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基于互联网的路灯照明自动控制系统

Lan Wu, Mingyue Li, Zhanying Pan and Xiaoding Cheng

College of Electrical Engineering, Henan University of Technology, China richod@126.com

摘要：随着信息技术的不断发展，城市信息的应用水平也日益提高。本文设计了一种基于互联网路灯照明自动控制系统的模型。基于光照强度、交通噪声，还有温度、湿度等信息自动进行数据采集和信息处理，系统对每个测试变量设置了相应权重，通过相应的算法判断不同的道路和天气情况，并做出相应指令，实现在不同的道路和天气情况下智能路灯的光照调节功能。通过光体GPS技术，快速故障检测和定位，大大降低了人工维修的复杂度和成本。

关键词：智慧城市，物联网，光照强度

研究背景及意义

随着物联网的提出，智慧星球、智能城市和智能家居的概念也应运而生。在2009年1月，IBM公司的CEO Sam Palmisano提出了“智慧星球”的概念，这是物联网的一个重要组成部分。

国内外研究现状

第六届中国互联网大会于2015年5月21日在上海举办，“物联网产业融合之路”探讨了汽车网络与智能交通、可穿戴和健康管理设备、信息化和工业化与工业4.0的深度融合、智能城市与网络技术应用、智能家居等等。从智能城市和智能交通的角度来看，国内外对ZigBee技术的研究比较成熟，而将ZigBee技术应用于路灯智能照明系统的研究却很少。更经济、更智能、更环保的城市路灯已成为城市路灯发展中亟待解决的问题。

2.1其他

针对节能和智能控制，本文提出了一种基于ZigBee技术的路灯照明自动测量控制系统设计，该设计具有节能、低成本、智能化、信息化、高可靠性的特点，能够实现对街道照明的自动采集、测量和控制。

系统设计

3.1总体设计方案

该照明强度自动测控系统主要包括：监控中心、软件管理系统、3G基站、ZigBee协调器、终端控制器、数据采集模块[1]。ZigBee协调器的每个区域都有一个数据采集站点来安装数据采集模块。数据信息通过ZigBee终端节点发送到ZigBee协调器节点，然后被送到监控中心通过3G基站，最终由监控中心处理并显示在计算机[2]。系统根据照明强度、流量、温度、湿度、噪声等重要参数，监控中心估计道路和天气情况，并向终端控制器发送指令，通过调节PWM输出信号占空比来控制灯的亮度。同时，监控中心确定路灯是否发生故障，并显示和报警。具体的工作图如图1所示。

图1路灯照明自动控制系统示意图

3.2数据采集方案设计

通过各种特殊传感器，路灯信息采集系统检测各种路灯信息，例如：光照、湿度、温度、流量、噪音等信息。这些信息由ZigBee终端节点自动采集并发送到ZigBee协调器节点，并由3G基站发送到监控中心，最后由监控中心处理[3]，监控中心将会对其控制方法和故障报警做出决策。总体流程图如图2所示[4]。

图2.路灯信息采集与测量系统流程图

3.2.1路灯的电压/电流采集

利用电流/电压传感器采集、测量和处理单灯电压电流值，实现路灯工作状态的智能诊断。故障码通过3G网络上传到监控中心[5]，由此实现故障定位，提高维修效效率。

3.2.2光照强度测量

根据不同的应用，路灯位置放置有四种主要模式：单侧配置、双边对称配置、双边不对称配置、更多横向配置。为了满足不同布置方式和不同路面光照强度的测试要求，路灯安装了升降机，大大提高了测试效率，减少了安装工作量。根据路灯分布，测点定位有单侧、双侧对称、双边交叉、中心对称四种模式[6]。

