NB-IoT無線路燈控制器研究

孟志強 劉小可 周華安 童軒 鄭瑤

摘 ? 要：設計了一款高性能NB-IoT無線路燈控制器. 該路燈控制器使用M5311窄帶物聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊實現(xiàn)無線通信，使用嵌入式單片機STM8作為控制器，使用智能電量采集芯片HLW8112實時采集路燈的電壓、電流、功率、電能、功率因數(shù)等電氣參數(shù)，具有燈具故障診斷與報警、燈具遠程或本地漸變與瞬時調(diào)光、燈具電源開關控制等功能. 分析與設計了路燈控制器的M5311與CPU接口電路、D/A調(diào)光電路、電氣參數(shù)采集電路、主程序、定時器中斷服務子程序、聯(lián)網(wǎng)服務子程序、指令解析子程序、故障診斷子程序、路燈控制器與遠程控制平臺的通信協(xié)議. 路燈控制器測試平臺的實驗結(jié)果驗證了NB-IoT無線路燈控制器的功能與性能，滿足現(xiàn)代城市路燈智能控制的要求.

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);控制系統(tǒng);無線網(wǎng)絡;路燈控制器;調(diào)光

中圖分類號：TM923 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Research on Wireless Street Lamp Controller Based on NB-IoT

MENG Zhiqiang1，LIU Xiaoke1?，ZHOU Huaan2，TONG Xuan1，ZHENG Yao1

（1. College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China;

2. College of Mechanical and Vehicle Engineering，Hunan University，Changsha ?410082，China）

Abstract：A high-performance Narrow Band Internet of Things （NB-IoT） wireless street lamp controller is designed in this article. The wireless communication module of this street lamp controller is achieved by using the NB-IoT transmission module M5311， and the embedded single-chip STM8 is taken as the controller. Electrical parameters such as voltage， current， power， electrical energy， and power factor of street lamps can be measured in real time by the intelligent electrical energy collection chip HLW8112 in the designed street lamp controller， which has the functions of lamp fault diagnosis and alarm， remote or local gradation and instant dimming of lamps， power switch control and so on. The interface circuit between M5311 and CPU， D/A dimming circuit and electrical parameters acquisition circuit of wireless street lamp controller， the main program， timer interrupt service subroutine， networking service subroutine， instruction analysis subroutine， fault diagnosis subroutine of the control program and communication protocol between street lamp controller and remote control platform are analyzed and designed. The experimental results of the street lamp controller test platform verify the functions and performance of the NB-IoT wireless street lamp controller， which can meet the requirements of modern urban street lamp intelligent control.

Key words：internet of things;control systems;wireless networks;street lamp controller;dimming

隨著城市建設的高速發(fā)展，城市道路的數(shù)量及規(guī)模日益擴大，城市道路照明的能源消耗日益增多[1]. 為減少路燈照明的能源消耗，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市道路照明智能控制系統(tǒng)已成為一種必然，在城市道路照明建設中起著重要的作用. 在物聯(lián)網(wǎng)城市路燈智能照明控制系統(tǒng)中，單燈控制器是控制并監(jiān)測照明燈具的關鍵設備，主要的無線物聯(lián)網(wǎng)通信方式有Zigbee、WIFI、LoRa和NB-IoT.

文獻[2]設計了基于Zigbee和神經(jīng)網(wǎng)絡的照明控制系統(tǒng)，提升了Zigbee通信的穩(wěn)定性，但Zigbee傳輸距離不遠，易受道路障礙物的影響，且一個網(wǎng)絡系統(tǒng)可控制的路燈數(shù)量較少. 文獻[3]搭建了基于WIFI的路燈控制系統(tǒng)，其節(jié)點之間的最大通信距離為19 m，不適用于城市主要道路的照明應用. 文獻[4]設計了一個基于LoRa的三級樹結(jié)構(gòu)智能路燈控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了燈具有效調(diào)光和故障診斷，但需要自建基站，否則，像Zigbee網(wǎng)絡一樣易受道路障礙物的影響. 文獻[5] 設計了LoRa無線照明設備測試系統(tǒng)，為LoRa無線路燈控制系統(tǒng)的建設提供了可靠的技術(shù)支持.

窄帶物聯(lián)網(wǎng) （Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）已經(jīng)由營運商建成了完全覆蓋城市的無線傳輸網(wǎng)絡，具有組網(wǎng)方便、傳輸距離遠、功耗低等優(yōu)點，用戶不再需要建設基站或者網(wǎng)關等設施[6]. 因此，基于NB-IoT的城市路燈無線控制系統(tǒng)越來越受到業(yè)界和用戶的青睞，也形成了許多研究成果和實用技術(shù). 文獻[7]應用NB-IoT通信實現(xiàn)網(wǎng)關與服務器間的數(shù)據(jù)交互;文獻[8]通過NB-IoT技術(shù)實現(xiàn)路燈控制器與遠程平臺的通信;文獻[9-10]設計的NB-IoT路燈控制器采用自動瞬時調(diào)光實現(xiàn)節(jié)能. 但是，很少有文獻研究路燈控制器的設計技術(shù).

