基于NB-IoT的路燈物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)

姚暢 張李元 左少華

摘 要：節(jié)能是智慧城市的重要優(yōu)勢(shì)，城市路燈的安全節(jié)能對(duì)于建設(shè)資源節(jié)約、環(huán)境友好型社會(huì)具有重要意義。為了避免路燈夜晚保持常亮浪費(fèi)電量，又便于工作人員調(diào)控亮度，基于NB-IoT技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)路燈調(diào)光物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，采用Arduino和NB模塊組合的控制板，搭建網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)對(duì)燈光亮度的控制，解決智能調(diào)光與遠(yuǎn)程控制的問(wèn)題，保證夜晚路燈有效管理。

關(guān)鍵詞：NB-IoT;物聯(lián)網(wǎng);智能調(diào)光;路燈;遠(yuǎn)程控制;Arduino

中圖分類號(hào)：TP277文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2019）12-00-04

0 引 言

低碳和節(jié)能都是智慧城市[1]發(fā)展的目標(biāo)。作為城市最重要基礎(chǔ)設(shè)施之一的路燈，其安全節(jié)能對(duì)于建設(shè)資源節(jié)約型[2]、環(huán)境友好型社會(huì)具有重要意義。因此，路燈的智能調(diào)光是智慧城市不可或缺的一部分。然而，目前的路燈缺乏智能特性，晚上保持常亮，浪費(fèi)了大量資源。為了解決這些問(wèn)題，本文提出并設(shè)計(jì)一種基于NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）的路燈調(diào)光物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)符合5G發(fā)展趨勢(shì)。整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）精細(xì)管理：每個(gè)路燈可以獨(dú)立控制。

（2）動(dòng)態(tài)亮度調(diào)節(jié)：可以實(shí)現(xiàn)將路燈亮度從0～100%調(diào)控。

（3）NB-IoT通信技術(shù)：低功耗，速度快，可連接數(shù)目多，更穩(wěn)定。

1 研究背景

智慧城市的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)更安全、更方便、更舒適的運(yùn)營(yíng)，以及更好的能源保護(hù)。因此，城市基礎(chǔ)設(shè)施更加智能化是促進(jìn)智慧城市發(fā)展的必要條件。路燈是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，與安全和能源效率密切相關(guān)。由于每天電量的高能耗，有必要優(yōu)化目前的路燈管理。建設(shè)路燈管理平臺(tái)不僅是智慧城市的重要組成部分，而且可以促進(jìn)“智慧市政”[3]在城市照明業(yè)務(wù)方面的落實(shí)。

傳統(tǒng)的路燈控制[4]主要采用手動(dòng)管理或光感控制，維修期太長(zhǎng)[5]，很難做到遠(yuǎn)程及實(shí)時(shí)控制。此外，當(dāng)前路燈只有開(kāi)、關(guān)兩種狀態(tài)，無(wú)法調(diào)整亮度，造成了一定程度的資源浪費(fèi)。因此有必要采取新的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的控制。

傳統(tǒng)的通信技術(shù)多基于GPRS或ZigBee[6]，但兩者都存在丟包的情況，運(yùn)營(yíng)成本高，而且ZigBee傳輸距離短[7]，不適合遠(yuǎn)距離傳輸。因此，本文設(shè)計(jì)一種基于NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市智能路燈調(diào)光系統(tǒng)，可以在不同時(shí)段控制路燈使其呈現(xiàn)不同亮度，并且可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)亮暗調(diào)節(jié)，減少能量損失，還可隨時(shí)查詢歷史操作數(shù)據(jù)，使路燈成為智慧城市的一部分。

2 需求分析與系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

以往的路燈管理大多是相關(guān)人員巡查、維護(hù)，當(dāng)路燈發(fā)生故障時(shí)，檢修人員無(wú)法精確定位，路燈夜晚處于常亮狀態(tài)，不節(jié)能。針對(duì)存在的問(wèn)題，本文系統(tǒng)做出如下改進(jìn)。

（1）智能調(diào)光：每盞路燈獨(dú)立控制，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)亮度，減少能源消耗，低碳環(huán)保，所有路燈一直受到控制。

（2）NB-IoT網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[8]：在空曠的地區(qū)，5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議可以擁有更好的通信信號(hào)。

（3）平臺(tái)可視化：工作人員可以在Web上實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)控，可隨時(shí)調(diào)節(jié)任何路燈信息。

