基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)的智能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

宋洪儒 王宜懷 楊凡

關(guān)鍵詞： 窄帶物聯(lián)網(wǎng); 智能路燈; 通信模塊; 終端節(jié)點(diǎn); 傳感器; 軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN915.5?34; TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）02?0172?05

Design and implementation of intelligent street lamp control system based on NB?IoT

SONG Hongru1，2， WANG Yihuai1， YANG Fan1，3

（1. School of Computer Science and Technology， Soochow University， Suzhou 215006， China;

2. School of Electrical Engineering， Tongling College， Tongling 244000， China;

3. School of Mathematics and Computer Science， Tongling College， Tongling 244000， China）

Abstract： In allusion to the problems of large energy consumption， weak penetration capability and small coverage scope existing in the wide area Internet of Things used in current street lamp control systems， an intelligent control system based on the narrowband Internet of Things （NB?IoT） technology is designed. In the system taking KL36 as the master control chip， the sensor is used to collect the light intensity， traffic flow information and other parameters， and the information transmission mode using the NB?IoT technology is used to transmit data to the client， so as to intelligently control and manage street lamps. The test results show that the application of the NB?IoT technology in the intelligent street lamp control system has the advantages of strong penetration capability， low power consumption， and stable and reliable operation ， which has a strong practicability and promotion value.

Keywords： NB?IoT; intelligent street lamp; communication module; terminal node; sensor; software design

0 ?引 ?言

隨著建設(shè)節(jié)約型社會(huì)和智慧城市的發(fā)展需求，先進(jìn)的照明控制技術(shù)具有很大的發(fā)展空間。目前路燈控制系統(tǒng)以采用分散手控和時(shí)控方式為主，按照季節(jié)變化手動(dòng)調(diào)整設(shè)置統(tǒng)一的時(shí)刻控制路燈開(kāi)關(guān)。該系統(tǒng)不能根據(jù)當(dāng)時(shí)氣象條件或車流情況自動(dòng)調(diào)整路燈開(kāi)關(guān)，也無(wú)法實(shí)時(shí)反映路燈設(shè)施的工作狀態(tài)，對(duì)運(yùn)行情況不能集中監(jiān)視、記錄和統(tǒng)計(jì)，還存在能源浪費(fèi)、通信信號(hào)差、維護(hù)困難等問(wèn)題[1?2]。窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB?IoT）技術(shù)是新一代物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，與廣域物聯(lián)網(wǎng)相比，具有容量大、覆蓋區(qū)域廣、穿透能力強(qiáng)、生產(chǎn)成本低、功耗低的特點(diǎn)，應(yīng)用到路燈控制系統(tǒng)有安全、可靠、節(jié)約成本等優(yōu)點(diǎn)[3?6]。針對(duì)當(dāng)前路燈控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題，本系統(tǒng)融合傳感器技術(shù)、NB?IoT通信技術(shù)及嵌入式系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)技術(shù)，提出基于NB?IoT技術(shù)的新型智能路燈控制方案。其中，采用的NB?IoT技術(shù)是由蘇州大學(xué)嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室和中國(guó)電信共同研發(fā)，無(wú)線控制模塊是實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的ZigBee模塊和GPRS模塊。系統(tǒng)設(shè)計(jì)按照軟硬件分層設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)出終端節(jié)點(diǎn)層、服務(wù)器層和客戶端層的三層工作結(jié)構(gòu)，結(jié)合NB?IoT技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)城市路燈照明的點(diǎn)?線?面的智能化節(jié)能控制方式?？刂葡到y(tǒng)的功能主要有：

1） 通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)光照強(qiáng)度、車流信息、路燈故障等數(shù)據(jù)的采集。

2） 將采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，選擇路燈的工作模式，并利用NB?IoT無(wú)線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，在客戶端上顯示相關(guān)信息。

3） 根據(jù)客戶端信息的顯示情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的遠(yuǎn)程控制和日常維護(hù)管理，達(dá)到節(jié)能的目的。

1 ?控制系統(tǒng)組成及工作原理

智能路燈控制系統(tǒng)按照工作層次結(jié)構(gòu)，可以分為三層：客戶端層、服務(wù)器層和終端節(jié)點(diǎn)層。智能路燈控制系統(tǒng)如圖1所示。

終端節(jié)點(diǎn)層主要有單燈終端、ZigBee網(wǎng)絡(luò)、協(xié)調(diào)器和GPRS網(wǎng)絡(luò)組成，功能是控制和檢測(cè)路燈的狀態(tài)，接收并執(zhí)行GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的各種控制命令。服務(wù)器層是負(fù)責(zé)監(jiān)聽(tīng)服務(wù)器端口，將終端節(jié)點(diǎn)層發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，根據(jù)數(shù)值的改變來(lái)發(fā)出相應(yīng)的控制命令，把相關(guān)信息發(fā)送到客戶端層。客戶端層主要以數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server為基礎(chǔ)，采用B/S模式的城市照明管理軟件，提供實(shí)時(shí)路燈控制、狀態(tài)顯示、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、報(bào)表生成等功能，實(shí)現(xiàn)路燈智能管理工作。

