本发明公开了基于卫星定位和协同的智能路灯控制系统和方法，它涉及到智慧城市领域，解决目前传统路灯照明存在的不能按需实时照明的问题。路灯控制系统由安装在车辆或行人携带的终端装置、安装在路灯节点的控制装置和路灯节点组成的智能路灯协同控制网络组成。终端装置采用卫星定位模块获得自己的位置信息，包括位置经纬度、方向和速度，经处理后通过无线链路传递给邻近的路灯节点；路灯节点接收到终端装置发送的位置信息表，根据电子地图与相关路灯节点信息共享，按照既定策略控制路灯的开关。本装置不受其他物体的干扰，不受地形限制，控制精准，解决了路灯的准确照明和实时照明，实现“按需智能照明”和“路灯随身而行”，节能率高。
1.一种基于卫星定位和协同的智能路灯控制系统，包括多个路灯节点、路灯协同控制网络和管理设备，各路灯节点的经纬度和IP地址为固定的已知数据，其特征在于：还包括终端装置，终端装置通过卫星定位获得自身位置信息，将位置信息存储到自身位置信息表中，并将位置信息表输出至邻近路灯节点；所述位置信息包括终端装置所在的经纬度、速度和行进方向，所述邻近路灯节点为与终端装置建立无线连接的最近的路灯节点；
各路灯节点用于接收终端装置的位置信息表、路灯节点的开启/关闭策略和电子地图，根据位置信息表和自身经纬度计算得出终端装置与自身路灯节点距离、到达和离开自身路灯节点的时间，并根据路灯节点的开启/关闭策略控制自身路灯节点的开关；邻近路灯节点还用于根据电子地图将终端装置的位置信息表通过路灯协同控制网络广播到相关路灯节点；所述相关路灯节点为在预设范围终端装置行进路径上可能经过的除邻近路灯节点外的路灯节点；
路灯协同 控制网络用于建立各路灯节点之间的通信网络，并通过通信网络实现各路灯节点之间的数据信息共享；所述数据信息包括终端装置的位置信息表、电子地图和路灯节点的开启/关闭策略；
管理设备用于制定和更新电子地图并通过路灯协同控制网络向各路灯节点下发；还用于制定和更新各路灯节点的开启/关闭策略并通过路灯协同控制网络向各路灯节点下发；
所述电子地图为包含各路灯节点的路灯编号和IP地址的列表；
其中，所述邻近路灯节点还用于根据电子地图将终端装置的位置信息表通过路灯协同控制网络广播到相关路灯节点，具体为：邻近路灯节点根据电子地图和位置信息表确定终端装置行进路径上的相关路灯节点，提取这些路灯节点的IP地址并通过路灯协同控制网络向IP地址对应的相关路灯节点发送终端装置的位置信息。
2.根据权利要求1所述的基于卫星定位和协同的智能路灯控制系统，其特征在于：所述根据位置信息表和自身经纬度计算得出终端装置与邻近路灯节点距离、到达和离开邻近路灯节点的时间，具体为：根据终端装置的经纬度和邻近路灯节点的经纬度计算得出终端装置与邻近路灯节点的距离，根据终端装置与邻近路灯节点的距离、终端装置的速度和行进方向计算得出终端装置到达邻近路灯节点的时间以及离开邻近路灯节点的时间。
3.根据权利要求1所述的基于卫星定位和协同的智能路灯控制系统，其特征在于：所述路灯节点的开启/关闭策略具体为：管理设备分别设定控制各路灯节点的开启/关闭的阈值，并通过路灯协同控制网络分别下发至各路灯节点；所述阈值为时间和距离的组合；
当终端装置距离本路灯节点的距离或者到达本路灯节点的时间小于开启阈值时，路灯节点设置开灯标识并刷新关灯定时；如果关灯定时到，则控制路灯节点关灯；
所述设置开灯标识具体为：根据开灯标识判断路灯节点的亮灭，如果路灯节点为灭，则控制路灯节点开灯并清除开灯标识；如果路灯节点为亮，则清除开灯标识；
所述刷新关灯定时具体为：根据开启/关闭的阈值和位置信息表，计算得出本路灯节点的开启/关闭时刻；根据开启/关闭时刻对开启/关闭时刻寄存器进行刷新，并通过开启/关闭时刻寄存器控制自身路灯节点的亮灭。
4.根据权利要求3所述的基于卫星定位和协同的智能路灯控制系统，其特征在于：各路灯节点还用于分别对周围环境进行照度采集，根据照度、关灯定时和开启/关闭的阈值控制自身路灯节点的亮灭。
5.一种基于卫星定位和协同的智能路灯控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)管理设备分别制定各路灯节点的开启/关闭策略，并通过路灯协同控制网络向各路灯节点预先下发；
