張余明

(桂林航天工業(yè)學院 計算機科學與工程學院，廣西 桂林 541004)

隨著我國數字化、智慧化城市建設的不斷推進，傳統(tǒng)的路燈控制系統(tǒng)已經成為智慧城市發(fā)展的一個瓶頸。不僅路燈開關燈控制方式單一、亮燈時間時早時晚，而且存在管理巡查維修困難、故障處理不及時等問題，使亮燈率無法保障?？偠灾壳暗某鞘新窡糁悄芑刂萍肮芾沓潭鹊?，從而導致路燈系統(tǒng)能耗高，維護成本高。

傳統(tǒng)的城市路燈控制系統(tǒng)已無法滿足智慧城市管理的需要，本文研究基于NB-IOT的智慧路燈控制系統(tǒng)，采用先進的窄帶物聯網技術(NB-IOT)、嵌入式技術、傳感技術、電源管理技術、云技術等，按需定制、自動調節(jié)，實現城市路燈照明系統(tǒng)的智慧化控制和管理，是現代意義的智慧城市路燈綜合管理系統(tǒng)，將得到廣泛的應用。本系統(tǒng)通過NB-IOT作為數據傳輸途徑，對每盞路燈進行遠程監(jiān)測和智慧化管理，為市政提供具有遠程控制、遠程監(jiān)測、實時自動檢測管理等功能的路燈控制系統(tǒng)，實現有效節(jié)能。本系統(tǒng)是集單燈節(jié)能、監(jiān)控(單燈-四遙：遙控、遙測、遙信、遙調)、防盜報警、智能控制及管理于一體，有效提升城市路燈管控水平與最大化降低公共用電能耗，為智慧城市建設增光添色。

1 系統(tǒng)研究目的及意義

1.1 研究現狀

隨著建設節(jié)約型社會和智慧城市的發(fā)展需求，基于物聯網的照明控制技術具有廣闊的發(fā)展空間。目前路燈控制系統(tǒng)大部分采用集中控制的方式進行控制，無法實現按需、單燈控制。該系統(tǒng)不能根據當前區(qū)域城市環(huán)境或人流情況自動調節(jié)路燈的亮度及開與關,也無法實時反映路燈設備的耗電情況及工作狀態(tài)，對運行情況不能集中監(jiān)控、反饋、處理，還存在能源浪費、維護困難、管理成本高等問題。據統(tǒng)計，目前我國照明用電量占總用電量的22%，長期以來，外部路燈的耗電量占照明總用電量的32%，傳統(tǒng)照明水平和路燈節(jié)能系統(tǒng)水平較低，路燈能耗高，光效低。電費和路燈管理費已經成為政府巨大的財政負擔。

如何更快提高我國的道路照明水平、節(jié)能水平和智能化管理水平，是整個社會，乃至全球節(jié)能減排的重要組成部分。提高道路照明水平，對碳排放、環(huán)境保護和城市霧霾等嚴重的環(huán)境問題都有著十分重要的作用。結果表明，我國的街道照明具有以下特點：城市21∶00以后的大部分公共街道車輛和行人較少，但照明路燈仍然亮著，造成了能源很大一部分的浪費；本系統(tǒng)研究的智慧路燈控制系統(tǒng)可以更好地解決能源浪費問題。

1.2 研究意義

基于NB-IOT的智慧路燈控制系統(tǒng)，采用先進的窄帶物聯網技術、嵌入式技術、傳感技術、云計算技術等，實現城市道路路燈的智慧化控制和管理，有效解決當前路燈控制系統(tǒng)存在的能源浪費、維護困難、管理成本高等問題，是智慧城市建設的需要，本文研究的基于NB-IOT的智慧路燈控制系統(tǒng)將具有很好的社會價值和經濟效益。

2 系統(tǒng)總體設計

2.1 系統(tǒng)總體架構設計

系統(tǒng)總體設計采用分層式架構設計，系統(tǒng)架構設計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構圖

系統(tǒng)主要由單燈控制器、監(jiān)控中心服務器、客戶端等組成。系統(tǒng)按結構分為節(jié)點層、匯聚層、IOT平臺層、云服務層、用戶層等。

第1層為節(jié)點層，主要包括若干單燈控制器，通過NB-IOT通信接收監(jiān)控中心的指令，負責執(zhí)行開、關、調光命令，并監(jiān)控路燈的工作狀態(tài)，采集城市道路路燈的電流、電壓、電量、報警信息等數據，并將所有數據通過空中接口連接到NB-IOT基站。

