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基于物联网技术的城市路灯无线网络监控系统王颖【摘要】This paper, from the data communication which is the key aspect of constraints for the lighting monitoring, applies WSN to the streetlight monitoring and controlling work;designs a set of wireless monitoring network based on Zigbee and GFRS embeds a wireless monitoring terminal in each single street lamp to realize the single lamp monitoring. The system can realize the precision and intelligent management of city lighting, substantially reduces the city lighting energy consumption and cost of management, and finally the implementation of green lighting.%从制约路灯监控发展的关键环节——数据通信出发，将先进的物联网技术应用于城市路灯监控领域，设计了一套基于ZigBee和GPRS技术的无线监控网络，在单个路灯中嵌入无线监控终端，实现了路灯的单灯监控。
该系统可以实现城市照明的精确化，智能化管理，大幅降低城市照明的能源消耗和管理成本，实现绿色照明。
【期刊名称】《山西电子技术》【年(卷),期】2012(000)006【总页数】4页(P36-39)【关键词】路灯;物联网;ZigBee;无线网络;远程监控【作者】王颖【作者单位】山西省交通信息通信公司,山西太原030003【正文语种】中文【中图分类】TP273;TM923.51 城市路灯监控的发展与现状近年来，随着城市化的高歌猛进，城市照明的建设也蓬勃发展，城区已形成了规模庞大、错综复杂的路灯线路，城市路灯的监控和管理水平虽然也在不断的提高，但远远赶不上城市化的扩张步伐。
基于物联网技术的城市路灯智能控制系统设计摘要：城市照明是城市发展所必备的基础设施之一，也是改善和提升城市品质的重要保证。
随着路灯数量的不断增长，电量消耗量持续增大，路灯管控难度也随之增大，统计资料显示，当前电能资源的生产总量已经无法应对日益增长的电能消耗，为此必须积极引入物联网技术进行城市路灯智能控制系统设计，有效解决路灯管控混乱、电能无谓消耗等问题。
基于此，本文章对基于物联网技术的城市路灯智能控制系统设计进行探讨，以供相关从业人员参考。
关键词：物联网技术；城市路灯；智能控制系统；设计引言智慧城市需要利用先进的信息技术和完备的基础设施，让城市具有全面感知、资源互联共享、智能协同作用，实现智慧服务和管理，让城市朝着更深层次信息化发展。
路灯，在城市中数量众多，是最密集的城市基础设施。
因此，具备“有网、有电、有杆”三位一体特点的智能路灯，成为智慧城市建设中不可或缺的关键节点。
随着5G、智慧城市、新基建等建设加速推进，智能路灯建设掀起一股热潮。
一、物联网技术概述所谓的物联网技术，简单来说就是以现代科学技术为手段，以互联网为载体而进行的一种连接物与物的网络系统，是对传统网络的拓展与延伸，在当今社会发展进程中有着非常广泛的运用。
通过相关分析可以看出，物联网是一个大规模的信息系统，其体系架构主要由感知层、网络层、应用层搭建而成。
物联网技术在各个行业领域中都占据了重要位置，无论是建筑、公路还是油气管道设计，只要这些区域都设置了智能摄像头和各种传感器，就能够实现对它们的全面控制与管理。
从某种程度上来说，物联网的出现，极大地提高了人类管理的精细化水平。
二、智能路灯优势分析（一）控制技术方面城市智能路灯照明系统主要采用现代远程通信技术，将GPRS技术和ZigBee技术以及电力线载波技术进行集成，从而实现远近距离的传输和组网，切实发挥技术优势并改善传统技术劣势，进一步提高数据采集、存储及传输的安全性，提高智能路灯的使用质量。
