基于NB-IoT的智慧路燈設(shè)計

種寧宇 譚巧 林圣 周煒锜 黃夢婷

（閩江學(xué)院計算機與控制工程學(xué)院 福建省福州市 350108）

1 背景介紹

近年來，多地相繼提出智慧城市概念，指出運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù)智慧城市建設(shè)，在智慧城市的建設(shè)過程中，市政路燈作為必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，必然也要趨于智能化，融入智慧城市建設(shè)的大趨勢中。

路燈遍布城市的各個角落，無論是繁華的商務(wù)區(qū)主干道，還是偏僻的郊區(qū)小道，都需要路燈穩(wěn)定的運行，保障城市的照明工作。2016年福州市市區(qū)市政道路總長度1467公里，所需路燈約為5萬盞，路燈工作時間在8 到9 個小時左右，若以120W 的LED 燈計算市政道路路燈工作一晚至少需要4.8 萬度電，而工作一年則至少需要1752 萬度電,所消耗的能源是巨大的。經(jīng)過多年的發(fā)展，城市路燈逐漸由傳統(tǒng)的單一型電網(wǎng)供電路燈發(fā)展為多功能新能源供電的智慧路燈，有效的緩解了城市路燈巨大的能源消耗。

目前大多數(shù)新能源路燈大多采用PLC 模組、ZigBee 模組、SigFox 模組、LoRa 模組等不同模組控制[1]，雖然分別具有無需布線，支持自組網(wǎng)能力強，傳輸距離最長、平臺方案完整，低功耗、傳輸距離遠等優(yōu)點，但也存在一些難以克服的問題[2]。例如：基于PLC模組的數(shù)據(jù)傳輸速率較無線方式慢，誤報率偏高，受線路狀況影響大；基于ZigBee 模組的穩(wěn)定性一般，容易受外界環(huán)境因素影響；基于SigFox 模組的每日傳輸次數(shù)受限，成為全球運營商的風(fēng)險極高；基于LoRa 模組的易受外界環(huán)境因素影響。以上種種問題表明，目前已有的新能源路燈不能實現(xiàn)路燈的智能化，需要尋求新的設(shè)計方案。

考慮到對于路燈的控制有嚴格的要求，既不能受到繁華都市復(fù)雜的電磁信號干擾，又不能在偏遠的郊區(qū)失去控制信號，還要保證一定的經(jīng)濟實用性。因此，本文提出一種新型的基于NB-IoT 的智慧路燈，可以實現(xiàn)對單個路燈的實時狀態(tài)檢測和精確控制，并在遠端可以對路燈進行檢修和維護，極大的減少了工人的工作量，很大程度上提升城市路燈的管理效率，實現(xiàn)真正的路燈智能化。

2 智慧路燈總體架構(gòu)

本文設(shè)計的智慧路燈將實現(xiàn)以下功能：

2.1 智能控制

（1）自動開關(guān)：根據(jù)環(huán)境光照，對路燈進行智能化的開關(guān)。

（2）故障報警：實時監(jiān)測路燈運行狀態(tài)并上傳故障信息與位置信息。

（3）斷電保護：檢測到路燈有漏電的情況時，馬上自動斷電。

（4）能耗監(jiān)測：實時檢測路燈電壓電流，記錄能耗信息。

（5）終端控制：采用終端云平臺進行控制。

圖1：智慧路燈功能示意圖

圖3：智慧路燈通信模塊示意圖

2.2 太陽能供電：提高能源利用率

路燈的功能示意圖及設(shè)計模型圖如圖1 所示。下文將詳細智慧路燈的設(shè)計與實現(xiàn)。

3 智能控制的設(shè)計與實現(xiàn)