第2層為匯聚層，主要承擔節(jié)點層單燈控制器的數據接入處理和管理等相關功能，與網絡層進行連接。

第3層為IOT平臺層，負責匯聚層得到的IOT相關數據，并根據數據類型轉發(fā)給云服務層監(jiān)控中心服務器進行具體處理。

第4層為云服務層，負責整個系統(tǒng)的設備管理、控制管理等功能。主要包括路燈控制管理、路燈自動巡檢管理、設備信息管理、地理信息管理、輔助分析等。

第5層為用戶層，包括WEB客戶端、App手機端。WEB客戶端，實現PC端便攜訪問、操控、管理。通過App客戶端實現手機、平板電腦、PAD端便攜訪問、操控、管理[1]。

2.2 系統(tǒng)功能

1)遠程控制與管理：通過NB-IOT接入互聯網實現系統(tǒng)的遠程智能監(jiān)控與管理。

2)多種控制模式：可以通過遠程、PWM、定時等多種控制模式，實現城市路燈系統(tǒng)按需照明。

3)數據采集與檢測：可對路燈系統(tǒng)的燈具及相關設備的電流、電壓、電量數據進行在線、離線、故障狀態(tài)等監(jiān)測，并上傳后臺系統(tǒng)實現故障智能分析。

4)多功能實時報警：對出現的設備故障、斷電、短路、異常開箱及相關設備狀態(tài)異常等問題，可實時進行消息推送及預警、報警。

3 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)硬件設備主要為單燈控制器，它是智慧路燈控制系統(tǒng)的核心組成部分，可通過NB-IOT通信接收監(jiān)控中心的控制信號，執(zhí)行開燈、關燈、燈光亮度調節(jié)等命令，并監(jiān)控路燈的工作狀態(tài)，并實時采集路燈電流、電壓、電量等數據，具有PWM或0～10V調光模式。通訊方式采用NB-IOT通信模式，故障自動報警。硬件設計主要是完成單燈控制器的設計。

3.1 單燈控制器設計

單燈控制器采用分層分模塊的設計方法，逐步實現單燈控制器的核心功能。電路設計采用Altium Designer16設計軟件進行設計。單燈控制器用于照明路燈的控制、分析、檢測，其包括MCU處理器、路燈AC控制、路燈調光、過零檢測、電量檢測、照度檢測、故障檢測模塊、電磁監(jiān)測、AC/DC變換等。單燈控制器設計如圖2所示。

圖2 單燈控制器設計框圖

3.2 MCU處理器設計

MCU處理器設計采用STM32F103嵌入式微處理器，負責單燈控制器的數據處理、分析、控制、監(jiān)控等，通過接收NB-IOT模塊指令，實現路燈的手動控制、PWM調光控制、結合相關傳感器實現自動調節(jié)控制、分析、檢測、監(jiān)控等，同時將采集路燈的相關數據通過NB-IOT模塊上傳監(jiān)控中心，實現城市路燈的智慧管理。MCU處理器電路設計如圖3所示。

3.3 NB-IOT模塊設計

NB-IOT模塊采用BC95模塊，它是一款高性能、低功耗的NB-IOT無線通信模塊。

NB-IOT模塊與MCU處理器通過串口實現數據交互，NB-IOT模塊的復位設計通過MCU處理器進行復位處理。當模塊出現軟件停止響應等情況時，可通過MCU處理器拉低NB-IOT模塊管腳電位，實現模塊復位。NB-IOT模塊射頻信號收發(fā)通過IPEX電纜接口與PCB天線連接，實現小型化設計，接口處采用LC阻抗網絡，實現阻抗匹配設計，保證了信息的低損耗收發(fā)，增加了傳輸距離。為滿足GSM 制式下瞬時大電流的需求，在供電通路上增加了1 000 μF 的低 ESR 儲能電容。另外，在供電通路上增加 22 μF、0.01 μF、220 pF等不同容值的電容，進行濾波，降低干擾，布局時靠近模塊VBAT管腳放置[2]。

圖3 MCU處理器電路設計圖

NB-IOT模塊電路設計如圖4所示。

圖4 NB-IOT模塊電路設計圖

3.4 路燈交流AC控制設計

路燈交流AC控制設計輸出采用MBT3904晶體管控制繼電器的導通，MCU處理器輸出控制信號經電阻送到晶體管基極，當MCU處理器輸出控制信號為高電平時，晶體管導通，繼電器線圈有電流流過，繼電器吸合，繼電器常閉端斷開，常開端導通，交流輸入信號無法輸出至路燈，路燈沒有供電，無法點亮；當MCU處理器輸出控制信號為低電平時，晶體管截止，繼電器線圈沒有電流流過，繼電器不吸合，繼電器常閉端連接，常開端斷開，交流輸入信號通過常閉端給路燈供電，點亮路燈。MCU處理器通過控制晶體管的導通或截止，實現路燈交流AC信號的輸出控制，從而實現路燈的開關控制。路燈AC控制電路設計如圖5所示。

