基于 nRF51-DK 的智慧路灯系统设计

0 引 言

近年来，随着物联网技术的不断发展、物联网产业的不断完善，政府出台了建设智慧城市的政策。智慧交通作为智慧城市建设的重要组成部分，吸引了大批研究人员的关注。照明是城市交通中的重要环节，传统的路灯控制方式主要通过设置固定的开关灯时间或基于纬度时令对整条街道或一个路段的路灯进行控制，显然这种工作方式会造成电力资源的浪费，同时简单粗放的路灯监控管理方式也使得在路灯的维护与检修上投入了过多的人力资源 [1-4]。

鉴于传统路灯已无法满足智慧城市照明的需要，我们提出了智慧路灯方案。借助物联网技术对路灯进行单灯控制和智能调节，实现了路灯的精细化管理，达到了节能以及高效运维的良好效果 [5-6]。

1 智慧路灯的总体结构

智慧路灯系统包括主控模块、车流量监测模块、光照强度检测模块、通信模块、云端以及安卓手机 APP 六部分，系统的总体结构如图 1 所示，实物如图 2 所示。

2 智慧路灯的方案设计

智慧路灯设计步骤如下 ：

（1）以 nRF51-DK 开发板为主控模块，以开发板上的LED 灯模拟现实情景下的路灯 ；

（2）通过车流量监测模块估算当前的车流量大小 ；

（3）通过光强检测模块获取自然光线的明暗信息 ；

（4）借助 BC35-G 通信模组实现主控模块与云端的双向通信 ；

（5）借助华为云平台实现数据的存储和共享，以及控制命令的下发 ；

（6）通过安卓手机 APP 快速访问云端数据并向主控模块下发命令。

系统流程如图 3 所示。

2.1 主控模块

主控模块的主体是 NORDIC 公司研发的 nRF51-DK 开发板 [1,7]，该模块的功能包括接收并处理车流量监测模块和光照强度检测模块的数据，控制 LED 灯模拟不同情境下路灯的亮灭、明暗（包括自动模式和手动模式 ；本系统中 LED灯的状态被设置为明、暗、灭三种 ；白天路灯灭，夜晚路灯亮 ；车流量大，则路灯明，车流量小，则路灯暗），通过通信模块实现与云端的双向通信，即主控模块向云端上传数据和云端向主控模块下发命令。

2.2 车流量监测模块

车流量监测模块采用基于 51 单片机的红外收发装置。当有车辆经过时，红外线的传播路径被阻挡，接收模块的输出电平发生变化，如图 4 所示。统计单位时间内高电平的持续时间，并以此估算车流量，如图 5 所示。

车流量 c 可按下式计算 ：

2.3 光强检测模块

光强检测模块采用光照强度传感器 GY-302 BH1750，该传感器能够实时获取外界光线的光照强度值。通过实验我们设置了合理的阈值 Tth，当实际的光强值大于 Tth 时，路灯被设置为灭 ；当光强值小于 Tth 时，根据车流量 c 的大小，路灯被设置为明或暗。

2.4 通信模块

通信模块采用 BC35-G NB-IoT 模组 [8]，BC35-G 模组配有板载天线和 SIM 卡座，插入移动物联网卡后，即可通过中国移动物联网网络与云端通信，从而进行云端与主控模块的双向通信 ：将车流量和光照强度数据上传到云服务器 ；云端向主控模块下发控制命令。

2.5 云端

云端部分采用华为云 - 物联网平台 -IoT 平台增强版 [9]，借助华为 OceanConnect 开发者平台进行设备管理及应用开发，包括显示路灯的工作情况 ；接收、显示和存储车流量及光照强度数据 ；下发路灯控制命令，命令格式见表 1 所列 ；与安卓手机 APP 通信，即允许 APP 读取数据以及接收控制命令。历史数据如图 6 所示，历史命令如图 7 所示。

2.6 安卓手机 APP

APP 基于 Android 平台 [10-14] 采用 Java 语言开发，通过调用云服务器 API 进行历史数据访问或者下达命令，包括获取路灯、车流量及光线强弱信息并实时显示在 APP 界面和控制路灯的亮灭、明暗，如图 8 所示。此外还可设置手动模式（图 8 中右上角按钮为开关，此时处于打开状态），手动模式下路灯状态仅由云端命令控制，不再根据自然光线和车流量自动调节。

 3 结 语

针对传统路灯照明存在的操控不便、管理效率低、灯况不明、巡灯投入大等诸多缺陷，借助物联网技术以及云平台，我们设计了一个基于 nRF51-DK 的智慧路灯系统。通过测试我们发现该系统具备预期的各种基本功能，初步模拟了智慧路灯在实际情景中的应用，但值得注意的是，我们仅实现了单灯的监控，对于规模化的布设及使用，还有许多问题亟待解决。