周萬禹　桂永杰　焦東海　朱平平

摘 要：能源是一座城市的發(fā)展之本，隨著智慧城市建設(shè)的普及，如何將智能與節(jié)能相結(jié)合成為了研究的重中之重。針對傳統(tǒng)路燈能源浪費(fèi)大、管理不便以及人工巡檢成本高的問題，文中設(shè)計一種基于NB-IoT的智慧路燈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以根據(jù)環(huán)境的明暗程度自動開啟或關(guān)閉路燈，用戶同時可以在云端對路燈遠(yuǎn)程管理。系統(tǒng)以STM32L4為主控芯片，通過NB-IoT無線通信模塊上傳和下發(fā)指令，設(shè)備接入華為OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺使得用戶可以對路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)功能完備，工作穩(wěn)定性較好。

關(guān)鍵詞：STM32;物聯(lián)網(wǎng);NB-IoT;路燈;智能調(diào)光;智慧城市

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）07-00-03

0 引 言

能源是一座城市的發(fā)展之本，它決定著也限制著一座城市未來的發(fā)展走勢[1]。隨著智慧城市建設(shè)的普及，如何將智能與節(jié)能相結(jié)合成為了研究的重中之重。傳統(tǒng)的城市路燈照明系統(tǒng)往往通過制定道路照明開關(guān)時刻表來控制路燈的開啟或關(guān)閉[2]，然而每天的日出日落時間都會發(fā)生變化，并且環(huán)境的明暗程度會受到天氣的影響，因此在這種路燈控制方法下，容易造成環(huán)境昏暗時路燈不亮、環(huán)境明亮?xí)r路燈卻早早亮起的情況出現(xiàn)，對能源造成了極大的浪費(fèi);同時存在對路燈操作不便、人工巡檢投入大以及管理效率低下等問題[3]。

針對這一現(xiàn)象，本文研究并設(shè)計了一種基于NB-IoT的智慧路燈照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32L4為主控芯片，通過光敏傳感器自動采集當(dāng)前環(huán)境下的光照強(qiáng)度，當(dāng)光強(qiáng)低于閾值時自動開啟照明，并通過NB-IoT將光強(qiáng)數(shù)據(jù)上報至云端服務(wù)器;用戶可登錄云端手動控制路燈的開啟或關(guān)閉，并可查看路燈的照明狀態(tài)，在便于管理的同時也降低了人共巡檢成本。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

智慧路燈照明系統(tǒng)的功能包括路燈根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)自動開啟或關(guān)閉、云端對路燈下發(fā)指令以及遠(yuǎn)程監(jiān)控路燈工作狀態(tài)。系統(tǒng)主要由路燈終端和云端服務(wù)器組成。路燈終端由光強(qiáng)傳感器和NB-IoT模塊構(gòu)成。用戶可登錄云端服務(wù)器實(shí)時的遠(yuǎn)程觀測路燈的工作狀態(tài)以及采集到的光強(qiáng)，并可以手動向路燈終端下發(fā)開燈或關(guān)燈的指令。該系統(tǒng)的總體原理框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 NB-IoT無線通信模塊

本系統(tǒng)采用NB-IoT無線通信模塊BC35-G。BC35-G是一款高性能、低功耗的多頻段NB-IoT無線通信模塊，支持B1/B3/B8/B5/B20/B28 頻段。其尺寸僅為23.6 mm×

19.9 mm×2.2 mm，能夠有效地減小產(chǎn)品尺寸并優(yōu)化產(chǎn)品成本。BC35-G在設(shè)計上兼容移遠(yuǎn)通信GSM/GPRS系列的M35 模塊和LPWA系列的BC95模塊，便于快速、靈活的進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計和升級[4-5]。主控芯片STM32通過串口向BC35發(fā)送AT指令從而實(shí)現(xiàn)對模塊的控制，STM3的TXD和RXD引腳分別與BC35的RXD和TXD引腳相連接。其接口電路如圖2所示。

2.2 光強(qiáng)傳感器模塊

該系統(tǒng)采用BH1750FVI光照強(qiáng)度傳感器。BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字式光強(qiáng)度傳感器，采集范圍可達(dá)1～65 535 Lux，采用標(biāo)準(zhǔn)的I2C總線傳輸方式[6-7]。

主控芯片STM32通過I2C總線向傳感器發(fā)送起始信號，并向傳感器發(fā)送設(shè)備地址和寫信號，發(fā)送完畢后主機(jī)等待傳感器應(yīng)答，應(yīng)答后主機(jī)向從機(jī)發(fā)送內(nèi)部寄存器地址，主機(jī)等待傳感器應(yīng)答。傳感器第一次測量完成的時間不大于180 ms，讀取BH1750的16位數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)為高位和低位，首先讀取高位數(shù)據(jù)（15：8），并發(fā)送應(yīng)答，再讀取低位數(shù)據(jù)（7：0），不向主機(jī)發(fā)送應(yīng)答，主機(jī)停止發(fā)送信號，采集過程結(jié)束。

2.3 照明模塊

系統(tǒng)以發(fā)光二極管模擬路燈終端，為使發(fā)光二極管能夠穩(wěn)定照明，系統(tǒng)使用PT4211E23E芯片為發(fā)光二極管恒流驅(qū)動，PT4211E23E芯片具有較為良好的恒流驅(qū)動效果，因此將此芯片應(yīng)用在照明模塊中。其電路如圖3所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括一下幾個任務(wù)：光照強(qiáng)度的獲取、NB-IoT模塊信息的發(fā)送與接收、LCD模塊的顯示以及照明模塊的控制等。智慧路燈照明系統(tǒng)的軟件工作流程如圖4所示。