圖5 路燈AC控制電路設計圖

3.5 路燈調光控制設計

路燈調光控制設計采用PWM 調光輸出模式，接收MCU處理器輸出的0～3.3 V PWM調光信號，經100 Hz～1 kHz的帶通濾波網絡，送入運算放大器LM358二級放大后，調整到0～10 V PWM輸出，帶寬為100 Hz～1 kHz，限制了帶寬，減少路燈的頻閃，與路燈交流AC控制輸出一起控制路燈的亮滅及亮度調整。 PWM輸出10 V時，路燈為最亮狀態(tài)；PWM輸出0 V時，路燈熄滅。路燈調光控制電路設計如圖6所示。

圖6 路燈調光控制電路設計圖

3.6 電量檢測設計

電量檢測設計采用高精度單相多功能計量芯片，芯片內置A/D轉換。輸入負載的交流電壓采樣采用電壓互感器變換后經電阻網絡差分輸入至計量芯片，進行量化計算，輸入負載的交流電流采樣采用電流互感器變換后經電阻網絡差分輸入至計量芯片，進行量化計算，最終得出路燈功率、電流、電壓等參數，通過芯片串口傳輸至MCU處理器，進行相關分析、處理，得出路燈消耗的電能及節(jié)能情況。電量檢測電路設計如圖7所示。

圖7 電量檢測電路設計圖

3.7 電磁監(jiān)測設計

電磁監(jiān)測設計主要用于單燈控制器工作在室外的防雷設計。設計采用多級防雷設計，采用壓敏電阻、氣體放電管、高壓瓷片電容、TVS管、安規(guī)電容、復合對稱防雷保護等進行雷擊浪涌設計，達到抗浪涌6～8 kV等級，確保產品安全穩(wěn)定，不受雷擊影響。電磁監(jiān)測電路設計如圖8所示。

圖8 電磁監(jiān)測電路設計圖

3.8 AC/DC電源設計

AC/DC電源設計采用LDO模塊進行穩(wěn)壓調整輸出設計，輸出電源為5 V和3.3 V。采用電容、電感濾波網絡有效濾除紋波成分，達到直流穩(wěn)定的效果。

AC/DC電源設計如圖9所示。

圖9 AC/DC電源電路設計圖

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 監(jiān)控中心與單燈控制通信協(xié)議設計

基于NB-IOT的智慧路燈控制系統(tǒng)通過設計約定的協(xié)議通信，實現預定的功能。監(jiān)控中心與NB-IOT平臺通信，設計COAP協(xié)議進行通信；NB-IOT平臺與單燈控制之間的通信采用自有協(xié)議通信。NB-IOT平臺將協(xié)議信息打包成JAVA格式協(xié)議包轉發(fā)給監(jiān)控中心，實現路燈開、關、調光控制，實現路燈電流、電壓、能量等參數的采集獲取。

4.1.1 監(jiān)控中心與NB-IOT平臺通信架構

監(jiān)控中心與NB-IOT平臺通過COAP協(xié)議通信，實現相關信息推送。由于運營商對NB-IOT卡限制了IP(動態(tài)分配IP，IP在5分鐘內保持不變)，所以需要通過通信轉發(fā)網關，使得路燈單燈控制器能夠訪問任意公網地址(監(jiān)控中心服務器)。本協(xié)議采用COAP通信方式。通信架構如圖10所示。

圖10 通信架構圖

4.1.2NB-IOT平臺與單燈控制器數據采集通信設計

數據采集主要是監(jiān)控中心服務器通過NB-IOT平臺采集單燈控制器相關數據，包括電壓、電流、有功功率等參數。

監(jiān)控中心服務器發(fā)送指令到單燈控制器格式如表1所示。

表1 監(jiān)控中心發(fā)送采集指令格式

4.1.3 NB-IOT平臺與單燈控制器進行控制通信設計

單燈控制主要是監(jiān)控中心服務器通過NB-IOT平臺對單燈控制器進行開關、調光等操作，實現對單燈進行控制。

監(jiān)控中心服務器到單燈控制器指令格式如表2所示。

表2 監(jiān)控中心發(fā)送控制指令格式

4.2 單燈控制器嵌入式軟件設計

單燈控制器嵌入式程序軟件為智慧路燈控制器的內部嵌入式程序，用于智慧路燈控制器實現與NB-IOT平臺、系統(tǒng)服務器、監(jiān)控中心等通信及控制相關外部路燈設備、告警指示等。

