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(jì)與實(shí)現(xiàn)

李艷嬌 李莉 羅漢文 許暉

摘 要： 針對(duì)路燈集中控制不方便、信息監(jiān)控不及時(shí)、人力巡檢方式效率低等傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題，提出了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.該方案利用主控STM32L431 RCT6芯片，連接了華為物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)，在應(yīng)用端開(kāi)發(fā)了應(yīng)用程序（APP）對(duì)路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)路燈的實(shí)時(shí)監(jiān)控及智能化控制.

關(guān)鍵詞： 窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）; 路燈監(jiān)控; STM32L431 RCT6芯片

中圖分類號(hào)： TN 929.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 1000-5137（2019）01-0026-07

Abstract： For the application problems of traditional street light system，such as inconvenient centralized control，untimely information monitoring and low efficiency of human inspection，it proposed an improved street light monitoring design scheme based on narrow band internet of things （NB-IoT） technology.The solution was based on the main control chip STM32L431 RCT6，which was connected to the management platform of Huawei，and performed the real-time monitoring of street light remotely on the program of the application （APP）.The experimental results showed that the system fulfilled the real-time monitoring and intelligent control of street light.

Key words： narrow band internet of things （NB-IoT）; street light monitoring; STM32L431 RCT6 chip

0 引 言

路燈作為智慧城市建設(shè)必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，直接反映一個(gè)城市建設(shè)的水平[1].傳統(tǒng)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)一般采取線路集中控制、人力巡檢、電腦端監(jiān)控等方式，在實(shí)際應(yīng)用中不能實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的精準(zhǔn)化管理.劉鳳霞等[2]提出了一種ZigBee結(jié)合通用分組無(wú)線服務(wù)（GPRS）技術(shù)的智能路燈控制系統(tǒng)，基于單片機(jī)，將傳感器節(jié)點(diǎn)和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)融合，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸、電腦監(jiān)控及實(shí)時(shí)查看等功能.但是這種方式需要部署網(wǎng)關(guān)控制路燈，成本高，組網(wǎng)難度高，操作、管理麻煩.王曉暉等[3]提出了一種基于遠(yuǎn)距離無(wú)線電（LoRa）技術(shù)的遠(yuǎn)距離智能照明系統(tǒng)，雖然解決了傳輸距離局限性問(wèn)題，但延時(shí)較長(zhǎng)，易受電波干擾，可靠性較差.

針對(duì)以上問(wèn)題，本文作者提出了一種基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)無(wú)需重新組網(wǎng)，射頻和天線也基本都是復(fù)用，并且抗干擾性好，低功耗，低成本.通過(guò)連接華為物聯(lián)網(wǎng)OceanConnect管理平臺(tái)，連接路燈終端與監(jiān)控中心，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)每一盞路燈進(jìn)行管控、監(jiān)測(cè)及故障定位，節(jié)省了運(yùn)維成本，增加了經(jīng)濟(jì)效益，提升了路燈監(jiān)控智能化管理的水平，滿足了智慧城市設(shè)施智能化、治理精細(xì)化的要求.

1 基于NB-IoT技術(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

NB-IoT路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)架構(gòu)圖如圖1所示，包括路燈終端、NB-IoT網(wǎng)絡(luò)、OceanConnect平臺(tái)和監(jiān)控中心4個(gè)層次結(jié)構(gòu).

路燈終端集成了NB-IoT通信模組的單燈控制器裝置.該裝置包括路燈設(shè)備（內(nèi)置傳感器）、主控芯片、NB-IoT通信模組和電源模塊.通過(guò)NB-IoT通信模組與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信，用以控制每盞路燈的開(kāi)、關(guān)，以及采集路燈信息.

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)包括NB-IoT技術(shù)與核心網(wǎng).該網(wǎng)絡(luò)采用先進(jìn)的NB-IoT低功耗廣域通信技術(shù)，授權(quán)無(wú)線頻譜資源，采用電信級(jí)端到端的安全技術(shù)，保障數(shù)據(jù)和接入方式的安全.

OceanConnect平臺(tái)是華為的物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái).該平臺(tái)擁有豐富的協(xié)議適配能力，支持海量多樣化路燈設(shè)備接入，能實(shí)現(xiàn)不同類型路燈設(shè)備及不同監(jiān)控中心的統(tǒng)一接入和管理，以確?；ヂ?lián)互通.