路燈智能控制的實現(xiàn)基于控制芯片和NB-IoT 通信模塊。每一個智慧路燈都裝有STM32L4 單片機，該單片機搭載了華為的LiteOS 操作系統(tǒng)，具有UART、IIC、SPI 等豐富的外設(shè)接口，可以與NB-IoT 終端直連。NB-IoT 全稱為窄帶物聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180kHz 的帶寬，可直接部署于GSM 網(wǎng)絡(luò)、UMTS 網(wǎng)絡(luò)或LTE 網(wǎng)絡(luò)。因其具有海量的鏈接能力，傳輸范圍廣且不易受到干擾等優(yōu)點，故本系統(tǒng)采用其作為智慧路燈的通信模塊。

智能控制的實現(xiàn)包括路燈硬件設(shè)計和控制軟件界面設(shè)計，其中硬件設(shè)計包括控制單元的設(shè)計和通信模塊的設(shè)計。其總體流程如圖2 所示。

路燈控制器將數(shù)據(jù)上報給云平臺，云平臺又根據(jù)通信協(xié)議將數(shù)據(jù)推送并顯示在Web 界面上，之后Web 界面再將數(shù)據(jù)存儲并解析至應(yīng)用服務(wù)器，而應(yīng)用服務(wù)器將數(shù)據(jù)的顯示、操作對應(yīng)的反饋傳輸?shù)絎eb 界面上，Web 界面通過通訊協(xié)議將指令發(fā)送給云平臺再轉(zhuǎn)給路燈控制器。

3.1 控制單元的設(shè)計與實現(xiàn)

主控芯片STM32L4 與眾多的外設(shè)模塊連接，包括光照度傳感器、GPS 定位模塊、電源檢測模組等。

若光照強度，GPS 數(shù)據(jù)、電壓電流和功率等參數(shù)異常時則滿足故障條件，進行報警提示，方便人員檢修。

自動光照調(diào)節(jié)功能的實現(xiàn)基于光照度傳感器，采用RS485 光照度傳感器，其具有功耗低、體積小、實時測量等特點。傳感器所獲得的光照度數(shù)據(jù)通過485 芯片傳輸?shù)街骺匦酒?，實現(xiàn)對環(huán)境光照的實時監(jiān)測，再由云平臺下發(fā)命令到控制模塊進而實現(xiàn)路燈的自動調(diào)節(jié)。根據(jù)《城市道路路燈光強標準》，在照度小于等于30Lx 的情況下需要開啟照明設(shè)備。故本系統(tǒng)設(shè)定為：光照強度＜=30Lx 時，路燈自動開啟，光照強度＞30Lx 時，路燈自動關(guān)閉。除此之外，還可以設(shè)置成獨立人工控制，靈活調(diào)節(jié)路燈的開關(guān)狀態(tài)。

智慧路燈上安裝有GPS 模組、電能檢測模塊。電能檢測模塊主要通過ADC 的方式讀取太陽能板和電池的電壓、電流和使用功率等參數(shù)，實時計算能耗信息，合理使用能源。當檢測到路燈的工作電壓電流不能滿足規(guī)定照明亮度時，觸發(fā)故障報警機制，路燈自動切斷電源并發(fā)送故障信息和位置信息，方便維修人員及時修繕。為了保護路人安全，智慧路燈設(shè)置有漏電保護裝置，采用電磁式漏電開關(guān)，檢測到10mA 的微小電流立即斷電，并上報故障信息。

3.2 基于NB-IoT的通信模塊設(shè)計

智慧路燈系統(tǒng)的通信模塊設(shè)計由多個路燈控制器、NB-IoT 基站、IoT 云平臺和客戶端4 個部分組成，實現(xiàn)在終端的遠程批量控制，如圖3 所示。

終端作為整個通信系統(tǒng)框架的起點，主要負責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、NB-IoT 通信等功能；基站作為整個系統(tǒng)的基本單元，是連通通信網(wǎng)和終端的橋梁，終端必須在基站信號覆蓋地區(qū)才能正常通信；核心網(wǎng)主要承擔(dān)與非接入層的交互的功能，并將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到IoT 平臺；IoT 云平臺提供專門的南向接口和北向接口，南向接口能夠?qū)ι闲型ǖ篮徒K端上報的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的監(jiān)控和統(tǒng)計，還可以通過下行通道對終端進行精確的控制，北向接口即向上的接口，可以方便應(yīng)用對底層資源的調(diào)用；應(yīng)用服務(wù)器對應(yīng)的是IoT 平臺北向接口接入的應(yīng)用，這些應(yīng)用服務(wù)器可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)解析、存儲、展示和下發(fā)等功能。