在试验点的两个灯区布置了一些固定的测试点，每个测试点放置一个光照传感器，并固定在网格交点中心，同时设置测试终端，并在地面上铺设电缆，通过网络传输电缆将各测试点的光照强度数据发送到终端，并同步计算并显示平均光照强度和性能。由此保证实验的重复性和再现性，还可以大大提高工作效率[7]。为了保证数据的准确性，增加了传感器的个数和测试点的密度，提高了测量数据的精度。灯光高度可调，适用于不同的路径，这样的照度获取测试方法具有十分重要的意义[8]。

根据测试数据，计算平均光照强度，然后选择一个点或相当于平均光照强度的点作为照明采集点。这样，道路上的平均光照强度就可以通过对这些点的光照强度来反映。该系统具有以下优点和特点：1）消除了手工测试的不确定性、具有较高的精度。2）节省安装时间和人力，大大提高效率。（3）检测采集到的信息存储在档案服务器中，便于查阅或联网，直观显示，适用于各种道路照明光学测试。

3.2.3交通流量采集

交通信息是路灯控制系统的重要组成部分，控制着路灯光照的强弱，其精度对路灯控制系统起着至关重要的作用。目前最常用的交通流量检测方法有埋感应线圈检测、超声波和红外传感器、视频检测等。埋感应线圈检测技术具有高精度的特点，但是安装不便，维护困难。超声波检测精度较低，容易受环境温度和气流的干扰。红外探测易被人体热源的影响，精度同样较低。视频检测技术随着计算机技术和图像处理技术的发展，在交通检测中得到越来越广泛的应用。它的优点是易于安装、调试和维护。通过监测某区域，可以提取到该区域高质量的交通场景和交通流信息，并且可以检测多车道流量信息[9]。

本设计采用视频检测和图像处理技术，提高了交通信息的检测精度和运算速度，同时节约了存储空间。当RGB分量，权重为0.299，0.587，0.114时，灰度值更接近人类视觉变换公式：

其中，，，分别是输入的彩色图像的R，G，B通道分量,是转换后的灰度图像[10]。

二值图像是只有两种颜色（黑色和白色）的索引图像，也称为特殊灰度图像，黑色为“0”，白色为“1”。图像二值化处理可以提取光目标，除了车前灯外，还可能包含一些干扰信号，如路面反射和车身反光等。当车头灯非常亮时，其中心像素亮度可达或接近255，同时在某些特殊情况下，路面反射和车身反射的亮度也可能接近255。但是路面反射的亮度区域较大，像素灰度值均匀，但亮度不高于车灯，因此设置合适的阈值进行图像二值化处理，可以提取车灯，消除一些干扰信号，其二值化公式为：

其中，是二值化图像的像素值，G1是该点的灰度值，阈值大小决定了提取的车前灯面积，用阈值进行二值化处理，与无阈值二值化处理相比，可以消除非头灯目标的干扰。总之，利用取二值化图像计算车辆数，确定道路是否处于繁忙时间更适用于路灯照明控制。

3.2.4温度和湿度采集

本设计利用温湿度传感器LTM8901进行采集温湿度信息。其技术指标为：温度范围为25～60度，湿度范围为1%～99%，温湿精度分别为plusmn;5和plusmn;3%。由于一个地区天气变化不大，所以温湿度测试网格不需要太密集，只需在一个区域设置一个网格，将数据上传到监控中心，并进行相应的处理，做出恰当的指令[11]。

3.2.5噪音采集

本文将噪声采集主要分为道路噪声和噪声敏感建筑物两大类。在道路噪声监测过程中，每条道路从交叉口处选择一个监测点，以消除其他噪声干扰。从监测点到第一车道中心线的距离为7.5m，高为1.2m，可实时采集重要道路噪声强度。

噪声敏感建筑物的噪声监测是了解噪声敏感建筑物的室外环境噪声水平，评价是否满足环境功能区的要求。本文选取了20种噪声敏感建筑物作为监测对象，主要受交通噪声源的影响。每个监测对象选择两个分别接近道路终点和远离道路终点的噪声监测点。监测定位，在室外的建筑，从建筑的外墙或窗距离1m，距地面1.2m高，日夜分别进行监测，结果如图3所示。