監(jiān)控中心包括手機(jī)應(yīng)用程序（APP）和服務(wù)器.管理員可以通過(guò)服務(wù)器中心驗(yàn)證身份后，在手機(jī)APP端進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息監(jiān)測(cè)和存儲(chǔ).

1.2 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)

NB-IoT是一種新的窄帶蜂窩通信低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）技術(shù)，具有覆蓋廣、多連接、功耗低、成本低等特點(diǎn)[4].其與LoRa及ZigBee技術(shù)的性能特點(diǎn)對(duì)比如表1所示.

2 NB-IoT端到端集成開(kāi)發(fā)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

NB-IoT路燈監(jiān)控系統(tǒng)的路燈終端由主控芯片（STM32L431 RCT6）、NB-IoT通信模組（BC35-G）、光照傳感器（BH1750）、溫濕度傳感器（DHT11）、全球定位系統(tǒng)（GPS）傳感器，以及電源模塊構(gòu)成，組成結(jié)構(gòu)如圖2所示.

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 數(shù)據(jù)通信協(xié)議選擇

路燈終端和OceanConnect平臺(tái)之間采用受限制的應(yīng)用協(xié)議 （CoAP）[8]，該協(xié)議是一種應(yīng)用層通信協(xié)議，遵循客戶端/服務(wù)器（C/S）架構(gòu)，基于UDP傳輸，無(wú)需建立三次握手，即可接入互聯(lián)網(wǎng).協(xié)議最小數(shù)據(jù)包僅為4 B，可滿足現(xiàn)在微型機(jī)之間的通信需求.

圖1所示系統(tǒng)中，OceanConnect平臺(tái)和監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議采用的是超文本傳輸協(xié)議（HTTP）[8]，該協(xié)議是一種應(yīng)用層通信協(xié)議，包含命令和傳輸信息，遵循C/S架構(gòu)，可以用于因特網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)之間的通信，從而實(shí)現(xiàn)各類應(yīng)用資源超媒體訪問(wèn)的集成.

2.2.2 OceanConnect平臺(tái)集成開(kāi)發(fā)

在圖1所示的OceanConnect平臺(tái)上，通過(guò)編寫(xiě)profile文件來(lái)描述路燈設(shè)備的類型和服務(wù)能力，如圖3所示.devicetype-capability.json程序描述的是路燈設(shè)備的能力特征，包括廠商（manufacturerName）、型號(hào)（model）、協(xié)議類型（protocolType）、設(shè)備類型（deviceType）以及提供的服務(wù)類型（serviceTypeCapabilities），servicetype-capability.json程序還提供了路燈設(shè)備的溫度（Temperature）、濕度（Humidity）、光照強(qiáng)度（Light）、經(jīng)度（Longitude）及緯度（Latitude）等服務(wù)類型的具體信息.

編寫(xiě)對(duì)應(yīng)profile文件的編解碼插件后，OceanConnect平臺(tái)負(fù)責(zé)調(diào)用該編解碼插件，實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制消息轉(zhuǎn)json格式的功能，從而完成路燈終端和OceanConnect平臺(tái)之間數(shù)據(jù)上報(bào)和命令下發(fā)的雙向通信，對(duì)路燈設(shè)備進(jìn)行高效、可視化的管理.

2.3 系統(tǒng)上下行消息傳遞流程

在上行方向上，先采集路燈設(shè)備數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)按自定義規(guī)則進(jìn)行編碼，并通過(guò)串口以AT命令形式發(fā)送已編碼的數(shù)據(jù)給NB-IoT通信模組.NB-IoT通信模組接收到AT命令后，自動(dòng)將命令封裝為CoAP協(xié)議的消息，并發(fā)送給配置好的OceanConnect平臺(tái).OceanConnect平臺(tái)收到數(shù)據(jù)后，自動(dòng)解析CoAP協(xié)議包，根據(jù)路燈設(shè)備profile文件，找到匹配的編解碼插件，將數(shù)據(jù)解析為與路燈設(shè)備profile中匹配的json數(shù)據(jù)，并存于OceanConnect平臺(tái).最后，監(jiān)控中心通過(guò)數(shù)據(jù)查詢接口（RESTful）獲取OceanConnect平臺(tái)上的數(shù)據(jù).