控制系統(tǒng)基本工作原理是：在數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸中采用的是GPRS網(wǎng)絡(luò)的NB?IoT無(wú)線通信技術(shù)，在底層信息采集與控制采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)。單燈終端內(nèi)含有控制系統(tǒng)需要的各種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過(guò)主控芯片數(shù)據(jù)處理，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將采集到的各類數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器傳送數(shù)據(jù)到GPRS模塊，GPRS模塊利用NB?IoT技術(shù)將接收的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到服務(wù)器層，最終經(jīng)服務(wù)器傳輸?shù)娇蛻舳藢?。同時(shí)也可以將客戶端層發(fā)送的控制命令通過(guò)服務(wù)器層、GPRS網(wǎng)絡(luò)和協(xié)調(diào)器傳遞給ZigBee網(wǎng)絡(luò)，再由ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到各個(gè)單燈終端，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的智能控制。

2 ?終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案

終端節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示，在路燈終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案中，微控制器是終端主控芯片主要接收各個(gè)模塊發(fā)送的信息，根據(jù)信息的情況判斷模塊的工作狀態(tài)，并發(fā)出相應(yīng)的控制命令。ZigBee模塊負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的采集和短距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。電源模塊包含太陽(yáng)能電池板和蓄電池兩部分，主要向微控制器、GPRS模塊和ZigBee模塊提供工作電壓。光敏檢測(cè)模塊主要負(fù)責(zé)采集外界的光照強(qiáng)度信號(hào)，微控制器根據(jù)接收到的光強(qiáng)信號(hào)控制路燈的亮度。同時(shí)，還能判斷路燈是否處于正常工作狀態(tài)，方便路燈的維護(hù)工作。紅外線傳感器模塊用于感應(yīng)路面行駛車輛的情況，在不好的天氣或夜間時(shí)段，根據(jù)紅外線傳感器檢測(cè)該路段車輛的行駛情況，來(lái)調(diào)節(jié)路燈的亮度。電壓/電流檢測(cè)模塊用于檢測(cè)主控芯片及其他模塊的電路是否處于正常工作狀態(tài)[7?8]。報(bào)警電路的作用是當(dāng)其他的模塊出現(xiàn)故障時(shí)，能及時(shí)地發(fā)出報(bào)警信號(hào)，向遠(yuǎn)端的客戶服務(wù)層發(fā)出報(bào)警，便于路燈控制系統(tǒng)的管理和維護(hù)工作。

3 ?終端硬件設(shè)計(jì)

3.1 ?微控制器選型與設(shè)計(jì)

根據(jù)路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，考慮所用I/O引腳個(gè)數(shù)，要實(shí)現(xiàn)的功能要求以及開(kāi)發(fā)成本等因素，微控制器選用恩智浦公司的MKL36Z64VLH4作為主控芯片，采用3.3 V工作電壓。該芯片包括定時(shí)器、DMA、UART和ADC等模塊，具有低功耗、高性能的特點(diǎn)，且能夠滿足設(shè)計(jì)所需功能[9]。I/O分配表如表1所示。

3.2 ?電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊電路如圖3所示，在圖中TPS709系列芯片是低壓降線性穩(wěn)壓器，輸入電壓范圍為2.7～30 V，輸出電壓范圍為1.5～6.5 V，其中EN引腳為高電平時(shí)，芯片正常工作。其中，TPS70933芯片輸出3.3 V電壓，為ZigBee模塊和KL36提供工作電壓，TPS70939芯片輸出3.9 V電壓，為GPRS通信模塊R518芯片提供工作電壓。由于通信模塊不需要實(shí)時(shí)進(jìn)行工作，每隔一定時(shí)間發(fā)送一次信息，由MCU發(fā)送指令控制TPS70939芯片的EN引腳為高電平，R518通電正常工作，EN引腳為低電平，TPS70939芯片停止工作，能達(dá)到低功耗的目的，延遲蓄電池工作時(shí)間。DY1和DY2分別外接太陽(yáng)能電池板和蓄電池，為電源提供6 V輸入電壓，D101二極管作用是當(dāng)太陽(yáng)能板電壓低于蓄電池電壓時(shí)，防止蓄電池反向向太陽(yáng)能電池板送電而消耗電量，導(dǎo)致蓄電池電壓降低和電池板發(fā)熱。電容C101～C104在電路中起濾波和穩(wěn)壓作用[10]。

