基于 nRF51-DK 的智慧路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展、物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的不斷完善，政府出臺(tái)了建設(shè)智慧城市的政策。智慧交通作為智慧城市建設(shè)的重要組成部分，吸引了大批研究人員的關(guān)注。照明是城市交通中的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的路燈控制方式主要通過設(shè)置固定的開關(guān)燈時(shí)間或基于緯度時(shí)令對(duì)整條街道或一個(gè)路段的路燈進(jìn)行控制，顯然這種工作方式會(huì)造成電力資源的浪費(fèi)，同時(shí)簡單粗放的路燈監(jiān)控管理方式也使得在路燈的維護(hù)與檢修上投入了過多的人力資源 [1-4]。

鑒于傳統(tǒng)路燈已無法滿足智慧城市照明的需要，我們提出了智慧路燈方案。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)路燈進(jìn)行單燈控制和智能調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了路燈的精細(xì)化管理，達(dá)到了節(jié)能以及高效運(yùn)維的良好效果 [5-6]。

1 智慧路燈的總體結(jié)構(gòu)

智慧路燈系統(tǒng)包括主控模塊、車流量監(jiān)測(cè)模塊、光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊、通信模塊、云端以及安卓手機(jī) APP 六部分，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，實(shí)物如圖 2 所示。

2 智慧路燈的方案設(shè)計(jì)

智慧路燈設(shè)計(jì)步驟如下 ：

（1）以 nRF51-DK 開發(fā)板為主控模塊，以開發(fā)板上的LED 燈模擬現(xiàn)實(shí)情景下的路燈 ；

（2）通過車流量監(jiān)測(cè)模塊估算當(dāng)前的車流量大小 ；

（3）通過光強(qiáng)檢測(cè)模塊獲取自然光線的明暗信息 ；

（4）借助 BC35-G 通信模組實(shí)現(xiàn)主控模塊與云端的雙向通信 ；

（5）借助華為云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和共享，以及控制命令的下發(fā) ；

（6）通過安卓手機(jī) APP 快速訪問云端數(shù)據(jù)并向主控模塊下發(fā)命令。

系統(tǒng)流程如圖 3 所示。

2.1 主控模塊

主控模塊的主體是 NORDIC 公司研發(fā)的 nRF51-DK 開發(fā)板 [1,7]，該模塊的功能包括接收并處理車流量監(jiān)測(cè)模塊和光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊的數(shù)據(jù)，控制 LED 燈模擬不同情境下路燈的亮滅、明暗（包括自動(dòng)模式和手動(dòng)模式 ；本系統(tǒng)中 LED燈的狀態(tài)被設(shè)置為明、暗、滅三種 ；白天路燈滅，夜晚路燈亮 ；車流量大，則路燈明，車流量小，則路燈暗），通過通信模塊實(shí)現(xiàn)與云端的雙向通信，即主控模塊向云端上傳數(shù)據(jù)和云端向主控模塊下發(fā)命令。

2.2 車流量監(jiān)測(cè)模塊

車流量監(jiān)測(cè)模塊采用基于 51 單片機(jī)的紅外收發(fā)裝置。當(dāng)有車輛經(jīng)過時(shí)，紅外線的傳播路徑被阻擋，接收模塊的輸出電平發(fā)生變化，如圖 4 所示。統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)高電平的持續(xù)時(shí)間，并以此估算車流量，如圖 5 所示。

車流量 c 可按下式計(jì)算 ：

2.3 光強(qiáng)檢測(cè)模塊

光強(qiáng)檢測(cè)模塊采用光照強(qiáng)度傳感器 GY-302 BH1750，該傳感器能夠?qū)崟r(shí)獲取外界光線的光照強(qiáng)度值。通過實(shí)驗(yàn)我們?cè)O(shè)置了合理的閾值 Tth，當(dāng)實(shí)際的光強(qiáng)值大于 Tth 時(shí)，路燈被設(shè)置為滅 ；當(dāng)光強(qiáng)值小于 Tth 時(shí)，根據(jù)車流量 c 的大小，路燈被設(shè)置為明或暗。

2.4 通信模塊

通信模塊采用 BC35-G NB-IoT 模組 [8]，BC35-G 模組配有板載天線和 SIM 卡座，插入移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)卡后，即可通過中國移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)與云端通信，從而進(jìn)行云端與主控模塊的雙向通信 ：將車流量和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器 ；云端向主控模塊下發(fā)控制命令。

2.5 云端

云端部分采用華為云 - 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái) -IoT 平臺(tái)增強(qiáng)版 [9]，借助華為 OceanConnect 開發(fā)者平臺(tái)進(jìn)行設(shè)備管理及應(yīng)用開發(fā)，包括顯示路燈的工作情況 ；接收、顯示和存儲(chǔ)車流量及光照強(qiáng)度數(shù)據(jù) ；下發(fā)路燈控制命令，命令格式見表 1 所列 ；與安卓手機(jī) APP 通信，即允許 APP 讀取數(shù)據(jù)以及接收控制命令。歷史數(shù)據(jù)如圖 6 所示，歷史命令如圖 7 所示。

2.6 安卓手機(jī) APP

APP 基于 Android 平臺(tái) [10-14] 采用 Java 語言開發(fā)，通過調(diào)用云服務(wù)器 API 進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)訪問或者下達(dá)命令，包括獲取路燈、車流量及光線強(qiáng)弱信息并實(shí)時(shí)顯示在 APP 界面和控制路燈的亮滅、明暗，如圖 8 所示。此外還可設(shè)置手動(dòng)模式（圖 8 中右上角按鈕為開關(guān)，此時(shí)處于打開狀態(tài)），手動(dòng)模式下路燈狀態(tài)僅由云端命令控制，不再根據(jù)自然光線和車流量自動(dòng)調(diào)節(jié)。

 3 結(jié) 語

針對(duì)傳統(tǒng)路燈照明存在的操控不便、管理效率低、燈況不明、巡燈投入大等諸多缺陷，借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及云平臺(tái)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)基于 nRF51-DK 的智慧路燈系統(tǒng)。通過測(cè)試我們發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)具備預(yù)期的各種基本功能，初步模擬了智慧路燈在實(shí)際情景中的應(yīng)用，但值得注意的是，我們僅實(shí)現(xiàn)了單燈的監(jiān)控，對(duì)于規(guī)?；牟荚O(shè)及使用，還有許多問題亟待解決。