(2)终端装置接收卫星信号获取自身位置信息，将位置信息存储到自身位置信息表中，并通过无线链路将位置信息表发送给邻近路灯节点；所述位置信息包括终端装置所在的经纬度、速度和行进方向，所述邻近路灯节点为与终端装置建立无线连接的最近的路灯节点；
(3)邻近路灯节点接收终端装置发送的位置信息表，并对位置信息表的有效性进行判断，若位置信息表无效，则结束本流程；若位置信息表有效，执行步骤(4)；
(4)邻近路灯节点根据位置信息表和电子地图确定终端装置行进路径上的相关路灯节点，提取这些路灯节点的IP地址并存储在相关路灯列表中；所述相关路灯节点为在预设范围内终端装置行进路径上可能经过的除邻近路灯节点外的路灯节点；所述电子地图由管理设备通过路灯协同 控制网络下发至各路灯节点，为包含各路灯节点的路灯编号和IP地址的列表；
(5)邻近路灯节点通过路灯协同控制网络向相关路灯列表中存储的IP地址对应的相关路灯节点广播终端装置的位置信息；
(7)各路灯节点根据位置信息表和自身经纬度计算得出终端装置与自身路灯节点距离、到达和离开自身路灯节点的时间；
(8)各路灯节点根据开启/关闭策略控制自身路灯节点的亮灭。
6.根据权利要求5所述的基于卫星定位和协同的智能路灯控制方法，其特征在于，所述开启/关闭策略为控制各路灯节点的开启/关闭的阈值；所述阈值为时间和距离的组合。
7.根据权利要求6所述的基于卫星定位和协同的智能路灯控制方法，其特征在于，所述步骤(8)具体为：(801)当终端装置距离本路灯节点的距离或者到达本路灯节点的时间小于开灯阈值时，路灯节点设置开灯标识并刷新关灯定时；
(802)路灯节点扫描开灯标识，如果路灯节点为灭，则控制路灯节点开灯并清除开灯标识；如果路灯节点为亮，则仅清除开灯标识；同时，根据开启/关闭的阈值和步骤(5)得到的位置信息表，计算得出本路灯节点的开启/关闭时刻；根据开启/关闭时刻对开启/关闭时刻寄存器进行刷新，并通过开启/关闭时刻寄存器控制自身路灯节点的亮灭。
基于卫星定位和协同的智能路灯控制系统和方法
技术领域
[0001] 本发明涉及智慧城市领域中的一种基于卫星定位和协同的智能路灯控制装置及控制方法，适用于城市道路和小区的“按需照明”的路灯控制，装置不受其他物体的干扰，不受地形限制，准确率高，节能率高。
背景技术
[0002] 传统路灯照明存在不能灵活控制的问题，在深夜时间，路灯如果常亮，会造成电能浪费大、光污染的问题；如果关闭路灯，又给夜间出行的人们造成不便。目前已经有一些路灯照明的控制方法，这些方法采用了传感器等技术对车辆和行人进行检测，降低路灯的照度或关闭路灯，以到达节能的效果。但传感器容易受到外界物体的干扰，效果不佳。路灯照明控制方法主要有：1、震动探测装置，成本低，但易受外界其他因素的干扰，例如动物等，其对外界的灵敏度界限值有较高的要求，一般不单独使用。2、红外探测装置，器件功耗很小，隐蔽性较好，价格低廉，在夜晚很适合，但易受各种热源干扰。红外穿透力差，在小区内由于树木和建筑物增多，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探测器接收。3、多普勒雷达装置，其成本高，需要特定的角度才能完成准确的测量。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种可以按需照明的、不受干扰的智能路灯控制装置及其控制方法，实现路灯的随身照明，到达节能效果。本发明提出了一种新的智慧路灯的原理和设计，基于卫星定位和交互协同概念下的智能路灯控制装置，在车辆和行人使用终端与路灯进行交互协同，对终端进行定位，实现对路灯的按需实时控制。本发明采用“卫星定位+无线局域网+基于协同的路灯控制网络”的方式，解决了路灯的准确照明和实时照明，达到防止干扰，准确节能的效果。
[0004] 本发明所要解决的技术问题是由以下技术方案实现的，一种基于卫星定位和协同的智能路灯控制系统，包括终端装置、多个路灯节点、路灯协同控制网络和管理设备，各路灯节点的经纬度和IP地址为固定的已知数据，
[0005] 终端装置通过卫星定位获得自身位置信息，将位置信息存储到自身位置信息表中，并将位置信息表输出至邻近路灯节点；所述位置信息包括终端装置所在的经纬度、速度和行进方向，所述邻近路灯节点为与终端装置建立无线连接的最近的路灯节点；