在下行方向上，監(jiān)控中心先調(diào)用RESTful接口向OceanConnect平臺(tái)發(fā)送異步命令（json數(shù)據(jù)）.如果OceanConnect平臺(tái)判斷路燈設(shè)備在線，則立即下發(fā)命令;若路燈設(shè)備離線，則將命令緩存于OceanConnect平臺(tái)的數(shù)據(jù)庫(kù)中.然后，路燈設(shè)備在某時(shí)刻上報(bào)數(shù)據(jù)，OceanConnect平臺(tái)收到數(shù)據(jù)后，檢索對(duì)應(yīng)路燈設(shè)備在數(shù)據(jù)庫(kù)中是否存在有效而未下發(fā)的命令，如有，則下發(fā)該命令.最后，命令通過(guò)編解碼插件進(jìn)行編碼，并被發(fā)送到路燈設(shè)備，路燈設(shè)備收到命令，執(zhí)行命令，并返回執(zhí)行結(jié)果至OceanConnect平臺(tái).根據(jù)命令執(zhí)行結(jié)果，OceanConnect平臺(tái)修改對(duì)應(yīng)的命令狀態(tài).

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 系統(tǒng)搭建

把光照、溫濕度、GPS傳感器等模塊與主板相連，通過(guò)USB或者3.7 V鋰電池給主板供電，然后采用串口調(diào)試工具QCOM，設(shè)置比特率為9600 bit·s-1，將路燈終端與OceanConnect平臺(tái)進(jìn)行綁定，如圖4，5所示.本實(shí)驗(yàn)基于EVB_M1開(kāi)發(fā)板和傳感器，測(cè)試模擬2個(gè)路燈設(shè)備，LED 2為主路燈，LED 1為輔道燈，F(xiàn)1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4為控制LED 1路燈的4個(gè)手動(dòng)開(kāi)關(guān).

3.2 數(shù)據(jù)上傳下發(fā)測(cè)試

設(shè)置LED 2固定開(kāi)燈時(shí)間為當(dāng)天18：00至次日早晨06：30.當(dāng)監(jiān)測(cè)的光照強(qiáng)度達(dá)到閾值時(shí)，通過(guò)OceanConnect平臺(tái)或者監(jiān)控中心及時(shí)下發(fā)命令，根據(jù)“夏季早上可適當(dāng)提前關(guān)燈，冬季早上應(yīng)適當(dāng)延后關(guān)燈”“主路燈亮”“開(kāi)關(guān)輔道燈”等控制方式，在保證照明質(zhì)量的前提下進(jìn)行靈活的單燈節(jié)能調(diào)控，有效降低路燈照明用電量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排.

在不同光照強(qiáng)度的環(huán)境下，路燈終端實(shí)時(shí)向OceanConnect平臺(tái)上傳數(shù)據(jù).依照設(shè)定好的協(xié)議，OceanConnect平臺(tái)將收到的數(shù)據(jù)解析并顯示.

命令下發(fā)測(cè)試與數(shù)據(jù)上傳測(cè)試保持相同條件，由OceanConnect平臺(tái)向路燈終端發(fā)送開(kāi)燈、關(guān)燈指令.如圖6所示，顯示命令已成功送達(dá)，從第二個(gè)大括號(hào)開(kāi)始，“ON”“OFF”分別代表開(kāi)、關(guān)LED 2主路燈，“LED_ON”“LED_OFF”分別代表開(kāi)、關(guān)LED 1輔道燈.

3.3 APP功能實(shí)現(xiàn)

手機(jī)APP通過(guò)藍(lán)牙、WiFi等無(wú)線技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的遠(yuǎn)程監(jiān)控.通過(guò)OceanConnect平臺(tái)的RESTFUL_API接口進(jìn)行數(shù)據(jù)提取和命令下發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的監(jiān)測(cè)、控制和數(shù)據(jù)的上傳下發(fā)，如圖7所示.通過(guò)借助GPS傳感器和分析OceanConnect平臺(tái)的設(shè)備記錄日志，可對(duì)路燈故障進(jìn)行精準(zhǔn)定位，指導(dǎo)運(yùn)維人員定向維修，改變以前主要依靠人工巡檢、熱線報(bào)修的運(yùn)維方式，實(shí)現(xiàn)了精細(xì)化管理.

