灯发生故障了，传感器会把异常传给控制端，控制端会及时通知检修人员去解决。

4) 随着国家对环境越来越重视，对环境的监测也成为环境保护的重要一环，我们安装检测空气的传感器，时刻传输空气质量的数据。我们还可以在路灯上印上相应的二维码，方便人们通过手机扫描获取本地的环境情况。

5) 随着无人驾驶的提出,最关键制约因素就是传输的速率和带宽，5G技术的出现解决了这个问题，使无人驾驶的市场化成为了可能。理论上5G的覆盖范围是250m，实际当中应该比这个小，所以只有路灯之间的距离正好达到。路灯的重复利用既实现了照明功能，同时把好多功能集于一身，美化了环境，避免了以前的线路满天飞的乱景象。

6) 每个路灯除了这些功能以外，还可以作为5G的发射基站，还可以提供220V交流电和USB应急充电口。电子智能设备成为当下人民生活必不可少的东西，电池技术难以突破的今天只有通过改进充电技术以及随行充电来解决，路灯作为智能城市随处可见的东西，可以极大程度上缓解人们智能设备充电需求，以实现智能城市以人为本的核心思想。

2 总体结构

根据智慧城市的功能要求，以及计算机网络的相关知识，我们可以把整个系统层次化为图1所示，把相关应用放在应用层，传输所经过的网络(按不同功能的网络)放到网络层，多功能照明灯作为实际设备放在终端层。

图1 系统层次结构图

图2 多功能照明路灯

如图2所示，这是单个多功能照明路灯的示意图，每个灯上都安装以下几个部分：

1) LED灯，通过照明模块控制LED灯的开关、亮度、照明的模式。

2) 5G基站，一个是为5G信号全覆盖提供基站保障，另外一个是为本路灯和外界传送接收信息的中转站。

3) 液晶屏，信息显示功能。

4) 传感器，提供温度检测、湿度监测、噪声检测、空气质量检测功能。

5) 高清摄像头，作为平安城市的主要监控设备，主要是对重点人群的监控，以及对周围车辆的监控。

3 具体实现

智能照明灯的主要控制是通过单片机来实现的(如图3所示)，主要有8部分组成：单片机、空气检测模块、高清摄像头、温度/湿度模块、声音模块、5G模块、光线感应模块、液晶显示模块。

图3 单片机控制模块图

3.1 单片机的选择

由于我们需要单片机处理速度快、低功耗、A/D转换、通用口多等这些特点，经过比较我们选用的是STC12C5A60S2单片机。

3.2 其余各个部分选择

◆空气监测模块：主要是监测空气中的PM2.5和PM10颗粒，选用的模块是英国alphasense OPC-R1，这个模块连接简单，使用方便，尺寸小，功耗低，适合在各种恶劣环境工作。

◆温度湿度模块：选用的模块是ROTRONIC HC2A-S/ HC2A-S3，这种模块可以计算露点和霜点。具体特点如下：

精度:±0.8 %rh,±0.1 K,a在23℃±5 K时

测量范围:-50～100℃/0～100%RH

数字接口(UART)和模拟信号输出,0～1 V

标准输出量程:0～1 V=-40～60℃/0～100 %RH

在23℃和10,35,80 %RH校准

◆噪声检测模块：我们选用华西科创科技有限公司的CRY2110噪声传感器，特点如下：

高精高清：噪声传感器精度±0.5Db,灵敏度不随时间变化。

两种输出：提供4～20 mA及RS485(或电压)输出声压级，传输距离超过1 km.