2009年网络安全、无线通信和可信计算国际会议基于nRF401无线通信芯片分布式智能城市路灯监控系统Yu CHEN, Zhaoyu LIU郑州航空工业管理学院中国郑州电子信箱：chenyu@摘要：传统路灯照明系统的控制有低效率、高成本和难监视等缺点,因此,它不符合现代城市的要求。
为了实现实时分布式远程城市路灯状态的自动控制,我们介绍一种基于单片机技术、电力载波通信和无线通信技术等的无线网络城市路灯远程智能监控系统。
系统由上层电脑,主控制器,各个终端控制器组成。
上层PC控制主控单片机MSP430F19,传送控制指令给现场控器,MSP430F149 通过nRF401无线收发器控制照明灯具开关相应变化的状态。
上层PC能有效实现实时无线远程照明设备的控制。
通过实验,传输距离可以最高达到1000m。
此外,我们设计的照明监控设备,可以保证路灯在通信网络出现故障时自动熄灭。
关键词：路灯监控；MSP430F149;nRF401;无线通讯;AT89C51单片机；电力载波I.简介路灯照明是城市基础设施的一部分,它在交通安全、社会保障、人们生活、城市外观风格和特点,以及使整个城市的力量和成熟的程度上发挥着越来越重要的位置,。
传统的路灯控制采用时间控制器或变压器(配电箱)来实现分布式控制,具有恶劣的集中管理,高故障率的缺点。
由于没有远程数据采集和通信功能,路灯管理无法实时实现,所以,灯的工作、操作结果等不能集中监控、记录、和静态处理,通常不能得到及时的维护。
本文基于单片机技术、无线网络通信技术等在分析传统路灯监控系统的缺点基础上，通过研究工作原理、实验,和特性等，介绍了一种远程监控路灯系统。
该系统实现了按需照明,并且能够监控报警，从而实现远程路灯监控,并具有较强的可行性。
[1]II.系统的组成及原理系统由各盏灯监控终端控制器设备、路灯监控中心站和上层电脑等组成。
每个路灯监控中心站与工作中心站通过无线传输通信,中心站通过RS232/485或USB接口或以电汇方式与上层电脑通信。
基于ZigBee的路灯控制系统近年来，随着城市发展速度加快、人口增长率不断上升，以及城市规模的不断扩大，城市智能化已成为解决城市管理和发展的重要手段。
其中，路灯控制系统的智能化是城市建设和改善交通安全的重要组成部分，为此基于ZigBee技术的路灯控制系统应运而生。
本文将详细介绍基于ZigBee的路灯控制系统。
一、ZigBee技术概述ZigBee是一种基于IEEE 802.15.4标准的无线通信技术，该技术具有低功耗、低速率、低数据量传输、低延迟等特点。
ZigBee技术可以将多个节点链接成一个网络，并实现节点间的数据传输，从而建立了广泛的应用场景。
ZigBee的无线控制技术，可以控制智能家居、智能城市、智能工厂等方面，ZigBee技术在智能家居、智慧城市和物联网等领域得到了广泛应用。
二、基于ZigBee的路灯控制系统基于ZigBee的路灯控制系统是一种智能化的路灯控制系统，实现了对路灯的远程无线控制。
该系统以ZigBee协议为基础，通过传感器接收光线变化、温度、湿度等数据信号，并通过物联网的技术与控制中心相连通，在实现对给定时段路灯的开启、关闭、亮度调节等控制功能。
基于ZigBee的路灯控制系统由节点、协调器和中心控制三个部分组成。
其中，节点由无线ZigBee模块、温湿度传感器、光照传感器、LED灯等组成。
三、基于ZigBee的路灯控制系统的工作原理（1）路灯节点的工作原理路灯节点由无线ZigBee模块、温湿度传感器、光照传感器、LED灯等各个部分组成，当节点上的光照传感器检测到光强度低于阈值时，会向协调器发送信号，告知其需要打开灯光。
相反，当光照传感器检测到光强度高于阈值时，则会向协调器发送信号，告知其需要关闭灯光。
（2）协调器的工作原理协调器由无线ZigBee模块、处理器等组成，在系统中充当着路灯节点与中心控制器之间的桥梁，实现节点之间的数据传输以及与中心控制器之间的通信。
协调器负责处理节点发送的数据，将其发送给中心控制器，并接受来自中心控制器的指令，将其传输到对应的路灯节点进行控制。
第30卷第5期2009年 5月煤 矿 机 械CoalM ine MachineryVol .30No .5May .2009基于nRF401煤矿瓦斯无线监测系统的设计3马银花1,杨昆松2(11黑龙江科技学院,哈尔滨150027;21鸡西市供电局,黑龙江鸡西158100) 摘 要:针对我国煤矿安全生产情况,提出了利用射频芯片nRF401来构建无线传感器网络,实现煤矿瓦斯的无线监测,给出了节点的硬件设计方案和软件流程图。
与有线监测系统相比,无线监测系统省去了布线环节,使监测系统组网方便、快捷,成本低,具有较好的实用价值。