2.2 NB-IoT技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)通信[9]的發(fā)展促進(jìn)了智能路燈的建設(shè)。例如，GPRS，3G/4G等遠(yuǎn)距離通信;ZigBee，藍(lán)牙，WiFi等近距離通信;適用于工業(yè)數(shù)據(jù)采集或智能家居的局域網(wǎng)絡(luò)等。各種無(wú)線通信技術(shù)有不同的特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，遠(yuǎn)距離通信適用于傳輸距離長(zhǎng)、速度快的場(chǎng)合，但其消耗流量大、功耗高，在非實(shí)時(shí)通信領(lǐng)域有較多弊端。短距離通信功耗小、成本低，但涉及長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，需要部署多個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)復(fù)雜化，降低了穩(wěn)定性。不同無(wú)線通信技術(shù)在傳輸速率和覆蓋范圍方面的特點(diǎn)如圖1所示。

近年來(lái)出現(xiàn)的低功耗廣域網(wǎng)[10]（LPWA）技術(shù)旨在滿足物聯(lián)網(wǎng)中長(zhǎng)距離與低功耗的要求。其覆蓋面廣，成本低，功耗低，連接大，速率快，可靠性高。LPWA包括NB-IoT，LTEeMTC，LoRa，SigFox等多項(xiàng)技術(shù)。

其中，NB-IoT技術(shù)是3GPP引入的一種新無(wú)線電接入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[11]，使用200 kHz的載波技術(shù)。NB-IoT中的不連續(xù)接收基于周期性喚醒，可以使用睡眠模式，節(jié)省電量發(fā)送數(shù)據(jù)。許多用戶設(shè)備（UE）可以由單個(gè)NB-IoT支持，每個(gè)NB-IoT頻道可支持超過(guò)10萬(wàn)個(gè)用戶設(shè)備。因此，數(shù)十億的連接可以通過(guò)NB-IoT添加額外載波支持到網(wǎng)絡(luò)。

2.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

智能路燈控制平臺(tái)基于NB-IoT技術(shù)，由數(shù)據(jù)采集層、通信層、應(yīng)用服務(wù)層和用戶層組成。智慧路燈總體構(gòu)架如圖2所示。

首先進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取，路燈上的傳感器將當(dāng)前路燈亮度的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于控制器，并利用NB-IoT模塊將獲得的數(shù)據(jù)發(fā)送至NB-IoT基站;然后基站將從控制器里獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送至“有人云”平臺(tái)，“有人云”平臺(tái)將數(shù)據(jù)與所搭建的服務(wù)器進(jìn)行連接，接入傳輸來(lái)的底層數(shù)據(jù)，并將其儲(chǔ)存在云端，方便用戶隨時(shí)調(diào)用;最后為用戶調(diào)節(jié)，管理員可以通過(guò)本地網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)Web控制頁(yè)面，對(duì)路燈進(jìn)行相應(yīng)的控制操作，并能實(shí)現(xiàn)任意路燈智能調(diào)光。本文設(shè)計(jì)方案主要有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）智能路燈亮度控制：采用分時(shí)段控制策略，可實(shí)現(xiàn)不同時(shí)間控制道路兩旁路燈亮度變化，在人流量少的區(qū)域適當(dāng)降低亮度，隔桿亮燈，滿足照明需求的同時(shí)達(dá)到節(jié)能的目的。

（2）通信方式采用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，順應(yīng)5G時(shí)代大潮：NB-IoT成本低，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，適合靜止和低移動(dòng)性且需要發(fā)送信息的場(chǎng)合。

（3）靈活的平臺(tái)管理：管理平臺(tái)可以通過(guò)網(wǎng)址訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)輕松、高度自動(dòng)化的控制。

3 硬件終端設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

硬件終端由LED陣列調(diào)光模塊、Arduino控制板、NB-IoT通信模塊組成。NB-IoT模塊用于接收云端發(fā)送的信息，通過(guò)串口將信息傳輸至Arduino控制板，Arduino內(nèi)部寫(xiě)入的程序會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)行，最終得到一個(gè)PWM波的輸出，使LED燈列的電壓產(chǎn)生相應(yīng)變化，改變燈的亮度。

3.1 調(diào)光模塊

路燈的LED燈列模塊采用可調(diào)光LED燈控制板，電路內(nèi)部芯片原理如圖3所示。其中，芯片采用PT4115，其DIM端可外接PWM脈或根據(jù)電壓調(diào)光。采用Arduino模塊錄入調(diào)光程序，產(chǎn)生PWM波，輸出到DIM端實(shí)現(xiàn)控制。在電源的輸入端，二極管構(gòu)成整流電路，整流電路將交流電整流成直流電，并對(duì)直流電進(jìn)行極性轉(zhuǎn)換效應(yīng)。IC輸入電壓為5～24 V，最大輸出電流為0.7 A。