便于集成：方便连接PC、PLC、DCS等控制器，轻松获得噪声数据。

体积小巧：直径25 mm,高115 mm,极小空间就可安装。

超宽电源带：电源支持5～36V输入。

坚固耐用：不锈钢外壳，防腐，防潮，防锈，适用各种复杂环境。

◆光线感应模块：我们是用光线感应模块采集自然光的强度，传给单片机，单片机根据设定好的程序给LED发出指令,开灯或关灯，还可以选择开几组LED灯，达到节约能源的效果。所以要感应(测量)光的强度，我们选用光导管，当光导管没有被光线照射时，它的阻值很大，基本上电路中没电流，当光照强度和时间不断增大，它的阻值不断减小，电路中电流增大，我们可以通过检测电路中的电流值的大小，通过单片机给LED灯发送相应的信号，实现控制LED的目的。具体光导管很多，可以自己选择一种。

◆5G模块：我们给每个路灯安装一个5G微基站，微基站的覆盖范围是50 m，正好符合路灯的间距，基站的型号由具体的通信开发商提供。5G网络传输数据速度快，单位时间能传送大量数据，据统计一台无人驾驶汽车一天可产生的数据量高达4000G左右，面对如此庞大的数据量目前恐怕只有5G才能轻松胜任。5G运用的技术是一种频率很高的无线电波，由于这种波长仅为毫米级，所以大家也叫它毫米波。

◆液晶模块和高清摄像头不限制品牌，达到实用效果就行。

3.3 工作流程

工作时，光线感应模块时刻采集光的强度，传给单片机，单片机根据事先编好的程序控制LED灯，比如阴天了，光照弱的时候，单片机会打开LED灯，而且会根据具体的光照强度，选择打开几组LED灯。光照强的时候会关闭灯，同时还要结合时间来控制，比如早上关灯，傍晚开灯。噪声检测部分时刻检测当地的噪声强度，及时传给单片机，当强度大于设定好的值时，会生成报警信息，通过5G传回给控制中心，控制中心可以从远端发信号控制高清摄像头，观察噪音产生的来源是哪里，然后派相关人员到场处理。同样，空气检测模块也是时刻检测当地的空气质量，及时传给单片机，当相关参数大于设定值时，单片机会通过5G信号给控制中心发报警信息，监控中心可以先通过高清摄像头观察一下污染源，然后派相关人员到场处理或者采取相关应急机制。温度/湿度监测模块把采集到的数据传送给单片机，然后通过液晶屏显示出来，单片机还会把一天的温度/湿度都存在存储器里面，每天给气象部门传一次，便于气象部门的汇总和研究。液晶显示模块除了能显示温度/湿度，新闻、广告、娱乐、信息等都能显示。5G模块是本系统的信息传送的主要模块，负责智能路灯和外界信息的传送功能，同时也是无人驾驶汽车赖以生存的信号传送的主要技术。

5G网络的三大特点就是传输速度快、延迟低、D2D设备传输技术。其传输速度是4G的100倍，延迟时间更是比4G快了50倍，仅为1 ms。如果车辆按照120 km/h行驶的话，1sm车辆的行驶距离最多为3.33 cm，所以5G网络下的无人驾驶汽车可以做到精确操控。

D2D是设备与设备传输：例如前车急刹车，后车也可以同时刹车，不用将信号传送回基站，可以通过D2D瞬间完成。据统计世界交通事故中每年有130万人死亡，其中95%的事故是人为原因造成的，所以信息的及时性对无人驾驶车辆非常重要，而且无人驾驶车辆还通过5G网络连接导航系统等，可以精确计算线路以及驾驶时长，并且可以预测道路拥堵，为出行提供更多便利。

4 结论

本系统致力于使该产品达到并超过社会对此的期望，为小区、公园、道路提供方便快捷、质量可靠、节约资源的路灯。通过智能化的产品和先进的技术力争行业中的市场领导地位。具备优异产品开发能力，并且掌握了市场发展趋势和需求，同时赋予产品便捷环保理念，在绿色、低碳、环保的召唤下，以节能绿色环保为主题的低碳经济毋庸置疑的成为未来的主旋律，在此时代发展需求下，更将推出绿色、环保、高效节能的照明路灯。