关键词:无线监测;nRF401;无线传感器网络中图分类号:TP39 文献标志码:A 文章编号:1003-0794(2009)05-0132-02D esi gn of M i n e Ga sW i reless M on itor i n g Syste m Ba sed on nRF401M A Y i n -hua 1,YANG Kun -song2(11Heil ongjiang I nstitute of Science and Technol ogy,Harbin 150027,China,21Supp ly Power Depart m ent of J ixi City,J ixi 158100,China )Abstract:Put f or ward a wireless sens or net w orks based on nRF401chi p.The net w ork can i m p le ment m ine gas wireless monit or .The design method of hard ware and s oft w are is p r ovided .Comparing with wire monit or syste m ,wireless monit or syste m om its linking lines,s o it is si m p le,quick and cheaper .The wireless monit oring syste m has large potential app licati on value .Key words:monit or;nRF401;wireless sens or net w orks3黑龙江科技学院青年基金项目(08-17)0 引言 近年来,由于无线通信技术快速发展,作为无量的计算、计算结果与整定值进行比较、判断是否有故障发生;故障处理子程序则是根据系统判断出的故障类型完成各种的保护动作。
基于nRF401的无线监控探头的设计
梁建华;肖伸平
【期刊名称】《机电产品开发与创新》
【年(卷),期】2006(19)1
【摘要】提出了以单片机为中心的报警器主机和监控探头的设计方法,重点分析了监控探头的双地址编码和微功耗设计,实践表明这是一款实用性强、扩展灵活、抗干扰能力强的报警系统.
【总页数】3页(P124-126)
【作者】梁建华;肖伸平
【作者单位】湖南冶金职业技术学院,电气工程系,湖南,株洲,412000;湖南冶金职业技术学院,电气工程系,湖南,株洲,412000
【正文语种】中文
【中图分类】TP216;TH741.5
【相关文献】
1.基于nRF401的无线监控探头的设计 [J], 梁建华;肖伸平
2.基于nRF401无线通信的实时监控告警系统设计 [J], 杨宁;张志伟
3.一种基于STC89C52与nRF401的无线网络插座设计 [J], 陈荣军;李本超;罗文聪;李承霖;邢楚练
4.基于NRF401的无线通信自动转发器的设计 [J], 董建怀
5.基于MSP430和nRF401的无线传感器节点设计 [J], 任玲;刘雪兰;宗灶童;金濯
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基于NB-IoT的智慧路灯控制器设计作者：杨立宏袁夫全来源：《现代信息科技》2024年第02期DOI：10.19850/ki.2096-4706.2024.02.038收稿日期：2023-03-18基金项目：中山火炬职业技术学院2022年度校级产学研项目（2022CXY24）摘要：随着智慧城市建设步伐的加快，各大城市必然要对城市路灯照明系统进行节能化和智能化升级。
文章针对传统路灯能耗大、人力维护成本高、智能化程度低等问题，设计一种基于NB-IoT的智慧路灯控制器。
单灯控制器以微控制器STM32为控制核心，通过NB-IoT通信模组实现路灯与控制中心的组网，从而实现路灯的远程开关及调光控制、路灯数据采集、故障定位等功能。
该路灯控制器以实际LED路灯进行测试验证，基于NB-IoT路灯控制器能够满足路灯照明系统的节能化和智能化以及集中管理的需求。