3.3 ?GPRS通信模塊

GPRS模塊選用的控制芯片是R518芯片，額定電壓為3.9 V，具有高性能、低功耗的特點(diǎn)。GPRS通信模塊電路由R518芯片、輸入電壓保護(hù)電路和射頻電路組成，通信電路如圖4所示。在原理圖中，C201～C204組成輸入電壓保護(hù)電路，板載天線和P202組成無(wú)線射頻電路，TXD，RXD引腳是連接KL36芯片引腳PTE1，PTE2用作通信串口1。其中，輸入電壓保護(hù)電路的主要作用是：由于通信芯片R518工作電壓輸入范圍為3.4～4.2 V，電源提供的電壓為3.9 V，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中輸入電壓會(huì)逐漸降低，為保證VBAT引腳電壓不會(huì)跌落到3.4 V以下，在靠近模塊VBAT輸入端，并聯(lián)一個(gè)C201=100 μF的鉭電容，以及C202～C204為濾波電容，保障R518正常工作[11]。無(wú)線射頻電路的作用是接收無(wú)線信號(hào)，為了能夠更好地調(diào)節(jié)射頻性能，板載天線是用來(lái)接收外部無(wú)線信號(hào)，P202是連接外部天線使用，如果通過(guò)板載天線接收的信號(hào)不能達(dá)到工作要求時(shí)，可以通過(guò)P202連接外部天線增強(qiáng)無(wú)線信號(hào)。

3.4 ?紅外線傳感器模塊和光敏檢測(cè)模塊選型

紅外傳感器選用反射式紅外光電傳感器HOA?1550，它具有靈敏度高，感應(yīng)范圍大、抗干擾能力強(qiáng)以及超低電壓工作模式。有車輛進(jìn)入監(jiān)控范圍時(shí)傳感器就會(huì)向KL36芯片發(fā)出高電平信號(hào)，車輛離開(kāi)監(jiān)控范圍發(fā)送低電平信號(hào)，KL36芯片根據(jù)每個(gè)傳感器發(fā)送來(lái)的信號(hào)，判斷當(dāng)前路段車流情況，控制路燈的強(qiáng)度。光敏傳感器選用MG54，具有價(jià)格便宜、靈敏度高、工作溫度范圍廣的特點(diǎn)。當(dāng)光照環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，會(huì)引起傳感器的感應(yīng)元件輸出的信號(hào)產(chǎn)生變化，這種變化量被采集節(jié)點(diǎn)所采集，經(jīng)過(guò)線性化、物理量回歸等處理，實(shí)現(xiàn)模擬量到中間值的轉(zhuǎn)化，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，得出當(dāng)時(shí)光照強(qiáng)度值。

4 ?終端控制軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)采用嵌入式集成開(kāi)發(fā)環(huán)境KDS?3.0軟件作為終端開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用C語(yǔ)言進(jìn)行程序的編寫。終端控制軟件設(shè)計(jì)主要有KL36芯片底層驅(qū)動(dòng)和主程序，都是采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。

4.1 ?KL36底層驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行KL36芯片底層驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)管腳具體功能分為通用輸入/輸出（General Purpose Input Output，GPIO）模塊，定時(shí)器模塊和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog?to?Digital Converter，ADC）模塊等[12?13]。KL36底層驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)的體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。

Global_var模塊的功能是記錄Main函數(shù)和中斷流程使用的全局變量，方便變量的修改和調(diào)用。Queue/Tag/ComData模塊功能是存儲(chǔ)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理，其中Tag模塊封裝了和網(wǎng)絡(luò)幀相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和處理;Queue模塊使用Tag為隊(duì)列的元素，封裝了隊(duì)列的各種操作，如入隊(duì)、出隊(duì)、清空隊(duì)列、遍歷隊(duì)列等操作，該隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)是數(shù)組;ComData模塊封裝了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)和處理等操作。Uecom模塊通過(guò)調(diào)用GPIO模塊和定時(shí)器模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收功能。中斷服務(wù)處理（Interrupt Service Routines，ISR）通過(guò)調(diào)用定時(shí)器模塊實(shí)現(xiàn)中斷函數(shù)功能。PWM模塊功能是產(chǎn)生PWM信號(hào)控制路燈電壓，調(diào)節(jié)路燈的亮度。A/D模塊是將采集到的光照強(qiáng)度信號(hào)、紅外線信號(hào)、電源電壓信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，傳送到微控制器中。

