基于物联网交互的智慧路灯_钟锦波.pdf

工业控制计算机2023年第36卷第2期*湖南省科技创新计划：基于物联网交互的环境监测智能配光路灯（2021RC1013）资助路灯是我国重要的照明设施，其工程建设在一定程度上反映了一个地区的发展水平。随着城市化进程的加快。各地方政府陆续出台了城市精细化、智能化管理的标准。传统路灯因其功能的单一性，必将被社会发展的新型产物所替代。在物联网蓬勃发展的大趋势下，利用物联网技术对城市内每盏路灯进行分级精准调控，发挥物联网高效利用资源、实时收集数据和安全性的特点，最终提出一套新型城市智慧化路灯建设方案，满足建设智慧化城市的需求。1物联网交互部分1.1物联网架构组成物联网的核心就是人或者物按照约定好的协议与物体之间进行交互式通信，也就是所谓的“交流”，从经典的物联网架构体系来划分，我们可以将其分为三层结构，依次是感知层、网络层和应用层，其中网络层又可分为传输层和汇聚层。1.1.1感知层路灯的控制设备集合了各类高精度的环境监测感应器、摄像头、传感器网关和自我故障状态测试装置，由上述装置共同组成了路灯的感知层，其主要功能是接收外部的周围环境讯息，是信息采集交互的关键部分。1.1.2网络层网络层包含了传输层和汇聚层。物联网的传输层负责将感知层识别和采集的信息进一步传递，各盏路灯之间、路灯与远程监控控制中心之间以光信号传输数据信息。我们采用的是一种一点到多点的树状单向控制系统，将同一地区的所有路灯均匀分布在不同区域。这样就能将同一片区域的路灯组成一个局域网，并且将其中的一盏路灯作为主控制器，由它来发送信号指令统筹管理其它的路灯，同时其他路灯之间也可以进行数据交互，将有关信息发送至主控制器，然后由各主控制台统一发送给远程的监控中心。利用远程终端监控管理平台实现了对路灯上所监测到的数据，进行智能显示与管控功能。而汇聚层则通过大数据分析技术和GIS可视化技术的融合，将路灯所收集的信息进行特定功能的转换1。例如：通过利用光强度传感器配合湿度传感器所得到的数据分析比较不同太阳光照强度、湿度和粉尘浓度对可见度的影响，进而调节路灯的照明强度。再把这些经过处理收集的数据信息结合GIS等可视化技术做成表格，就能够直接掌握当地路段的环境质量和道路照明需求等。1.1.3应用层应用层是将感知层所采集数据的进行计算、处理并且运用到现实生活中各行业的过程。我们可以将路灯所收集到的环境数据去辅助当地的政府环保部门开展环境监测工作。通过远程终端监测可以更快捷、高效地对路灯进行实时控制。当地政府和任何个人或者社会组织都能对路灯所收集到的数据进行包括但不限于环境保护、环境规划等科学研究应用。1.2硬件开发部分本产品采用的是一种自带Wi-Fi芯片通信配合ArduinoIDE平台使用的WiFiduino开发板。将此开发板应用在路灯上既能实现区域内各路灯间互相通信和主控制路灯与远程监控中心通信，也能实现对路灯自身设备的控制管理。在通信协议方面我们采用的是MQTT协议，这是一种基于客户端-服务器关系的传输协议2。MQTT协议的主要优点是精简、可扩充和很容易运行，同时由于它的低功耗特点可服务于多种IoT场合，因此我们可以使用最简单的代码为远程路灯设备联网，提供最实时安全的通信服务。将满足这种协议的所需代码写入开发板中，就可以将我们的硬件部分与所用服务器相连接，进而实现各路灯的上网功能。1.3物联网开发平台本产品所采用的是阿里云物联网开发平台，这是一家提供了全方位的设备连接、设备数据管理、监控运维、数据流转、数据基于物联网交互的智慧路灯*钟锦波洪鹏丁杰熊佳敏（湖南文理学院机械工程学院，湖南 常德415000）Intelligent Street Lamp Based on Internet of Things Interaction摘要：随着我国城市化进程的不断推进，传统路灯的控制与维护模式已经脱离现代化城市的运转方式，在时间和空间资源上造成了极大的浪费，逐渐不再适用于现代化城市的管理系统。针对当今城市路灯能源效率低下的问题，着重研究在物联网背景下传统路灯的新型运作模式，最终提出了一套运用物联网技术与传感器相结合的智能路灯方案，用以满足人们在不同场景下对路灯功能的多样化需求，实现路灯的多功能应用。关键词：信息交互；智慧路灯；环境检测Abstract:With the continuous advancement of Chinas urbanization,the control and maintenance mode of traditionalstreet lamps has been separated from the operation mode of modern cities,resulting in a great waste of time and spaceresources,and is gradually no longer applicable to the management system of modern cities.Aiming at the problem of lowenergy efficiency of urban street lamps today,this paper focuses on the new operation mode of traditional street lamps inthe context of the Internet of Things,and finally proposes a set of intelligent street lamps that combine IoT technology andsensors to meet peoples needs in different scenarios.Diversified requirements for street lamp functions realize multi-func-tional application of street lamps.Keywords:information interaction,smart street lamp,environmental testing61基于物联网交互的智慧路灯仓储等等业务功能的一体化物联网云平台，向下支持连接海量装置，采集设备数据上云；向上提交云端API，服务端可通过直接调用云端API将命令下发至路灯设备端，进行远程操作。