4.2.1 軟件架構設計

軟件架構設計用于指導嵌入式軟件各模塊程序連接設計，如圖11所示。

圖11 軟件架構設計圖

4.2.2 MCU主程序模塊程序設計

MCU主程序模塊是嵌入式程序軟件的核心部分，與其他模塊進行相關通信，實現數據收發(fā)控制、開關、調光、報警等功能。MCU主程序模塊負責與NB-IOT無線收發(fā)模塊實現通信，負責接收云端控制指令和控制器相關數據上傳通信，實現無線通信的收發(fā)控制。MCU主程序模塊與路燈AC控制模塊實現開關指令發(fā)送及控制狀態(tài)響應，與路燈調光控制模塊實現調光控制及控制狀態(tài)響應，與電量采集模塊實現路燈電量相關數據采集等。程序工作流程如圖12所示。

圖12 嵌入式程序流程圖

程序主要代碼如下：

int main(void)

{

u8temp_data[4]={0};

Init(); //配置系統(tǒng)時鐘為 72M

LED_Init();

USART1_Config(); //USART1 電量采集

USART2_Config(); //USART2 //設置

USART3_Config(); //USART3 NB通信

LED_GPIO_Config(); //LED 端口初始化

LED2_GPIO_Config(); //指示燈IO初始化

CTRL_GPIO_Config(); //ctrl輸出IO初始化

BC95_Init();

BC95_CoAP();

Clear_Buffer();

PWM1_init(100,36); //分頻PWM頻率=72000/900=80khz

EXTIX_Init();

Timer3_init(1,7200); //預分頻7200，得到10k的計數時鐘

DelayNS(1000);

yuancheng_control();

while (1)

{

BC95_Senddata1();

led0=0;

DelayNS(300000);

led0=1;

DelayNS(300000);

if(com3_flag==1)

{

com3_flag=0;

Clear_Buffer();

}

if((send_nb_flag==1)&&(test_flag==0)) //發(fā)送NB數據定時發(fā)送

{

send_nb_flag=0;

test_flag=1;

BC95_Init();

BC95_CoAP();

}

if(com1_finish==1) //串口1中斷 電量檢測

{receve_test();}

if(com2_finish==1) //串口2中斷 參數設置

{receve_test();}

if(com3_finish==1) //串口3中斷 NB通信

{

com3_finish=0;

collector_to_single_dandeng_kongzhi(); //單燈控制

}

}

}

4.3 NB-IOT平臺設計

本系統(tǒng)開發(fā)借助中國電信物聯網開發(fā)平臺作為中間平臺進行平臺設計開發(fā)。NB-IOT平臺實現對路燈設備的數據統(tǒng)一管理，同時向監(jiān)控中心服務器開放接口，構建物聯網路燈業(yè)務應用系統(tǒng)。

4.3.1 創(chuàng)建項目

平臺登錄后，新建智慧路燈項目。新建項目如圖13所示。

圖13 新建項目

4.3.2 產品開發(fā)

項目建立完成后，進行產品profile(模型)開發(fā)，產品的Profile文件是用來描述一款設備是什么、能做什么以及如何控制該設備的文件。每款產品都需要一個Profile文件。

產品模型(也稱Profile)用于描述設備具備的能力和特性。開發(fā)者通過定義Profile，在物聯網平臺構建一款設備的抽象模型，使平臺理解該款設備支持的服務、屬性、命令等信息。

1)新建服務

根據設備的功能和業(yè)務場景添加服務，每個服務下可以增加屬性(上報的數據)和命令(下發(fā)的命令)，新建服務Deng_To_Pingtai如圖14所示。

圖14 服務Deng_To_Pingtai

新建服務Pingtai_To_Deng如圖15所示。

圖15 服務Pingtai_To_Deng

平臺下發(fā)命令CTRL字段如圖16所示。

圖16 下發(fā)命令CTRL字段

2)編解碼插件開發(fā)

NB-IOT智慧路燈設備和中國電信物聯網開放平臺之間采用CoAP協(xié)議通訊，CoAP消息的數據為應用層數據，應用層數據的格式由設備廠商自行定義。由于NB-IOT設備對省電要求通常較高，所以應用層數據一般采用十六進制格式。一款設備對應一個編解碼插件。

