城市路口灯光互联系统设计研究

摘要：伴随着智慧化城市的浪潮和物联网技术的飞速发展，越来越多智慧型产品涌向市场。针对城市路口照明不良的现状，基于物联网技术设计了一款城市路口灯光互联系统，通过灯光互联系统提高了路口照明的照度及其均匀度，从而达到增加夜间行车时路面亮度，进而加强出行安全性的目的。希望本系统的应用能够为发展智慧城市提供一份新的助力。

关键词：路口；物联网；灯光互联；交通安全

21世纪以来,我国正在加速经济和社会的建设,大量的社会基础设施建设也正在逐步得到完善。随着城市现代化的发展，照明有关设施也逐渐发展起来，在“互联网+”的时代背景下，道路的智能照明是物联网的必然趋势[1]。经过调研发现有些城市十字路口存在照明状况不佳的情况，而且道路交叉口是人流车流交汇之地，道路环境复杂，是交通事故多发之地[2]。随着城市化的进程，如何在有限的道路路况条件下，借助有限的公共基础设施创造出最大化的交通体验是当今智能交通管理系统需要去研究的方向[3]。智能路灯作为智慧城市建设的重要组成部分将发挥更大的作用，将城市路灯作为智慧城市的入口，可以解决城市日益增长的公共照明规模与落后的传统管理方式之间的矛盾[4]。针对城市路口照明不良的现状，基于物联网技术设计了一款由路灯、护栏灯和交通信号灯组成的城市路口灯光互联系统，通过该系统可以使路口照明获得更好的照度及均匀度，从而进一步的保障了车辆和行人的安全。

1方案设计

该系统主要包括路灯、护栏灯、信号灯以及附属功能部分。其中路灯、护栏灯和信号灯构成互联系统，附属功能部分包括广告投放、空气质量检测、车流量检测和应急交通指挥部分。灯光互联系统进行了合理设计后，具有如下主要功能：（1）混合调光：利用传感器对外界照度的变化进行实时的检测，不断调节护栏灯的发光强度，与路灯形成混合照明，为路口提供充足的光照条件。（2）广告投放：在护栏之间设置电子广告屏，进行一些商业或者公益电子广告的宣传。（3）空气质量检测：在护栏和路灯上分别设置了空气质量检测模块，对路口的空气质量状况进行了立体式的监测。（4）应急交通职能：检测交通信号灯是否正常运行，若无法正常运行则开启护栏上的应急交通信号灯，代替原本的交通信号灯行使交通指挥的职能。（5）车流量监测：对路口通过车辆进行监测，从而知晓路口的交通状况。

1.1模拟分析

为更好的设计城市路口灯光互联系统，对城市路口的照明情况情况进行了仿真模拟。使用的光学软件是DIALux，在对路口一比一的还原建模后，分别进行了两次分析，分别是无护栏灯和有护栏灯的情况下，路口模型如图1所示。具体参数如下：路口模型总体大小为92.0m*88.0m，其中机动车道总宽12.0m,路灯模型高为10.0m，相邻的路灯间隔为19.0m,路灯到马路中央直线距离为24.5m，护栏灯高为1.2m，相邻护栏灯间隔为1.2m，护栏灯到马路中央直线距离为20.0m，路灯所采用的是飞利浦的路灯灯具，型号为SGP619P-A11xSCON-TPP250W，光通量为33200lm，功率为276W，护栏灯的模型是自行设计，所采用的LED光源的总光通量为14000lm，总功率为157W路口模型建立完成后取路口中央一块19.0m*19.0m的矩形平面作为计算平面，得到了点照度图和等照度曲线图，如图2和图3所示。图2和图3中(a)为无护栏灯的情况，(b)是有护栏灯的情况。从图2可以发现，在增加了护栏灯后，路口中央的照度值平均值从原本的33lx增加到了36lx，照度值得到了明显的提升。从图3可以看出，经过护栏灯的辅助混合照明，等照度曲线分布更均匀，照度均值为35lx区域更大了，路口的照度分布均匀性得到了改善。

