基于物联网技术的智能调光节能路灯系统设计与实现

基于物联网技术的智能调光节能路灯系统设计与实现

赵紫茹,马嘉美,杨哲

郑州科技学院

摘要：大数据、云计算、AI等高科技发展，人们对城市基础建设提出更高要求，传统城市路灯难以满足当下人们生活需求，城市建设不断向精细化、智能化、数字化方向转型，智能化控制已经成为城市经济建设发展的必然趋势，也是彰显城市可持续发展能力的重要标志，由于城市等级不同，部分城市路灯照明智能化发展缓慢，仍采取人工定时控制，不能融合智能化技术，浪费电力的同时，维护较为困难，智慧照明可以实现节能、自动调光、便捷维护等功能，实现智能化控制照明系统。文章以智能化城市发展视角，针对城市路灯照明现状提提出智能化设计方案，从系统功能需求、总体结构、硬件配置、后台管理、智慧照明系统APP、数据库几方面展开设计，分别设计了硬件电路设计、路灯控制器电路、NB-IoT、4GCAT1硬件电路设计三方面展开设计与实现。

关键词：物联网；智慧照明；方案设计

一、引言

物联网技术快速发展，人们对城市基础建设要求不断提高，城市路灯照明在日常生活中发挥重要作用。路灯照明科学设计可以节约能源，如果开启时间不合适或光线不佳，会增加交通事故发生概率，导致不必要伤亡。目前，城市道路照明路灯一般为高压钠灯、金卤灯、荧光灯等，能源耗费高，如果改用LED路灯可节约一定电能，物联网技术的应用，可以提高智慧城市路灯照明领域，通过多种传感器采集周边环境数据，达到人机交互作用，实现节能降耗目的。

二、城市路灯智慧照明控制系统方案设计

（一）城市路灯智慧照明控制系统功能需求分析

为了提高人们生活品质，实现控制能耗的目的，应结合现代化科学技术，大力开展智慧城市，开发设计城市路灯智慧照明控制系统，应对控制路灯节点的硬件平台，对路灯调光算法进行分析，控制系统基本功能有数据采集、数据传输、数据分析和处理、数据显示、数据存储、智能调光、路灯故障报警、路灯地图定位、历史记录查询与管理、PC端后台管理系统路灯调光、手机APP路灯调光、NB-IoT、4GCAT1硬件。

（二）城市路灯智慧照明系统架构

随着智慧城市深入发展，并向各专业深入推进，城市路灯智慧照明控制系统智能化水平不断提高，在开展设计过程中应关注控制器、数据库、移动终端APP等重点部分组成。节点控制器组成区域网，通过NB-IoT、4GCAT1与云服务器远程无线通信，云服务器可以实现移动智能终端与后台管理系统有效连接，实现信息互联互通，管理人员通过移动终端可以控制路灯运行。系统在安装路灯节点控制器过程中，应对道路相关参数进行采集，包括用电量、光线及车流量等信息，当传感器捕获信息后会自动传输到控制器，并将信息上传到云服务器，并从后台管理系统直接发送客户端。系统会自动识别数据并整合分析，将分析数据传输至控制器从而实现智能调光，如果路灯受到外界干扰影响正常运行，报警装置将自动启动，并将异常情况反馈给移动终端APP，管理人员会第一时间启动运维小组对路灯进行维护。

（三）城市路灯智慧照明系统主要硬件配置

（1）路灯节点控制器配置。路灯节点控制器可以对路灯运行环境中的温度、光照、温度、车辆等数据信息采集，并将数据借助物联网上传至控制器，本文采用NB-IoT、4GCAT1硬件电路设计，实现数据传输。

（2）集中控制器配置。城市路灯智慧照明系统中，集中控制器发挥传输作用，可以将路灯节点数据有序上传至后台管理器及云服务器，同时，还可以将后台有关光线调节指令传输至路灯终端，集中控制器由NB-IoT、4GCAT1传输至APP指令，对节点管理和控制，并及时向控制器或后台数据管理系统反馈信息。