关键词：NB-IoT；智慧路灯；调光控制；数据采集；故障定位中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）02-0177-05Design of Intelligent Streetlight Controller Based on NB-IoTYANG Lihong， YUAN Fuquan（Zhongshan Torch Polytechnic， Zhongshan 528436， China）Abstract： With the acceleration of the construction of smart cities， major cities are bound to upgrade their urban street lighting systems to energy conservation and intelligence. This paper designs an intelligent streetlight controller based on NB-IoT to address the issues of high energy consumption， high labor maintenance costs， and low level of intelligence in traditional street lights. The single light controller uses the microcontroller STM32 as the control core， and realizes the networking between the streetlights and the control center through the NB-IoT communication module， thereby achieving remote switching and dimming control of the streetlights， data collection of the streetlights， fault location and other functions. The streetlight controller has been tested and verified with actual LED streetlights. Based on NB-IoT streetlight controller， it can meet the requirements of energy-saving， intelligence， and centralized management of streetlight lighting systems.Keywords： NB-IoT; intelligent streetlight; dimming control; data collection; fault location0 引言目前大多數城市仍然采用传统路灯控制系统，管理人员对辖区内的路灯进行统一管理，定时开关或者通过传感器检测光线亮暗自动开关路灯。
基于无线通信芯片nRF401分布式智能城市路灯监控系统摘要:传统路灯照明系统的控制方式的缺点是低效率，成本高，难以监测等，所以，它已不能满足现代城市的要求。
为了实现分布式长距离城市路灯实时自动控制状态，我们介绍了一种基于单片机技术，电力载波通信，无线通信等技术的无线远程智能城市路灯监控系统。
系统是由上端PC机，主控制器，各个终端控制器组成。
上端PC机控制主控制器MSP430F19单片机，并传送控制指令给外地控制器，MSP430F149通过无线收发器nRF401控制改变相应的照明灯开关状态。
电脑上能有效彻底地对无线长距离照明设备进行实时控制。
通过试验，传输距离最高可达到1000米。
此外，我们设计的照明监控设备，当通信网络发生故障时，它能自动关闭灯。
关键词：路灯监测和控制; MSP430F149; nRF401;无线通信;AT89C51;电力载波通信1.导言路灯照明是城市基础设施的一部分，它在交通安全，社会安全，人民生活，城市外观的风格和特点起着重要的作用，以及使一个城市更有力量和成熟度。
传统的路灯控制采用时间控制器或变压器（配电箱），实现分散控制，它的缺点在糟糕的集中管理和高的失败率。
由于没有长途数据收集和通信功能，路灯实时管理未能实现，因此，工作灯和运行结果等不能集中监测和记录，还有静电干扰通常不能得到及时维修。
本文介绍了一种路灯远程监控和控制系统，通过对基于单片机技术，无线通信技术等的工作原理、实现和特点等的研究，分析传统的监测和控制系统等弊端。
该照明系统实现了根据需要监测报警，这就可以实现对长途路灯监测和控制，且具有较强的可行性[1]。