1.2结构设计

硬件部分主要包括STM32F103ZET6，ZigBee模块和传感器模块等，具体如图4所示，其中STM32F103ZET6采用的是意法公司STM32系列中的一款应用广泛的芯片；ZigBee模块的核心芯片是CC2530，该芯片集成了Z⁃Stack协议栈，极大的方便了自组网从而实现模块之间的通讯；传感器模块主要包括了BH1750FVI光照传感器模块、GP2Y1014AU粉尘灰尘传感器模块和INA219电流监控模块等。1.2.1主机模块主机模块使用电脑作为上位机，CH340USB转串口模块将ZigBee模块与电脑连接，电脑上有用Python编写的GUI界面，由护栏模块和路灯+红绿灯模块传送过来的数据将在界面上显示（近、远地空气质量、车流量、信号灯状况），同时还能在此GUI上对路灯的发光强度进行调节，如图5所示。图4系统结构图图5GUI界面1.2.2护栏模块护栏模块主控芯片采用STM32F103ZET6，通过BH1750FVI光照传感器模块对外界光强进行监测得到外界环境实时的照度值，利用PWM技术调节护栏灯的发光强度来将照度值维持在一个特定范围内。利用GP2Y1014AU粉尘灰尘传感器模块检测近地空气的PM2.5含量，此外使用红外传感器模块对车流量进行记录，继而通过ZigBee模块将必要信息发送给主机。系统模型上护栏的广告屏所用的是LCD触摸屏，将所需显示的广告存储在SD卡内，系统运行时由主控芯片进行调用显示。当护栏收到信号灯故障的信号时自动开启应急交通信号灯进行临时的交通指挥，直至原有的交通信号灯恢复正常。1.2.3路灯+红绿灯模块路灯+红绿灯模块采用的主控芯片同样是STM32F103ZET6，为了模拟外界光强的变化，对路灯加入了PWM调节的功能，同样是使用GP2Y1014AU粉尘灰尘传感器模块检测远地空气的PM2.5含量并进行数据发送，INA219电源监控传感器模块可以有效的探测红绿灯线路中的电流变化从而判断红绿灯运行正常与否。

2系统测试与分析

路口灯光互联系统的实物模型如图6所示，首先将系统连接电源，CH340模块连接ZigBee模块后插入电脑的USB接口，电脑上运行用Python编写并且已经打包好的exe程序，弹出一个GUI界面，GUI界面如图5所示，GUI界面上已经搜寻到当前存在的端口号并自动选择，波特率使用默认的15200，单击建立连接按钮，按钮上文本显示成功建立连接。打开模型系统的总电源开关，系统稳定后相关的数值参数将会在GUI上显示。调节滑块的位置，路灯亮度能够跟随滑块位置变化而变化；为了维持亮度在一定的阈值内，护栏灯的发光强度也随着路灯发光强度的变化而改变，灯光互联功能正常。同时TFT-LCD能够不断的更换显示图片，广告功能正常。交通信号灯出现故障，GUI界面会显示信号灯故障，应急信号灯随即打开；如果交通信号灯故障解除，GUI界面显示交通信号灯正常，应急信号灯也随之关闭。当车辆驶过路口，GUI界面车流量数量自动加一，实现车流量检测功能。

3结语

本设计从最初对路口灯光环境不良容易诱发交通安全这一问题出发，响应国家建设智慧城市的号召，基于物联网技术，立足于灯光互联这一基准点，通过设计改善路口灯光照明环境，为司机和行人提供了良好充足的照明，从而提高城市路口的安全性。路口灯光互联系统是一个崭新的多功能的基于物联网的灯光设计，其还具有空气质量检测、公益公告投放、车流量状况采集以及应急交通灯的功能。希望通过本路口灯光系统的设计和开发，为我们国家智慧城市的建设和发展提供一份新的借鉴和参考。

参考文献

[1]陈晓莉,王志铎.基于ZigBee的道路智能照明控制系统设计[J].现代电子,2019,42(12):72-75.

[2]南慧辉.道路交叉口行人出行安全分析——以美国佛罗里达州为例[C].2018中国城市规划年会.

[3]步春江.基于5G+智慧灯杆的区域交通协调优化控制系统功能分析与研究[J].城市道桥与防,2021(04):45-48+12

[4]徐晖.基于物联网技术的智能路灯系统[J].信息通信技术,2018,12(04):47-52.

作者：徐舒成 谢春尧 张佳 杜文兵 郑钰婷 周朕 单位：江苏海洋大学理学院