智能太阳能LED路灯控制系统的研究＊

刘勃妮,肖军,刘洲洲,王威

(1．西安航空学院电子工程学院，陕西西安710077；2．西安航空学院计算机学院，陕西西安710077)

1 引言

随着城镇化进程和电子产业的快速发展，城市道路照明系统也不断地持续快速发展[1]。路灯是夜间外出活动的主要辅助工具[2]。随着智慧城市的发展，路灯需求也越来越大，路灯的智能控制、远程控制要求也越来越高。目前国内路灯控制技术仍存在控制技术落后、灵活性差、维护管理缺少科学有效方式以及维护费用较高等问题[3]。国外一些研究机构做了相关研究，开发已不少邮箱监控的产品，但成本过高；随之又提出了一些无线监控方案，具有一定的价格优势和精度优势。参考国内外优秀的照明系统，结合城市道路的实际情况，研制一款高效、节能的智能照明控制系统是智慧城市的目标所在。物联网技术作为一种新兴技术，具有抗干扰能力强，功耗低，覆盖面积广等优点。再结合高效、节能、体积小的LED灯，给智慧城市的照明系统提供了可靠的技术保障[4]。据统计“十二五”期间，我国城市照明路灯新增833 万盏，管理人员约5 万人。“提高城市照明信息化管理水平”成为《“十三五”城市绿色照明规划纲要》中的目标之一[5]。

文章设计了基于物联网技术的智能路灯控制系统，结合了嵌入式技术、云计算等技术，实现了路灯数据采集、远程监控、故障报警、故障路灯位置显示、维护工作人员位置显示以及调光功能，具有系统稳定、成本低、维护费用少、节能环保的特点。智能化路灯控制系统有节能和人性化的优势，在智慧城市的发展中有着不可替代的作用[6]。

2 主要内容研究

2.1 系统方案设计

为了解决城市道路路灯控制系统的相关问题，系统方案的设计考虑了如下两个方面：

(1)节能性。路灯控制采用LED 灯具有节能作用；智能控制通过光照强度的识别来判断是否要开启路灯，有人或车辆通过时开启路灯，实现节能最大化。

(2)及时性。当路灯出现故障，系统能实时检测出故障路灯位置，同时手机APP 推送给管理维修人员准确的故障路灯位置信息等[7]。

2.2 系统结构设计

该路灯控制系统主要由路灯控制器、节点网关和监控中心三部分构成，其总体结构如图1所示。该路灯控制器可以通过终端控制模块的ZigBee 节点进行自组网。ZigBee/GPRS网关组建了数据通信网络，负责网络管理和路灯数据汇聚与管理，再通过GPRS 模块与云平台建立数据通信，实现监控中心/手机APP 发送控制命令和各路灯状态数据的上传等工作。同时，实现LED 路灯的无线远程状态实时监控，并通过无线监控网络向路灯控制器发送调光指令，调控太阳能LED路灯亮度[8]。监控中心安装系统管理软件，管理维护人员通过Web页面或手机APP访问服务器，登录平台，管理和控制各路灯的运行状态。

图1 路灯控制系统结构图

2.3 系统硬件设计

该终端控制器包括STM32 单片机主模块、能产生10v和3．3v直流电的电源模块、充电模块和放电模块以及ZigBee 模块，主模块分别与充放电模块、电源模块、以及ZigBee模块相连接。充电模块通过与太阳能板连接吸收太阳能为蓄电池充电，上述两个电路都与蓄电池连接[9]。主控制器的作用是采集和监测数据。以便实时监测系统充、放电回路的状态，保证系统供电正常，减少对蓄电池的损害。本文通过ZigBee模块通信功能以及该系统的基本控制功能，形成了LED路灯组网控制终端，通过无线网络以及云平台对路灯进行统一控制和管理，起到降低人工管理和维护费用[10-12]。图2所示为总设计原理框图。

图2 总体设计原理框图

2.4 ZigBee终端节点的设计

终端节点上电以后，将自动申请加入所检测到的Zig-Bee网络。当协调器分配短地址标志给终端节点时，就意味着成功加入ZigBee传感器网络。向传感器发送读取数值命令字的时间选在刚接收到开始检测指令时，是为了降低终端节点的功耗。终端节点通过串口接收返回值并将数值发送给协调器[13]。如图3为终端节点的工作流程。

图3 终端节点的工作流程

在进行终端节点的软件开发时，选择终端节点为ZigBee传感器网络中的路由器角色。为了避免可能会出现的终端节点的串口发送和接收失败的问题，同时，为了提高ZigBee传感器网络的通信，和缓解ZigBee网络穿透性不强的问题，选择带路由器的终端节点加强了路由与协调器之间的数据交互。

2.5 ZigBee/GPRS网关设计

本系统控制端之间采用网状网络拓扑结构，其结构自组网、自愈功能强大，具有高可靠性。路灯终端控制模块主要是执行监控中心下达的控制指令和上传所采集到的路灯节点数据，并选择最佳路径传输数据；ZigBee/GPRS网关集成了协调器控制端和GPRS网关模块。Zig-Bee/GPRS网关是路灯终端控制模块与监控中心的通信枢纽，负责组网和网络管理。云平台与远程数据监控中心建立数据通信。系统监测管辖的区域的路灯是否有故障，如果检测到故障路灯，就将其编号及故障代码等故障信息发送给监控中心/手机APP，以便及时、高效的处理路灯故障。

2.6 ZigBee无线通信子程序设计

路灯无线组网由一个协调器和和多个路灯终端组成，协调器负责组织管理路灯群网络。路灯控制器作为网络的终端节点，负责采集路灯工作数据和状态信息。协调器根据用户指令向各个路灯终端广播查询信息，但只有与用户查询编号一致的终端以单播的形式向协调器发送数据[14]。当控制器工作状态异常时，就立刻发报警信息给协调器。

2.7 系统监控中心软件开发

远程监控中心软件开发主要包括监控中心数据处理软件和手机APP 应用软件两个部分，其具体交互操作结构如图4所示。

图4 数据交互结构图

上位机软件设计主要建立．NET平台，采用C#语言进行开发，使用SQL server 数据库进行数据保存与更新。手机APP应用软件的功能主要显示路灯信息以及人工远程控制。服务器端口的上位机与APP应用软件进行连接，连接成功后，将相应的路灯数据信息传送给APP应用软件，便于管理维护人员检测和操作。该APP 应用软件自带地图，可显示路灯地理位置以及手机所处的地理位置，以便管理维护人员寻找故障路灯[15]。

3 系统测试及结果分析

手机APP 应用软件内嵌百度地图，可实时显示路灯位置及状态信息，同时可进行调光控制以及开关。为了验证系统的效果，以10盏60W的LED路灯进行模拟实验测试。实验路灯间距约为30m，以开灯一个晚上12h进行数据统计时长。经实验测试，每个测试路灯节点都能快组网并返回节点信息，以及快速执行处理命令，并且能够实时的反馈报警信息，各个测试路灯工作均正常，系统能长时间正常运行。测试结果表明：系统抗干扰能力强、且能稳定运行；可实现路灯亮度的自动调节，节能率可达到30%左右；可实现远程控制，提高路灯的管理工作效率。

4 结束语

本文通过无线传感网络，实现了对路灯智能控制系统的设计，实现了LED 路灯远程控制、亮度调节、故障报警、故障路灯位置显示以及管理维护人员位置显示，提高了路灯照明的最优化管理，延长了照明设施的使用寿命，降低了能耗，提高了维护管理工作效率。经测试，系统运行稳定，具有很好的应用价值和推广前景。