图3.噪声敏感结构监测图

对于噪声敏感的建筑物，如果在道路旁边，建筑物附近的道路受到强烈噪声的影响，而远离道路的另一边所受影响较为薄弱，因此对噪声敏感建筑物声环境噪声水平进行综合评价，建筑物两侧分别设置监测站，计算平均等效声级。在监测过程中，计算噪声计每秒采集到的噪声数据的方差，获得噪声波动情况，然后根据道路的噪声强度，判断该道路是否处于繁忙的阶段，由此决定是否适当调节灯的亮度，以方便人们的生活。

3.3硬件设计

3.3.1终端控制器设计

中断控制器TYCON用于控制亮度和监控LED灯状态，根据控制中心的命令，控制LED灯的亮度，并检测是否有照明设备工作正常。如果发生异常情况，报警信息会被发送到监控中心，并实时显示在监控中心和客户端软件上。

无线传感器TYSEN属于配套设备，用于收集现场光照强度、交通流量、温度、湿度和噪声等信息并发送给控制中心，为控制中心的智能控制提供一个参考参数。

3.3.2协调设计

协调器TYREP的主要功能是协调并建立一个网络，用于ZigBee网络管理，道路状况和控制中心之间的数据传输。

软件管理系统流程图如图4所示。

图4.软件管理系统流程图

该软件管理系统可以实现如下功能：(1)电子地图的显示与控制功能。(2)实时状态显示。(3)预存三套系统工作模式。(4)中断控制器的遥控与遥测功能。(5)通过控制中心接收、显示、储存各个终端控制器的工作状态。(6)显示控制对象的工作状态。(7)历史数据报告。(8)根据实际需要进行二次开发。

该软件管理系统可以实时查看路灯开启时的各种管理状态，主要包括灯柱管理、协调器管理、控制器管理、路灯管理、协调器运行监控、控制器监控、路灯运行监控、故障报警信息。界面中部设有用户姓名、日期、时间、天气条件、计划列表。左侧为管理模块，主要包含参数设置、设备管理、运行监控、调光管理、统计分析等。功能操作界面如图5所示。

图5.软件管理系统功能操作界面图

4.实验结果展示与分析

实验室测试模型如图6所示。

图6.实验室测试模型

5.总结

本文中的设计，基于互联网的路灯照明自动控制系统，通过数据测量实现了路灯的实时照明，可根据采集到的信息实时调节路灯、故障智能报警、系统集成管理、节能等功能，适用于各种道路照明情况，并且极大的节约了电力资源和人力资源。总之，智能路灯自动测量控制系统已经在最近几年取得了很大的进步，并广泛应用于相关的道路照明。基于互联网的路灯照明自动控制系统在光照强度的自动化测控集成控制技术和应用方面已经取得很大进展。

基于光照传感的LED路灯智能控制系统

摘要:本文研究了一种基于光照传感和PWM技术的LED路灯智能控制系统。试验结果表明，该系统可以实现节能、环保、寿命长的功能，并且通过使用25kHz作为PWM调制频率避免了人类可听噪声。

关键词：光照传感、PWM、LED

研究背景及意义

由于LED效率高、寿命长、环境友好、易于调光控制，目前已被公认为世界上最有前途的高效照明光源，被称为继白炽灯、荧光灯之后的又一次照明光源革命[1]。与其它方法相比，LED灯使用电压低，节能效果好。此外，作为一种新型的绿色照明光源，LED灯具近年来在道路照明中得到越来越广泛的应用[2]。然而，LED灯取代传统路灯仍然存在一些问题亟待解决。目前，大多数城市传统路灯的控制方式仍然是手动操作，效率低下，浪费人力。传统路灯的广泛使用方式仍然是以恒定亮

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