选用阿里云开发平台的优势是它能更方便路灯终端和云端的双向通信能够低延时地接入阿里云IoT Hub，实现数据信息的交换。用阿里云物联网平台建立物理模型，对接IoT Studio Web可视化平台，布局图表显示数据，配置消息预警、控制组件远程控制、分布地图等等。使用阿里云平台的另一个优势在于它拥有庞大的生态体系。阿里云有对接各种技术的API接口，方便后续对路灯所采集到的数据进行处理和GIS可视化等应用。1.4网站交互界面为了使交互界面更加具有便捷性和可操作性，我们搭建Web端将交互页面公开。搭建网站的优势在于只要得到网站管理者的授权，任何人都可以随时随地登录网站查看路灯监测的情况与数据。网站是根据阿里云的IoT Studio生成发布的。Web数据可视化设计是阿里云的一项主要功能，也是一个面向物联网现场应用的生产力开发工具，利用它我们能把路灯设施建立到阿里云IoT Studio页面下，同时在Web监控页面中采用了手动拖拽的方法，就可以把所有图形组成部分都和路灯设施相应的数据信息源联系，登录Web端即可将路灯所监测到的数据进行可视化展现。2环境数据监测及应用2.1监管环境质量在基于物联网交互的前提下，该路灯能够及时地对任意时刻、任意地点的环境质量做出报告。为实现这一功能，我们选择在灯杆上加环境监测设备形成环境监测网组。目前国家对于空气质量监测的六个对象是SO2、NO2、CO、O3、PM2.5、PM10，因此可以通过一些精度较高的电化学传感器判断路灯所覆盖范围内的某一时刻、某一地点的环境质量。例如：雾的形成主要和相对湿度有关，官方对相对湿度的定义是空气中水汽压与相同温度下饱和水汽压的百分比，换而言之，雾可以直接用精度高的相对湿度传感器判断，而霾除了相对湿度还和可吸入颗粒物有关，用激光粉尘传感器测量PM2.5和PM10，编写一个中间变量算法，通过计算PM2.5和PM10分布比折算成雾霾系数，然后再结合相对湿度设置阈值，这样就可以判断霾的形成了，类似还可以判断该地区其他污染指数3。之后通过互联网，有关部门可对污染异常地区进行及时排查。2.2环境数据的提供2.2.1大数据技术现在是大数据时代，我们收集的环境数据是一种宝贵的资源。例如，各地环境数据可以通过扇形图、条形图、折线图等简单明了地展示出来，在后端即终端直观了解不同地域污染物情况的动态分布，也可以结合大数据处理技术统计分析一些指标的规律和变化趋势。大数据技术的数据处理，简单来说就是对大量的数据进行相关性分析，其中的大量指的是亿或更高的数量级。大数据技术的优势集中体现在对数据的应用，它能在环境治理中的各个环节发挥积极作用。例如，在产业规划中，我们可以通过监测生态环境数据从而掌握真实的环境资源容量，合理规划产业布局，防止产业对当地生态造成破坏，从根本上杜绝污染问题的产生；在监督执法中，大数据将助力政府部门实时监测当地生态环境的质量和精准执法的落实；在治理环境中，监测数据可追踪各地的环境修复状况，帮助政府部门更加科学地制定环境治理政策。2.2.2环境数据的采集优势目前我国对环境数据的应用还存在滞后性，而大数据处理技术对于环境保护具有很好的支持作用。虽然传统大气环境业务能够通过空气质量监测数据，但是数据的量的问题和检测方法仍然是一大问题，大部分的数据都是通过人工测量、仪器检测或者是系统日志等方法，而我们的智慧路灯可以更好解决数据来源少的问题4。以路灯作为环境监测载体并非为了取代气象局设立的环境监测站点，我们的目的是利用路灯的普遍性，以及它的空间资源，能更加实时、精准地了解某一块具体位置的环境状况。因为政府所设的环境监测站点密集度相对不高，监测的是一大片区域的状况，而且通过网络获取信息会有滞后性和延时性。所以相比之下，以路灯建立监测网组能更好监控一块区域的污染情况，也能更加实时调整路灯色温，获取的环境数据也具备独特的价值。我们所做的就是和政府所设站点形成互补式利用，而非和其对立。这样一来也能缓解行政惰性导致的环境数据信息滞后的情况5。另外，以路灯为载体搭建环境监测网组的另一个好处就是路灯往往就是分区建设，这样一片区域的路灯就可以看成一个整体，形成一种局域网络，而一个地区的环境质量和气候往往是稳定不变的，所以我们只要在该区域的任意一盏路灯加上环境监测设备就能得到那一片区域的环境情况，这样就更加充分利用路灯的空间资源。3结束语本文主要阐述了智慧路灯的物联网交互部分和环境数据监测方面的应用。通过物联网利用路灯采集数据，并将所得数据进行相关性分析，最终服务于智慧城市的建设，促使城市能够更好发展。同时充分利用路灯这一重要资源的价值，实现一物多用。参考文献1李亮，杨小高，钟锦波，等.路灯的智能化设计及应用J.科技资讯，2021，19（20）：16-182岳云涛，潘鑫，李炳华，等.基于NB-IoT的文物建筑无线火灾报警系统研究J.建筑电气，2021，40（8）：18-213李艳梅，余强，杨文杰，等.环境大数据在我国环境治理中的应用研究J.环境与可持续发展，2021，46（3）：160-1644周余玥，胡妤.智慧路灯监测系统的无线传感网络及组网设计J.自动化与仪表，2021，36（10）：100-103，1085王琳，肖军，王威.基于ZigBee技术的可组网太阳能LED路灯终端控制器的设计J.微型电脑应用，2020，36（4）：17-19收稿日期：2022-07-2362