（四）后台管理系统

为了便于路灯照明系统智能化管理，在系统研发过程中应考虑到系统间各功能模块的融合，提高后台管理系统的兼容性，可以将管理模块移植到多个操作系统，相关功能模块可以与本地数据库建立衔接，为了确保数据信息的完整性，还可以实现云备份，系统运行应采用DAG-SVM算法，实现系统人性化管理特征。

（五）智慧照明系统

APP人们日常生活离不开手机，因此，将智慧照明系统植入手机APP，本文以安卓平台设计开发了APP智慧照明系统，可以实现远程遥控，便于及时了解故障点，给维护人员带来较大便捷。智能照明系统APP可以实现智能调节光线，实时了解路灯使用情况，对路灯进行GIS定位。

三、系统硬件电路的设计与实现

（一）系统硬件电路设计思路

传统路灯调光系统不精准，难以实时按照周围运行环境变化自动调节亮度，导致能源浪费。本文针对路灯运行环节，自动获取路灯运行环境周边交通状况，实现数据采集、传输功能，实现对路灯智能化控制，路灯节点控制器是对交通量、灯光亮度等数据实时传输，根据周围环境智能化调整光线，NBIoT远程开关可以实现所及控制电路、云端处理程序、Web管理中心、移动APP等，数据可以实时传输到集中控制器。

（二）路灯节点控制器硬件电路设计

路灯节点控制器可以调节路灯电流电压、车流信息获取、智能化调节光线、电源转换。

（1）路灯节点控制器组成部分较为清晰，是由CC2530微处理器为核心对铜绿、车流量、调光、光强、外部储存、电源转换、掉电识别、掉电切换、路灯关断等部分组成。CC2530是由单周期的8051兼容内核，提供了不同的闪存块和4个定时周期，为了便于节能降耗，可实现低功率运行，根据车流量自动调节光线，提供了休眠定时器，硬件指标符合设计要求，根据CC2530原理，电路包含主控系统晶振电路、传感器IO，电源输入滤波，内部使用1.2V模数转换参考电压，并借助IO模数转换对电压进行分压。

（2）光强采集电路。光强采集运用传感器BH1750可采集到光强数据，通过总线将数据传输给CC2530，引脚连接后，需要在程序中定义好IIC读写时钟，实现数据通信。

（3）调光输出电路。调光输出电路芯片是串行输入输出的数字模拟转换器，作为单电源供电，芯片输出基准电压为2.5V，DAC输出电压通过OP07放大四倍，会存在输入失调电压和漂移，其中电压越大路灯越亮，调光等级越高。

（4）车流量感应电路。传统路灯不能根据车流量情况灵活调整亮度，造成能源损耗。结合车流量感应电路，路灯会根据行人及车辆用灯需求自动调节亮度，当路面没有人、车通行时，路灯会及时熄灭。选用24GHz微波移动监测传感器，只要供电电压符合路灯运行电压区间，都能保持正常工作，由于该传感器体积小，便于施工人员安装。可测量移动物体12米，按照路灯间隔50米，车速保持60Km/h速度，相邻路灯亮灯时间仅需1秒。移动判定算法可以对快速一定物体精准计算，可以灵敏感应到物体移动，MDO引脚处于高电平状态，车流量感应电路电压满足15V，就可以在引脚电平发生变化，可以判定是否有移动物体经过。

（5）路灯关断电路。该功能主要控制路灯的熄灭和开启。继电器和光电耦合器可以对路灯关断功能实施控制，当引脚高电平时，光电耦合器开始发射光线，继电器导通，路灯启动，引脚低电平时，受光器不导通，继电器不运行，路灯随即熄灭。

四、结论

本文重点分析了城市路灯智慧照明系统硬件模块数据通信流程和硬件电路框架，路灯节点控制器和集中控制器两部分，详细介绍了路灯节点最小系统相关运行流程及功能，最后描述了集中控制器和4GCAT1模块系统主控电路设计。随着5G研发和应用，未来商用将普及5G应用，将会达到更好的管控效果，促进城市路灯智慧照明控制系统更加人性化、智能化、节能化、数字化发展。

参考文献：

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[2]刘娜.基于5G的物联网技术在智慧城市建设中的应用[J].沧州师范学院学报,2022,38(01):54-57+83.

[3]张伟,吴刚,张培.智慧路灯智能调控系统[J].灯与照明,2021,45(1):31-34.