2.系统组成和工作原理系统是由每个单灯监控终端控制器设备，路灯监控中心站和上位机等组成。
每个路灯监测中心站通过无线传输与工作中心站连接，而总站通过RS232/485或USB接口以有线方式与上位机相连。
根据不同的地域分布，每个工作中心站通过无线通讯链接连接一个或多个工作从站。
上位机通过与终端设备通信获得照明设备的开关状态。
工作总站通过RS232/485或USB总线接口与上位机通信上位机显示外地照明设备的状态。
每个单灯监控终端控制器可以通过上位机实现照明灯启动或关闭，因为城市灯距离较长的，通过电力线载波通信作为媒介，我们可以把路灯监控中心站作为数据收集设备。
这就是说，在于工作中心站连接后，再通过接口与上位机连接，可以适合大规城市区域的需求，同时实现较长距离数据传输。
分布式网络原理结构如图1所示。
图1分布式灯监测和控制系统结构图每个监控终端下位机能设置路灯工作形式或通过上位机下载控制模式，如时钟日历，打开/关闭时间等。
上端机可以设定每个路灯的工作状态;监测中心站节点可以传输指示给上位机通过无线跳跃沟通在每个节点之间;每个路灯节点控制其工作的信息，通过电力线载波实现失败报警;如果某些灯节点失败，超越这个节点和通信，以及这一信息反馈到控制中心和上位机。
单片机MSP430F149单片机作为监测中心站控制器;通过RS232/485或USB总线与上位机连接工作，并实现信息交流，回应整个系统监测和管理。
监测中心站控制器接收各种操作控制命令和设置上位机参数，每一个外区域的路灯控制器收集开关相似，根据控制模式实现长距离照明灯控制。
上位机通过RS485或USB总线接口与工作中心站连接，并通过从站上传监测数据获得和储存监测数据，以及下载控制模式和避免因网络故障导致系统失控的现象出现。
此外，每一个路灯控制器具有光强度检测能力的模块，可以根据白天或黑夜实现自动开关。
3 硬件电路设计路灯监控系统中心站控制器采用美国德州仪器公司的MSP430F149单片机，它是一种低功耗的混合信号控制器，16位RSIC结构，16位寄存器和恒定CPU发生器。
在运行CPU时，如果它出错，数控振荡器将会自动启动，并保证系统正常工作。
如果是程序错误，我们可以设置看门狗来解决。
如果程序稍纵即逝，看门狗会出现溢出的状态，看门狗将产生复位信号，使系统重新启动，可以保证系统稳定运行。
3.1单灯监控设备单灯监控终端主要功能是切换开关控制灯，实时收集灯的工作信息，并与监测中心站控制器通讯，它的硬件模块框图如图2。
图2 单灯监控系统的结构图ISL29000的工作照明强度范围内在1lux和10000lux之间，并能把它转换为电流;输出电流与接收二极管照明强度成正比。
输出的电流转换成电压，通过A/D转换器，计算外部环境的照明强度，单片机决定打开或关闭街道路灯。
通过灯光强度监测模块，系统可实现自动控制路灯开关，以避免沟通失败。
下位机通过设置数字编码可以获得到每个路灯终端地址，并实现继电器驱动开关状态，以及通过使用电流变压器获取灯工作状态的信息。
单灯监控终端采用单片机AT89C51单片机，通过电力载波实现与MSP430F149单片机通信。
电力通信模块是由电力载波通信专用芯片SSC P300和SSC P111组成[2]。
3.2无线收发电路设计系统采用挪威Nordic公司的nRF401无线收发芯片作为无线通信模块的核心[3]。
以蓝牙技术作为核心结构，有很强的抗干扰能力的FSK信号调制方式。
工作频率稳定可靠，外围元件少。
因此，适应设计便携式手持产品中。
由于其传输频率低，高接收灵敏度和载波频率的值是433MHz的ISM频段。
nRF401满足无线监控的需求，并不需要授权允许。
nRF401可以设置位待机状态或发射状态。
根据实际设计要求，nRF401的控制端口PWR_UP，CS，TXEN通过下拉电阻连接到单片机。
因此，当MSP430F149单片机相应的端口处于输入状态，由于下拉电阻，电流几乎是零[4]。
由于MSP430F149系列单片机有自动串行通信端口，可以连接到nRF401收发器电路。
一级变换是没必要的。
无线通信频率的工作频率是由nRF401外围设备串行接口CS设定的.另外，通过调节RF_PWR串口的偏压电阻RF_PWR，辐射功率可以调节。
最大发射功率可达+10 dBm的。
并且，该芯片的振荡器电路需要外部连接22nH的VCO电感，电感系数是非常重要的。
Q >433MHz ，精度为2 ％。
无线收发器的原理如图3所示。