3.2 NB-IoT模塊

NB-IoT無(wú)線通信模塊包括NB73模組，內(nèi)置SIM卡座、串口電路、濾波天線、復(fù)位電路，并通過(guò)外接電源供電。NB73模塊的推薦工作電壓為3.8 V。由于不能直接使用5 V電源，本文設(shè)計(jì)一個(gè)電壓調(diào)節(jié)模塊，利用MP1482芯片將電壓調(diào)整為3.8 V再傳至NB73模塊。NB73模塊樣品如圖4所示。NB73模塊將主控制板傳輸?shù)穆窡魧?shí)時(shí)亮度信息通過(guò)Internet發(fā)送至“有人云”云端（且不需要用AT指令發(fā)送數(shù)據(jù)），再通過(guò)自己設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)接收端得到數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)還可接收用戶通過(guò)Internet發(fā)送的控制指令，并將用戶發(fā)送的指令通過(guò)串口傳輸?shù)紸rduino開(kāi)發(fā)板。

3.3 控制板

整個(gè)控制板包括Arduino-MEGA2560模塊、NB-IoT模塊與調(diào)光模塊?？刂瓢逵布K端設(shè)計(jì)如圖5所示。其中，DC供電接口單元與12 V鋰電池相連供電;LED燈列與LED接口單元相連;PWM調(diào)光單元用來(lái)調(diào)節(jié)燈光亮度;NB73電源單元將12 V直流供電電壓轉(zhuǎn)換為3.8 V，用于NB73模塊的供電;NB73模塊中包含內(nèi)置SIM卡與天線部分;按鍵與指示燈單元用于控制板運(yùn)行的檢測(cè)與調(diào)試。同時(shí)，將NB-IoT模塊作為拓展板放在控制板上，與控制板共用電源。用戶在網(wǎng)頁(yè)發(fā)送的信息經(jīng)過(guò)云平臺(tái)進(jìn)入NB-IoT模塊，NB模塊通過(guò)串口將信息傳輸至Arduino，最終反饋到燈列上，LED的亮度發(fā)生相應(yīng)變化。

4 控制器軟件設(shè)計(jì)

智慧路燈調(diào)光平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)主要包括路燈控制終端控制程序，IoT云平臺(tái)以及網(wǎng)絡(luò)客戶端頁(yè)面設(shè)計(jì)。

4.1 路燈控制終端軟件設(shè)計(jì)

路燈控制終端與IoT云平臺(tái)之間通過(guò)CoAP進(jìn)行通信。主控制器上的相關(guān)數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送至NB-IoT模塊。NB-IoT模塊通過(guò)基站將數(shù)據(jù)傳送至“有人云”平臺(tái)。有人云平臺(tái)與搭建的網(wǎng)絡(luò)接收器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，利用REST-API存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，從而最終呈現(xiàn)在網(wǎng)頁(yè)上供管理者查閱。

控制終端的軟件實(shí)現(xiàn)流程如圖6所示，在主程序中設(shè)定一個(gè)全局變量loop_flag，當(dāng)沒(méi)有命令傳輸時(shí)，變量始終為0，程序處在一個(gè)死循環(huán)中。當(dāng)用戶發(fā)送指令時(shí)，子程序中會(huì)給變量賦予特殊值，返回進(jìn)入主程序的循環(huán)中并執(zhí)行，當(dāng)命令執(zhí)行完成后，變量的值重新變?yōu)?，主程序回到死循環(huán)，防止產(chǎn)生錯(cuò)誤信息，當(dāng)下一個(gè)指令到來(lái)時(shí)再執(zhí)行相應(yīng)步驟。此協(xié)議中設(shè)定了多重控制語(yǔ)句，可用于多項(xiàng)功能的執(zhí)行，不斷豐富智能路燈的智能程度。

路燈控制流程主要利用搭建的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。首先，用戶可以通過(guò)網(wǎng)址訪問(wèn)頁(yè)面完成登錄。然后，用戶可以選擇需要獲取的信息進(jìn)入相應(yīng)頁(yè)面，平臺(tái)將用戶的命令發(fā)送至“有人云”平臺(tái)，從中獲取數(shù)據(jù);“有人云”平臺(tái)將所需數(shù)據(jù)的軟件開(kāi)發(fā)包發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，平臺(tái)將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給用戶。最后，將網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)獲取的數(shù)據(jù)與REST API進(jìn)行交互，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在自己的數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)用戶希望再次查詢歷史記錄時(shí)，可直接通過(guò)平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行查詢而不需要經(jīng)過(guò)云端。路燈控制流程如圖7所示。