在NB-IoT 通信模塊的測試中，云平臺對路燈下發(fā)命令，測試結(jié)果表明傳感器正常運行，通過AT+NMGS 指令成功上傳數(shù)據(jù)到云平臺實時顯示，云平臺的下發(fā)命令ON 接收成功，單燈精確點亮。

3.3 監(jiān)測系統(tǒng)界面設(shè)計

智慧路燈中的NB-IoT 模塊可以實現(xiàn)與華為OceanConnect 云平臺的數(shù)據(jù)傳輸。OceanConnect 平臺可以獲取智慧路燈光亮傳感器的信息并打印出來，同樣操作員可以從OceanConnect 平臺下發(fā)指令到智慧路燈。所有的數(shù)據(jù)操作可保留在后臺7 天時間；而且，通過OceanConnect 后臺管理可以查看已發(fā)送消息、已接收消息歷史。

終端管理界面可以顯示監(jiān)控區(qū)域范圍內(nèi)設(shè)備的在線率、設(shè)備狀態(tài)，以及在地圖上顯示路燈所在位置信息。

4 供電系統(tǒng)的設(shè)計

智慧路燈采用太陽能電池板進行供電，并根據(jù)路燈平均照明時間和城市道路照明的照度要求，進行參數(shù)計算，設(shè)計了儲能模塊。太陽能板的電能將儲存在電池里面，供智慧路燈使用。

4.1 太陽能板選用

針對實際路燈照明需求設(shè)計，依據(jù)《城市道路照明設(shè)計標準 CJJ45-2015》進行參數(shù)計算，選用參數(shù)為12V/5W 的LED 路燈,路燈距離地面3.5m，可滿足城市次干路15lx 的平均照度要求。

在此參數(shù)下進行測量，為達到路燈照明需求，日均亮燈10 小時，則一晚上需要用電0.05 度，福建省的平均日照時間約為3.5 小時，考慮到連續(xù)陰雨等情況，故選用20W 的太陽能電池板。再對比材料，選用光電轉(zhuǎn)換效率更高，使用壽命較長的單晶硅材料，且考慮到安裝問題，不宜選用過重的太陽能板，最終選用1.7KG 的18v/20w 的單晶硅太陽能電池板。

4.2 儲能模塊的選用

智慧路燈采用24000mAh 的電池作為儲能模塊，在戶外環(huán)境無陰雨情況的光照條件下6 小時左右可以完成儲能，可以滿足智慧路燈正常狀態(tài)下兩天的工作負擔(dān)。并且將儲能模塊放置于路燈的中底部，方便維護人員進行維護和更換，一旦遇到長時間的陰雨天氣，也可采用人工充電的方式完成儲能。

5 總結(jié)

本文所提出的智慧路燈打破了傳統(tǒng)的城市路燈模式，利用新能源的同時還可以智慧管理城市照明，保護環(huán)境減少光污染等。該智慧路燈實現(xiàn)了智能開關(guān)、基站定位、故障報警、斷電保護、能耗檢測、終端云控制等智能化的操控，通過合理的管理降低了城市路燈對能源的消耗，極大的減少了路燈管理人員的工作量，符合現(xiàn)代化城市發(fā)展的要求。同時，該路燈還預(yù)留了眾多的模塊接口，方便市政工程直接在城市路燈上面家裝其他功能，例如緊急報警、城市WiFi等功能。

本智慧路燈系統(tǒng)還存在可以改進的地方，例如，在實際應(yīng)用過程的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否可以適應(yīng)所有的路面街道場景要求，是否可以采用風(fēng)力發(fā)電等新能源方式功能等問題，還可以持續(xù)深入的研究。