[0006] 各路灯节点用于接收终端装置的位置信息表、路灯节点的开启/ 关闭策略和电子地图，根据位置信息表和自身经纬度计算得出终端装置与自身路灯节点距离、到达和离开自身路灯节点的时间，并根据路灯节点的开启/关闭策略控制自身路灯节点的开关；邻近路灯节点还用于根据电子地图将终端装置的位置信息表通过路灯协同控制网络广播到相关路灯节点；所述相关路灯节点为在预设范围终端装置行进路径上可能经过的除邻近路灯节点外的路灯节点；
[0007] 路灯协同控制网络用于建立各路灯节点之间的通信网络，并通过通信网络实现各路灯节点之间的数据信息共享；所述数据信息包括终端装置的位置信息表、电子地图和路灯节点的开启/关闭策略；
[0008] 管理设备用于制定和更新电子地图并通过路灯协同控制网络向各路灯节点下发；还用于制定和更新各路灯节点的开启/关闭策略并通过路灯协同控制网络向各路灯节点下发；所述电子地图为包含各路灯节点的路灯编号和IP地址的列表。
[0009] 一种基于卫星定位和协同的智能路灯控制方法，包括以下步骤：
[0010] (1)管理设备分别制定各路灯节点的开启/关闭策略，并通过路灯协同控制网络向各路灯节点预先下发；
[0011] (2)终端装置接收卫星信号获取自身位置信息，将位置信息存储到自身位置信息表中，并通过无线链路将位置信息表发送给邻近路灯节点；所述位置信息包括终端装置所在的经纬度、速度和行进方向，所述邻近路灯节点为与终端装置建立无线连接的最近的路灯节点；
[0012] (3)邻近路灯节点接收终端装置发送的位置信息表，并对位置信息表的有效性进行判断，若位置信息表无效，则结束本流程；若位置信息表有效，执行步骤(4)；
[0013] (4)邻近路灯节点根据位置信息表和电子地图确定终端装置行进路径上的相关路灯节点，提取这些路灯节点的IP地址并存储在相关路灯列表中；所述相关路灯节点为在预设范围内终端装置行进路径上可能经过的除邻近路灯节点外的路灯节点；所述电子地图由管理设备通过路灯协同控制网络下发至各路灯节点，为包含各路灯节点的路灯编号和IP地址的列表；
[0014] (5)邻近路灯节点通过路灯协同控制网络向相关路灯列表中存储的IP地址对应的相关路灯节点广播终端装置的位置信息；
[0015] (6)相关路灯节点接收终端装置的位置信息；
[0016] (7)各路灯节点根据位置信息表和自身经纬度计算得出终端装置与自身路灯节点距离、到达和离开自身路灯节点的时间；
[0017] (8)各路灯节点根据开启/关闭策略控制自身路灯节点的亮灭。
[0018] 本发明相比背景技术具有如下优点：
[0019] (1)根据终端装置传递来的位置信息来控制路灯节点的开关，行人和车辆的速度不同，路灯节点开启的距离和时间阈值也不同，精确控制路灯节点，实现“按需智能照明”，达到节能效果的最大化。
[0020] (2)终端装置的位置信息在路灯节点间进行共享，协同计算，实现路灯节点联动开启；根据电子地图，数据共享发送至相关路灯节点，避免数据的广播风暴。
[0021] (3)采用路灯协同控制网络实现路灯节点间的信息共享，不需要考虑弯道、路口等复杂路况，即使遮挡，也可以通过网络传递的共享数据来实现本节点数据的采集。达到防止干扰，准确节能的效果。
附图说明
[0022] 图1是本发明的系统组成框图；
[0023] 图2是本发明的终端装置组成原理框图；
[0024] 图3是本发明的路灯节点组成原理框图
[0025] 图4是本发明终端装置的工作原理和工作流程图；
[0026] 图5是本发明路灯节点的工作原理和工作流程图；
[0027] 图6是本发明路灯节点的路灯控制工作流程图。
[0028] 其中，100、终端装置，200、路灯节点，300、路灯协同控制网络，101、卫星定位模块，102、无线通信模块，103、人机接口模块， 104、处理器模块，105、电源模块，201、无线通信模块，202、路灯间通信模块，203、照度检测模块，204、照明控制模块，205、处理器模块，206、供电模块。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