智慧路燈到平臺deng_up_pingtai編解碼插件按照通信協(xié)議進行設置，如圖17所示。

圖17 deng_up_pingtai編解碼插件

平臺到智慧路燈PING_CTRL_DENG編解碼插件按照通信協(xié)議進行設置，如圖18所示。

圖18 PINGTAI_CTRL_DENG編解碼插件

3)在線調測

設備編解碼插件設置完成后，開始設備在線調測，設備在線調測具備設備模擬和應用模擬功能，可以模擬數據上報和命令下發(fā)等場景，對設備、Profile、插件等進行調測。設備上線后，即可開始在線調測，設備在線調測如圖19所示。

圖19 設備在線調測

4)應用調試

應用調試功能模塊用于幫助開發(fā)者使用真實設備或者虛擬設備對應用服務器進行調測。

應用調試如圖20所示。

圖20 應用調試

5 系統(tǒng)測試與分析

5.1 測試目的

測試的目的是為了保障產品的質量。在開發(fā)項目的同時，需要對軟件硬件進行質量管控，聯合測試。測試都是具有一定的測試用例，按照規(guī)定的步驟，對產品、軟件、硬件進行地細致測試，確認是否達到技術指標要求。嚴格適用的試驗測試程序包括：規(guī)定試驗計劃、試驗規(guī)范、試驗性能，試驗數據的記錄和存儲，分析，并詳細解讀回歸分析結果，對軟硬件產品進行嚴格評估。

為了保證系統(tǒng)的設計開發(fā)質量和高可靠性，系統(tǒng)測試就是一個非常重要的步驟。作用在于找出系統(tǒng)設計的缺陷，進行逐步完善和彌補，驗證是否滿足客戶的需求。

5.2 測試方法及內容

5.2.1 測試方法

1)功能測試

系統(tǒng)功能的有效性是決定系統(tǒng)是否正常和滿足設計功能要求(如質量)的一個重要因素，應仔細完成系統(tǒng)功能測試。

2)性能測試

性能測試主要用于測試系統(tǒng)的處理速度，確認軟、硬件的有效性、系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并確認在使用過程中是否存在重大錯誤。

3)環(huán)境適應性測試

環(huán)境適應性測試主要測試系統(tǒng)的高低溫性能、振動性能及跌落性能等環(huán)境適應性性能，檢測設備是否能適應實際工作環(huán)境。

5.2.2 測試內容

1)系統(tǒng)測試環(huán)境搭建

將設計的單燈控制器與模擬路燈設備及路燈電源模塊搭建系統(tǒng)實際測試環(huán)境，進行系統(tǒng)相關功能測試、驗證。設計的單燈控制器設備如圖21所示。系統(tǒng)測試環(huán)境搭建如圖22所示。

圖21 單燈控制器設備

圖22 系統(tǒng)測試環(huán)境

2)遠程開關測試

測試環(huán)境搭建完成后，通過電信物聯網平臺連接監(jiān)控服務器，監(jiān)控服務器按照通信協(xié)議格式發(fā)送指令，實現遠程開關測試。

遠程開關測試如圖23所示。

圖23 遠程開關測試

3)遠程調光測試

測試環(huán)境搭建完成后，通過電信物聯網平臺連接監(jiān)控服務器，監(jiān)控服務器按照通信協(xié)議格式發(fā)送指令，實現遠程調光測試。

遠程調光50%測試如圖24所示。

圖24 遠程調光50%測試圖

遠程調光100%測試如圖25所示。

圖25 遠程調光100%測試圖

遠程調光20%測試如圖26所示。

圖26 遠程調光20%測試圖

5.3 測試結果分析

測試路燈亮度與節(jié)能情況，如表3所示。

表3 路燈亮度與節(jié)能測試結果

經過搭建實際環(huán)境進行系統(tǒng)設計指標測試驗證，從功能測試、性能測試、環(huán)境適應性等各方面進行實際測試，達到系統(tǒng)設計目標，符合設計要求，系統(tǒng)能實現遠程控制、自我調節(jié)，達到節(jié)能目的。

6 結論

該系統(tǒng)通過采用NB-IOT技術及傳感器技術等，對每盞路燈進行遠程監(jiān)控和智慧化管理，不僅使路燈實現了“五遙”控制，而且實現了每盞路燈按需控制，亮度自我調節(jié)，最大化實現綠色節(jié)能目標。在智慧城市的建設中，為市政提供具有遠程控制、遠程監(jiān)測、實時自動檢測管理等功能的路燈控制系統(tǒng)，具有很高的社會價值和經濟效益。