图3 无线通信模块检测装置的结构与探测装置无线收发单元一样，因为每个检测仪器无线收发股。
无线接口被设计小体积成环形天线，成本低，可以直接腐蚀对PCB板。
这是非常适合于便携式和低消费的产品。
3.3系统抗干扰设计为了防止电磁干扰，该系统采用的抗干扰措施;因为电磁干扰的频率段为0.1Hz 〜50MHz，所以，系统通信采用433MHz频率，可避免主要的电磁干扰。
根据区域环境，天线选择可以提高系统的抗干扰功能，因此，转动检查站选择高增益全方位指向天线。
为了避免更多的终端站编号，PCB板外天线调谐，和循环天线场调整的困扰等等，我们选择低价单鞭天线和安装在最合适的位置，从而获得最佳的收发器的效果。
nRF401电源附近直流采用高能力去耦，nRF401功率已经被过滤并让它与数字电路分离。
此外，由于转动检查设备控制器通过RS - 485总线与中心站的PC机连接，输出端口是双端平衡驱动器，输入端口是双重不同放大器。
因此，可抵消干扰噪声。
由于工作从站单灯监测和控制设备的延迟开关作用，生产微型可变电压du/dt，和微型可变电流di/dt，这些都是干扰源。
减少干扰源du/dt的方法是平行容量，而减少干扰源di/ dt的方法是增加续流二极管的串联电感或电阻。
在这系统中，我们增加续流二极管拖延线圈，以消除断开线圈时反向电动势的干扰。
但是，如果只增加续流二极管时会产生时间延迟，因此，我们增加稳压二极管以实现在单位时间多次执行[5]。
4系统软件设计软件设计关键是实现系统功能。
为了方便移植和资源共享，软件系统采用结构化的程序设计方案，它可以使系统具有良好的模块化和可移植性。
软件设计是由单灯监控程序、路灯监控中心站控制程序、上位机显示和控制程序、无线通信程序等组成。
系统软件设计的关键是路灯监控站和无线通信模块等的设计。
单灯监控从站软件负责数据收集和通信等，无线通信模块是由最初的程序、发送和接收程序等组成。
由于系统的任何一个节点在任何时间可以与其他节点进行通信。
因此，每个监控节点的通信程序是基本相同的。
主要系统程序包括两部分，其中一个是路灯监控中心站MSP430F149单片机能正确接收上位机的指令，然后给区域的照明灯转交相应的指示。
另一部分是根据接收指令控制单灯状态。
4.1上位机通信上位机采用VB语言设计有好的机器界面，可以达到更高的控制要求，较低的成本。
以及满足许多一些控制系统的要求。
我们使用微软VB提供的通信控制文件，只需要很少汇编程序代码，并可以实现数据传输。
MSP430F149单片机单片机采用IARC430语言设计和完成与上位机通信。
上位机监控软件结构流程如图4所示。
图4 上位机监控程序流程图4.2无线收发模块收发器模块的设计是实现监测中心站控制器MSP430F149单片机与下位机控制器AT89C51之间通过无线收发器nRF401芯片的通信连接，实现数据传输。
当收发器模块有发送或接收任务时，单片机通过中断设计来完成，保证控制主程序正常运行[6]。
传输的数据必须符合通信协议，以得到接收器的确认。
因此，我们需要打包数据，并添加头协议，传输长度，检查等。
打包数据可以发送到接口，并通过无线模块转交。
数据标记头是用来表示一个新的数据块的开始;块长度可以保证数据不会丢失。
在编程时，我们应该预先设计的通信协议，并考虑数纠错校验。
纠错校验可以采用求和校验方式或CRC校验方式，除标记头外增加了数据校验，保证接收的数据不会因为环境的干扰而出错。
收发流程如图5所示。
图5 无线收发流程图4.3单灯监控模块单灯监控终端管理模块，主要完成功能的监测控制器和单灯监控地址设置，添加和修改等;单灯状态控制和检测模块，主要完成中心站控制器时间调整，单灯开关控制和状态监测，以及在线设计时间控制，以及夜间灯控制等;失败报警模块，这是实现路灯远程异常，状态不正常，或电流衰竭等记录和声光方式报警，直到用户通知正常后及时处理数据；照明灯评估模块，维护管理模块等。
5 实验及结论本文设计了一种基于电力载波通信和无线通信技术的无线长距离照明控制系统，并以MSP430F149单片机，AT89C51和nRF401等芯片为基础，实现了集中管理和分散控制功能等。
实验结果表明PC机与多工作从站控制器之间的传输距离可以达到1000米，并通过系统试验，完成对实地路灯照明设备的精确控制。
本文主要介绍了无线通信模块和上位机接口模块的硬件和软件设计。
系统采用VB可视化特征设计应用程序，在Windows环境作用下实现照明灯长途自动控制。
系统具有高抗干扰好的扩展性，结构简单，成本低，实用性强许诸多优点[7]。