4.2 ?GPRS通信機(jī)制

GPRS通信方式應(yīng)用的是NB?IOT技術(shù)，其采用IP地址+IMSI號(hào)的方法識(shí)別不同的終端設(shè)備，在每個(gè)終端設(shè)備中IMSI號(hào)是唯一的，在數(shù)據(jù)包中加入目的設(shè)備IP地址，以保證數(shù)據(jù)包能到達(dá)目的設(shè)備并進(jìn)行響應(yīng)。通信中一幀數(shù)據(jù)格式：數(shù)據(jù)總長(zhǎng)為68 B，其中：幀頭占2 B、IMSI號(hào)占15 B、傳輸數(shù)據(jù)占32 B、IP地址占15 B、驗(yàn)證碼占2 B、幀尾占2 B。完成通信首先利用AT指令對(duì)模塊進(jìn)行波特率、IMSI號(hào)、IP地址等信息設(shè)置，信號(hào)的強(qiáng)度能否達(dá)到通信的要求，再根據(jù)NB?IOT技術(shù)通信的要求對(duì)數(shù)據(jù)組幀，由R518芯片完成發(fā)送和接收數(shù)據(jù)工作。為了保證數(shù)據(jù)模塊通信成功，完成數(shù)據(jù)發(fā)送和接收任務(wù)，都設(shè)置了重復(fù)發(fā)送的次數(shù)，能夠避免由于外界干擾引起的數(shù)據(jù)傳輸失敗。

4.3 ?主程序設(shè)計(jì)

主程序設(shè)計(jì)過(guò)程如圖6所示。在終端控制器通電后，首先在主程序中進(jìn)行系統(tǒng)初始化，完成各個(gè)模塊的初始化工作;調(diào)用A/D模塊采集太陽(yáng)電池板電壓/電流、蓄電池電壓;調(diào)用光敏傳感器和紅外線傳感器采集模塊采集光照強(qiáng)度和車流信號(hào)，根據(jù)設(shè)定的閾值判斷路燈是進(jìn)入正常工作模式，還是進(jìn)入節(jié)能工作模式[14]。在進(jìn)入節(jié)能工作模式過(guò)程中根據(jù)光照強(qiáng)度和車流信號(hào)設(shè)置的不同范圍閾值，調(diào)節(jié)PWM信號(hào)控制路燈輸入電壓，調(diào)整燈的亮度，達(dá)到節(jié)能的效果。

5 ?客戶端軟件設(shè)計(jì)

客戶端軟件主要負(fù)責(zé)管理數(shù)據(jù)庫(kù)和將控制指令放入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)和程序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計(jì)采用B/S架構(gòu)的客戶端形式，用戶可以通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)服務(wù)器數(shù)據(jù)資源，數(shù)據(jù)的計(jì)算、管理都在服務(wù)器端完成，易維護(hù)、易擴(kuò)展。由于系統(tǒng)具有較復(fù)雜的圖形圖表顯示、數(shù)據(jù)庫(kù)處理和實(shí)時(shí)交互等，所以軟件體系采用Microsoft Visual Studio 2013 + SQL Server 2005模式設(shè)計(jì)管理界面。智能路燈管理軟件主要分為系統(tǒng)設(shè)置、控制模式、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、路燈信息統(tǒng)計(jì)等部分?？蛻舳塑浖傮w框圖如圖7所示。

6 ?系統(tǒng)測(cè)試

控制系統(tǒng)測(cè)試界面如圖8的自動(dòng)控制界面和圖9的故障管理界面所示。自動(dòng)控制界面能實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的智能控制功能，根據(jù)天氣狀況自動(dòng)調(diào)整路燈的開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)間。故障管理界面功能是提供發(fā)生各種故障分析報(bào)表，如通信模塊故障、路燈故障及維修記錄等。通過(guò)管理界面可以解決路燈的故障自動(dòng)檢查問(wèn)題，節(jié)省人力、物力，提高工作效率。

測(cè)試結(jié)果表明：

1） 智能路燈控制系統(tǒng)能夠滿足城市路面照明的需求，在各種天氣變化的狀況下，采用NB?IoT技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定的、可靠的連續(xù)工作狀態(tài);

2） 控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定控制模式和監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)情況，能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)路燈工作狀態(tài)的改變，根據(jù)光照強(qiáng)度和車流信息的情況，實(shí)現(xiàn)路燈亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)約電能的效果;

3） 通過(guò)客戶端顯示的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)能實(shí)現(xiàn)監(jiān)控當(dāng)前路段車流狀況、路燈工作狀態(tài)，提高對(duì)道路的管理工作效率。

7 ?結(jié) ?論

本文系統(tǒng)通過(guò)采用NB?IoT無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)路燈智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，克服了廣域物聯(lián)網(wǎng)在路燈控制系統(tǒng)中存在的成本高、覆蓋范圍小、功耗高等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了對(duì)路燈的智能化管理和操作，提高了路燈系統(tǒng)的節(jié)能效果，具有很好的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)推廣前景。

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