[0030] 如图1所示是本发明的系统组成框图，包括有终端装置100、多个路灯节点200、路 灯协同控制网络300和管理设备。路灯节点分为邻近路灯节点和相关路灯节点，邻近路灯节点为与终端装置建立无线连接的最近的路灯节点；相关路灯节点为在预设范围终端装置行进路径上可能经过的除邻近路灯节点外的路灯节点。
[0031] 终端装置100配置在车辆上或由行人携带，通过无线网络与邻近路灯节点相连接，终端装置100完成车辆或行人的地理位置信息的采集，将位置信息存储到自身位置信息表中，并将位置信息表传递给邻近路路灯节点。
[0032] 邻近路灯节点接收位置信息表，进行照度采集，根据本路灯节点到终端装置的距离、终端的速度和行进方向，计算终端装置到达本路灯节点的时间和距离，按管理设备的下发的开启/关闭策略完成路灯的控制功能。邻近路灯节点与相关路灯节点通过路灯协同控制网络 300相连接，邻近路灯节点根据电子地图将收到的位置信息表通过路灯协同控制网络300发送到相关路灯节点上，实现数据协同管理和控制。
[0033] 路灯协同控制网络通过电力线/通信电缆/WIFI/ZIGBEE等通信方式实现各路灯节点之间的通信网络，实现各路灯节点之间的数据信息共享。所述数据信息包括终端装置的位置信息表、电子地图和路灯节点的开启/关闭策略等。
[0034] 管理设备制定和更新电子地图并通过路灯协同控制网络300向各路灯节点200下发；还用于制定和更新各路灯节点的开启/关闭策略并通过路灯协同控制网络300向各路灯节点200下发；管理设备预设好路灯节点的自身经纬度并通过路灯协同控制网络300向各路灯节点200下发；所述电子地图为包含各路灯节点200的路灯编号和 IP地址的列表。开启/关闭策略为设定的控制各路灯节点的开启/关闭的阈值；所述阈值为时间和距离的组合。
[0035] 当终端装置距离本路灯节点的距离或者到达本路灯节点的时间小于开启阈值时，路灯节点设置开灯标识并刷新关灯定时；如果关灯定时到，则控制路灯节点关灯；
[0036] 所述设置开灯标识具体为：根据开灯标识判断路灯节点的亮灭，如果路灯节点为灭，则控制路灯节点开灯并清除开灯标识；如果路灯节点为亮，则清除开灯标识；
[0037] 所述刷新关灯定时具体为：根据开启/关闭的阈值和位置信息表，计算得出本路灯节点的开启/关闭时刻；根据开启/关闭时刻对开启/ 关闭时刻寄存器进行刷新，并通过开启/关闭时刻寄存器控制自身路灯节点的亮灭。
[0038] 下面描述终端装置100和路灯节点200的结构和工作过程：
[0039] 如图2是本发明的终端装置100组成原理框图，包括有卫星定位模块101、无线通信模块102、人机接口模块103、处理器模块104 和电源模块105。其中卫星定位模块101能够实时接收定位信号，确定终端装置实时的位置数据，包括经纬度、行进方向、速度；无线通信模块102实现终端装置与路灯协同控制网络的无线通信，定时向路灯协同控制网络汇报终端装置的实时位置信息；人机接口模块103完成终端装置路灯控制功能的设置和显示；处理器模块104完成终端装置位置数据的采集、处理和汇报，控制终端装置正常工作。
[0040] 如图3是本发明的路灯节点组成原理框图，包括无线通信模块 201、路灯间通信模块202、照度检测模块203、照明控制模块204、处理器模块205和供电模块206等部分组成。无线通信模块201实现路灯协同控制网络与终端装置的无线通信，接收终端装置发送的实时位置信息，包括经纬度、行进方向、速度；照度检测模块203检测环境光强照度，送至处理器模块；照明控制模块204主要由继电器构成，由处理器模块控制，控制路灯节点的开关；路灯间网络模块202可以利用WIFI等无线通信手段、光纤等通信电缆组成的通信网络，也可以利用电力线通过电力猫等设备组成电力通信网，完成路灯节点间组网通信，实现路灯协同控制网络的终端数据共享以及对路灯的协同控制，建立路灯协同控制网络的通信链路；处理器模块205主要由CPU、存储器和接口电路构成，根据照度、定时器时间和上述的开启/关闭阈值向照明控制模块204发送路灯开关指令，通过照明控制模块204 对路灯节点进行开关，并把终端装置的位置信息向路灯协同控制网络其他较邻近节点广播；供电模块206利用路灯现有的供电电源转化成路灯节点电路所需的直流电源，路灯电源可以是交流电220V电源，也可以是锂电池、太阳能电池等。