4.2 PoleCloud平臺(tái)

PoleCloud平臺(tái)系統(tǒng)是本文自行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)，支持NB-IoT模塊“WH-NB73”（山東有人信息技術(shù)有限公司生產(chǎn)）的接入。平臺(tái)提供Web服務(wù)和REST API服務(wù)，具有用戶交互、遠(yuǎn)程終端控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)查詢等功能。該平臺(tái)通過(guò)”WH-NB73”模塊廠商的API接口（“有人云”）與模塊通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)與終端各個(gè)硬件組件的互聯(lián)。用戶通過(guò)訪問(wèn)平臺(tái)Web服務(wù)器，在網(wǎng)頁(yè)界面執(zhí)行控制操作和數(shù)據(jù)訪問(wèn)。RESTful API服務(wù)器部署MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，提供數(shù)據(jù)寫(xiě)入、讀取、修改及刪除操作的程序接口。

5 系統(tǒng)測(cè)試

5.1 Web交互界面

用戶輸入網(wǎng)址后進(jìn)入登錄界面。登錄后，可看到當(dāng)前基站所部署的位置，如圖8所示。其標(biāo)記便是當(dāng)前使用的NB-IoT基站所在之處。另外，還可在不同地點(diǎn)設(shè)定觀測(cè)點(diǎn)，方便測(cè)量其他信息，豐富智能城市的理念。點(diǎn)擊想了解的觀測(cè)點(diǎn)（此處以LED智能調(diào)光為例）可進(jìn)入控制界面，控制界面如圖9所示。

頁(yè)面上方顯示當(dāng)前點(diǎn)開(kāi)的是第幾個(gè)NB-IoT模塊及其編號(hào)。點(diǎn)擊“connect”，打開(kāi)要控制的模塊（此處為L(zhǎng)ED模塊）后便可以開(kāi)始調(diào)控。調(diào)控方式有兩種。

（1）在“info of node”模塊，用戶可以通過(guò)代碼實(shí)現(xiàn)燈光亮度的調(diào)節(jié)，所用的命令語(yǔ)句是設(shè)置好的編譯格式。管理員還可通過(guò)查看Arduino串口接收器判斷命令是否成功發(fā)送。

（2）除了代碼控制，本文還設(shè)置了0～100%的進(jìn)度條，方便管理人員進(jìn)行調(diào)控，拖動(dòng)進(jìn)度條便可改變燈的亮度。調(diào)光完成后，點(diǎn)擊“disconnect”就可以退出網(wǎng)絡(luò)與NB-IoT模塊的連接。

5.2 調(diào)光測(cè)試

本文以庭院燈作為測(cè)試工具，測(cè)試實(shí)物如圖10所示。通過(guò)Web端發(fā)送指令，觀察0，25%，50%，75%，100%時(shí)的亮度變化（定義燈的亮度從0～100%表示從關(guān)到全亮）。數(shù)據(jù)發(fā)送至REST API平臺(tái)，按照事先設(shè)定好的協(xié)議解析接收的信息，通過(guò)NB-IoT模塊最終到達(dá)燈列。通過(guò)對(duì)燈實(shí)際亮度的比較，發(fā)現(xiàn)其基本與上傳的數(shù)據(jù)相符。庭院燈測(cè)試實(shí)際亮度如圖11所示。

6 結(jié) 語(yǔ)

為了順應(yīng)5G時(shí)代的到來(lái)，建設(shè)智慧型城市，踐行可持續(xù)發(fā)展原則，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于NB-IoT的路燈調(diào)光物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)，主要通過(guò)LED燈列硬件電路模塊的實(shí)現(xiàn)和NB-IoT通信、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的搭建，最終實(shí)現(xiàn)了通過(guò)IoT云平臺(tái)對(duì)燈的亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，并通過(guò)Web界面將路燈的亮度信息呈現(xiàn)給用戶，用戶還可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)對(duì)燈光進(jìn)行可控調(diào)節(jié)，并可獲取以往調(diào)節(jié)的歷史記錄。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，調(diào)光系統(tǒng)可以高效精確地實(shí)現(xiàn)用戶指令，且未出現(xiàn)延遲效果。雖然本文僅使用一個(gè)庭院燈作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，但整體技術(shù)已經(jīng)較為完備，實(shí)現(xiàn)原理與路燈并無(wú)較多差異。在建設(shè)智慧城市的道路上，智慧路燈將會(huì)是非常重要的一部分，未來(lái)，還可從以下方面考慮：

（1）實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)路燈的實(shí)時(shí)控制;

（2）在路燈中添加一些傳感器模塊（如定位[12]、故障檢測(cè)及報(bào)警），將智慧路燈系統(tǒng)做得更加完善;

（3）實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能供電，減少能源消耗。

因此，基于NB-IoT的智能路燈控制系統(tǒng)可以為城市生活提供更多便利，有助于可持續(xù)發(fā)展的實(shí)踐。

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