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一種基于NB-IoT技術(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)路燈所處環(huán)境的溫度、濕度、光照強(qiáng)度及經(jīng)緯度等狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程將信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的手機(jī)APP端，從而為用戶提供路燈工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控服務(wù)，便于用戶及時(shí)獲知路燈感知信息，并進(jìn)行相關(guān)任務(wù)的部署.通過(guò)路燈的溫度信息，可預(yù)測(cè)路燈的使用壽命;通過(guò)路燈環(huán)境濕度的數(shù)據(jù)，可提供燈具ingress protection（IP）防水等級(jí)的優(yōu)化設(shè)計(jì);通過(guò)光照、GPS傳感器的檢測(cè)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的開(kāi)關(guān)控制及故障定位.還可通過(guò)多種傳感器的數(shù)據(jù)采集、上報(bào)及存儲(chǔ)，對(duì)周?chē)h(huán)境的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等因素進(jìn)行在線環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè).

本文作者主要研究了光照強(qiáng)度值對(duì)于路燈監(jiān)控系統(tǒng)的影響，但沒(méi)有結(jié)合考慮紅外線條件等其他因素，NB-IoT自身具有低功耗特性，但本研究所采用的開(kāi)發(fā)板存在功耗偏高問(wèn)題，這些都有待進(jìn)一步的研究和改進(jìn).

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭炳松.基于NB-IoT的智慧路燈在智慧城市中的應(yīng)用分析 [J].智能建筑與智慧城市，2017（12）：97-100.ZHENG B S.Application analysis of intelligent street light based on NB-IoT in smart city [J].Intelligent Building and Smart City，2017（12）：97-100.

[2] 劉鳳霞，趙建平，馬淑麗，等.基于ZigBee的LED路燈智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].電子技術(shù)，2016，45（8）：87-89.

LIU F X，ZHAO J P，MA S L，et al.Design of intelligent lighting control system for LED street light based on ZigBee [J].Electronic Technology，2016，45（8）：87-89.

[3] 王曉暉，楊厚俊，范延濱.基于LoRa技術(shù)的遠(yuǎn)距離智能照明系統(tǒng) [J].青島大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，31（3）：41-45.WANG X H，YANG H J，F(xiàn)AN Y B.Long-distance intelligent lighting system based on LoRa technology [J].Journal of Qingdao University （Natural Science Edition），2018，31（3）：41-45.

[4] HOGLUND A，LI N X，LIBERG O，et al.Over view of 3GPP release 14 enhanced NB-IoT [J].IEEE Network，2017，31（6）：16-22.

[5] 嚴(yán)琦，張?jiān)朴拢矋?基于應(yīng)用場(chǎng)景的低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)（LPWA）技術(shù)對(duì)比分析 [J].世界電信，2017（3）：50-56.YAN Q，ZHANG Y Y，AN G.Comparative analysis of low power wide area internet of things （LPWA） technology based on application scenario [J].World Telecommunicaion，2017（3）：50-56.

[6] 楊佳卉，黃浩，胡永明，等.基于NB-IoT的LED照明燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2018，8（6）：47-49.YANG J H，HUANG H，HU Y M，et al.Design and implementation of NB-IoT based LED lighting remote monitoring system [J].Internet of Things Technology，2018，8（6）：47-49.

[7] 曾麗麗.基于NB-IoT數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯颗c應(yīng)用 [D].淮南：安徽理工大學(xué)，2018.ZENG L L.Research and application based on NB-IoT data transmission [D].Huainan：Anhui University of Science and Technology，2018.

[8] 劉紫青，程燕，關(guān)聯(lián)，等.CoAP協(xié)議研究 [J].電視技術(shù)，2013，37（7）：192-196.LIU Z Q，CHENG Y，GUAN L，et al.Research on CoAP protocol [J].Television Technology，2013，37（7）：192-196.

（責(zé)任編輯：包震宇，顧浩然）