[0041] 所述的终端装置和路灯节点的无线连接链路可以是WIFI、 2G/3G/4G、蓝牙、ZigBee等技术实现的网络连接。
[0042] 如图4所示，终端装置100的工作流程如下：
[0043] (1)终端装置初始化系统，读取系统运行参数，启动卫星定位模块101，完成GPS定位系统的启动，启动无线通信模块102，搜索路灯节点200局域网络。
[0044] (2)无线通信模块102搜索到路灯节点200的无线网络后，连接到路灯节点无线网络中。
[0045] (3)处理器模块104通过卫星定位模块101采集定位信息，包括经纬度、方向和速度。
[0046] (4)处理器模块104判断定位信息的准确性，多次采集定位数据，进行处理获得位置信息表。
[0047] (5)处理器模块104通过无线通信模块102与路灯节点200建立的网络，传递位置信息表到路灯节点200的无线网络中。
[0048] 如图5所示，本发明的路灯节点200的工作流程如下：
[0049] (1)邻近路灯节点通过网络连接接收到终端装置100发送的位置信息表，对位置信息表的有效性进行判断，判断其速度的有效性、方向的匹配，若位置信息表无效，则结束本流程；若位置信息表有效，执行步骤(2)；
[0050] (2)邻近路灯节点的处理器模块205读取电子地图，根据位置信息表和电子地图确定终端装置行进路径上的相关路灯节点，提取这些路灯节点的IP地址并存储在相关路灯列表中；所述相关路灯节点为在预设范围内终端装置行进路径上可能经过的除邻近路灯节点外的路灯节点；所述电子地图由管理设备通过路灯协同控制网络下发至各路灯节点，为包含各路灯节点的路灯编号和IP地址的列表；
[0051] (3)邻近路灯节点通过路灯协同控制网络向相关路灯列表中存储的IP地址对应的相关路灯节点广播终端装置的位置信息；
[0052] (4)相关路灯节点接收终端装置的位置信息；
[0053] 相关路灯节点接收到邻近路灯节点发送来的位置信息表后不再进行数据转发，防止广播风暴。通过查询电子地图信息，数据在有限的位置区域内进行共享，同时由于路灯节点的无线覆盖范围也有限，可以确定终端装置的位置信息表不会在路灯协同控制网络中无限远的传输，不会对通信网络造成数据传输造成压力，同时保证数据能有效的传输到其所在位置附近有用的路灯节点上，使系统数据准确有效。
[0054] (5)各路灯节点根据位置信息表和自身经纬度计算得出终端装置与自身路灯节点距离、到达和离开自身路灯节点的时间；并根据开启/关闭策略控制自身路灯节点的亮灭。
[0055] 邻近路灯节点的处理器模块205根据位置信息表计算终端装置与自身路灯节点距离、到达和离开自身路灯节点的时间，在开启/关闭策略的阈值内，开启或关闭路灯节点。在开启路灯节点的时刻，同时根据开启/关闭策略计算本路灯节点灭灯的时间，启动关灯定时器，定时器到路灯节点关闭。所述的开启/关闭策略的阈值是一个组合，包括时间和距离，例如开灯距离本路灯20米或时间为5秒等，灭灯距离为远离本路灯10米或时间为5秒。具体为：
[0056] 当终端装置距离本路灯节点的距离或者到达本路灯节点的时间小于开灯阈值时，路灯节点设置开灯标识并刷新关灯定时；
[0057] 路灯节点扫描开灯标识，如果路灯节点为灭，则控制路灯节点开灯并清除开灯标识；如果路灯节点为亮，则仅清除开灯标识；同时，根据开启/关闭的阈值和步骤(5)得到的位置信息表，计算得出本路灯节点的开启/关闭时刻；根据开启/关闭时刻对开启/关闭时刻寄存器进行刷新，并通过开启/关闭时刻寄存器控制自身路灯节点的亮灭。
[0058] 如图6所示，本发明的路灯节点200的路灯控制工作流程如下：
[0059] (1)判断路灯节点是否有常亮标识，如果有常亮标识，执行步骤(2)；否则，执行步骤(3)；
[0060] (2)判断路灯节点是否已亮，若是，结束本流程；若否，控制继电器开启路灯节点，结束本流程；
[0061] (3)判断路灯节点是否有开灯标识，如果有开灯标识，判断照度是否低于阈值，如果低于阈值，清除开灯标识，执行步骤(2)；否则，执行步骤(4)；如果没有开灯标识，执行步骤(4)；
[0062] (4)读取关灯寄存器数据，判断关灯寄存器是否到时间，如果是，控制继电器关闭路灯节点，结束本流程；否则，直接结束本流程。