3.2 NB-INB-IoT模塊程序設(shè)計

系統(tǒng)采用TCP發(fā)送數(shù)據(jù)至服務(wù)器。首先發(fā)送AT檢查端口是否正常，返回“OK”則代表模塊工作正常;發(fā)送AT+CIMI查詢SIM卡的IMSI號，并檢測SIM卡是否正常插上;發(fā)送AT+CGSN=1獲取設(shè)備的IMEI[8];發(fā)送AT+CSQ獲取網(wǎng)絡(luò)的信號強(qiáng)度;發(fā)送AT+CEREG？獲取模塊的注網(wǎng)狀態(tài)，若返回“1”則代表成功附著至NB網(wǎng)絡(luò)[9];發(fā)送AT+NSOCO=2，48.100.152.3，4528創(chuàng)建TCP連接，服務(wù)器IP地址為48.100.152.3，端口號為4528;發(fā)送AT+CIPSEND向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。

3.3 云端服務(wù)器設(shè)計

系統(tǒng)采用華為OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)平臺。OceanConnect 是華為公司基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)打造的開放生態(tài)環(huán)境。OceanConnect 圍繞著華為IoT聯(lián)接管理平臺，提供了170多種開放API和系列化Agent幫助用戶加速應(yīng)用上線，簡化終端接入，保障網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，實(shí)現(xiàn)與上下游伙伴產(chǎn)品的無縫聯(lián)接，同時提供面向用戶的一站式服務(wù)，包括各類技術(shù)支持、營銷支持和商業(yè)合作[10]。

Web端服務(wù)器的開發(fā)分為開發(fā)Profile文件以及開發(fā)編解碼插件[11]。進(jìn)入OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)平臺管理中心后，首先點(diǎn)擊新建項(xiàng)目，然后選擇自定義產(chǎn)品選項(xiàng)，填寫相關(guān)信息后成功創(chuàng)建產(chǎn)品。在Profile定義中新增名稱為“Agriculture”的服務(wù)，在該項(xiàng)服務(wù)下新增名稱為“Temperatue”“Humidity”和“Luminance”的屬性，數(shù)據(jù)類型選擇為“int”，勾選全部訪問模式“RWE”。接下來點(diǎn)擊添加命令，輸入命令名稱為“Set_LED”，通過該命令實(shí)現(xiàn)云端對路等終端亮滅燈的控制。

4 測試結(jié)果與分析

系統(tǒng)上電后，路燈終端首先會進(jìn)行初始化操作，同時NB-IoT無線通信模塊附著至NB網(wǎng)絡(luò)，在OceanConnect物聯(lián)網(wǎng)管理平臺則會看到相應(yīng)的設(shè)備上線。路燈終端開始正常工作后，將實(shí)時采集當(dāng)前環(huán)境的光照強(qiáng)度，并將光強(qiáng)數(shù)據(jù)上報至OceanConnect管理平臺，當(dāng)環(huán)境的光強(qiáng)小于開燈閾值或大于熄燈閾值時，路燈則會做出相應(yīng)的開關(guān)燈操作。同時用戶可通過OceanConnnect管理平臺手動向路燈終端下發(fā)開燈或熄燈的命令，測試效果如圖6和圖7所示。

5 結(jié) 語

文中研究并設(shè)計了基于NB-IoT的智慧路燈控制系統(tǒng)。對智慧路燈控制系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，包括光照強(qiáng)度采集模塊、信息的無線傳輸模塊以及云端服務(wù)器平臺，并對系統(tǒng)進(jìn)行了試驗(yàn)測試。結(jié)果顯示：該系統(tǒng)功能較為完備，通過路燈終端與云端管理平臺相配合實(shí)現(xiàn)了對路燈的智能控制。

參考文獻(xiàn)

[1]何偉，劉帥，宋國君.城市能源利用效率評估[J].統(tǒng)計與決策，2019，35（24）：64-67.

[2]黃小瑩.市政路燈工程在城市建設(shè)節(jié)能方面的要點(diǎn)分析[J].建材與裝飾，2018（24）：99.

[3]劉瑛華.談LED路燈在城市道路照明中的應(yīng)用[J].中國高新區(qū)，2017（13）：25.

[4]梁志勛，施運(yùn)應(yīng)，阮忠.基于NB-IoT小型智能家居系統(tǒng)的設(shè)計[J].廣西科技大學(xué)學(xué)報，2020（1）：92-96.

[5]王騰，金純，黃瓊.應(yīng)用于NB-IoT/WLAN/WiMAX的多頻微帶天線[J].電子器件，2019，42（6）：1518-1521.

[6]楊世權(quán)，張謙述，周聰.多路BH1750光強(qiáng)檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J].太原學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，36（4）：59-63.

[7]肖振興，傅以盤，王興仁，等.基于BH175FVI溫室種植大棚光照監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)使用與維修，2019（9）：1-4.

[8]姚暢，張李元，左少華.基于NB-IoT的路燈物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019，9（12）：94-97.

[9]王延文，何赫，趙志杰，等. 基于多傳感器的空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].電子器件，2019，42（4）：1012-1017.

[10]董藝杰.基于云平臺的物聯(lián)網(wǎng)可信接入安全分析[J].信息通信，2019（1）：277-279.

[11]李艷嬌，李莉，羅漢文，等.基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].上海師范大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2019，48（1）：26-32.