本文研究與設計的NB-IoT路燈控制器可實現(xiàn)LED燈具電氣參數(shù)的實時采集、燈具故障診斷和定位、燈具遠程漸變調(diào)光與瞬時調(diào)光、燈具本地自動漸變調(diào)光與瞬時調(diào)光、燈具電源開關的遠程控制和本地控制等功能，給出了路燈控制器主要硬件、控制程序和通信協(xié)議設計，實驗結(jié)果驗證了NB-IoT路燈控制器的有效性.

1 ? NB-IoT路燈控制器電路

NB-IoT路燈控制器在城市路燈控制系統(tǒng)中，通過NB-IoT通信接收監(jiān)控平臺控制命令，實現(xiàn)燈具用電信息采集、故障診斷、遠程0～10 V或者PWM調(diào)光和電源開關控制，實時向監(jiān)控平臺返回燈具的電氣參數(shù)、故障和運行狀態(tài)等信息，實現(xiàn)城市路燈智能監(jiān)控與管理.

NB-IoT路燈控制器電路構(gòu)成如圖1所示.

路燈控制器CPU（Central Processing Unit）采用STM8s003f3p6單片機，NB-IoT無線通信模塊選用尺寸小、功耗低、性能優(yōu)、成本低的M5311雙頻模組，配置SIM識別卡;復位、開機和串口電平轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成STM8與M5311之間的接口電路，實現(xiàn)M5311的可靠復位、開機和串行通信;D/A調(diào)光模塊將CPU提供的0～100%占空比可調(diào)的PWM調(diào)光信號轉(zhuǎn)化為0～10 V的調(diào)光信號;繼電器模塊實現(xiàn)路燈電源的接通或關斷;電量采集模塊采用HLW8112電氣參數(shù)采集芯片，實時采集路燈電流、電壓、功率、電能以及功率因數(shù)，并通過SPI通信傳輸至CPU處理，實現(xiàn)路燈故障診斷.

1.1 ? M5311與CPU接口電路

M5311與STM8的接口電路如圖2所示.

復位和開機電路是由STM8提供脈沖控制信號的兩個三極管反相開關電路.

串口通信電路由兩個射級控制三極管開關電路組成，實現(xiàn)STM8與M5311之間的3.3～1.8 V電平轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸. 例如，STM8按照通信規(guī)程及其波特率向M5311發(fā)送數(shù)據(jù)1時，其UART_TX引腳輸出高電平1，QM1截止，使得M5311的RXD引腳被上拉為1.8 V的高電平1;STM8發(fā)送數(shù)據(jù)0時，UART_TX引腳輸出電平0，QM1導通，使得M5311的RXD引腳被下拉為低電平0.

1.2 ? D/A調(diào)光電路

LED燈具電源一般使用0～10 V的調(diào)光控制信號調(diào)節(jié)照明亮度，而路燈控制器通過無線網(wǎng)絡接收的調(diào)光信息是百分比數(shù)據(jù)，因此，需要用轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)數(shù)字調(diào)光量到模擬調(diào)光控制信號的轉(zhuǎn)換. D/A調(diào)光電路如圖3所示.

PWM是STM8將百分比調(diào)光數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成的1 kHz、變占空比d、幅值3.3 V方波信號，三極管QD1和電壓基準TLD1將PWM的幅值轉(zhuǎn)化為2.5 V，RD4、CD1低通濾波電路將PWM信號轉(zhuǎn)換為0 ～ 2.5 V的直流電壓，經(jīng)4倍運算放大器放大為0 ～ 10 V的調(diào)光信號.

1.3 ? 電氣參數(shù)采集電路

電氣參數(shù)采集電路如圖4所示，由電流、電壓采集通道和HLW8112電氣參數(shù)采集芯片構(gòu)成. 電流采樣使用變比n1為1 000 ∶ 1的電流互感器TQ1，RQ8為電流采樣電阻;電壓采樣使用電阻網(wǎng)絡和變比n2為1的電流型互感器TQ2 .

定義HLW8112芯片的電流、電壓、有功功率有效值寄存器值分別為Ia、Ua、Pa，對應的有效值系數(shù)寄存器值分別為Iε、Uε、Pε . 由《HLW8112 用戶手冊REV 1.19》可知，電流、電壓的轉(zhuǎn)換系數(shù)K1、K2分別為：

K1 = ? ? ? ?（1）

K2 = ? ? ? ?（2）

路燈電流Iin（單位：A）、電壓Uin（單位：V）、有功功率Pin（單位：W）分別為：

Iin = ? ? ? ?（3）

Uin = ? ? ? ?（4）

Pin = ? ? ? ? ?（5）

2 ? NB-IoT路燈控制器程序

NB無線路燈控制器的程序有主程序、定時器中斷服務子程序、串口接收中斷服務子程序三部分. 主程序完成控制器的初始化、遠程NB指令解析;定時器中斷服務子程序完成燈具調(diào)光、開關燈控制和本地時間處理;串口接收中斷服務子程序完成STM8對M5311模塊數(shù)據(jù)的讀取，并置串口接收指令標志位為1.

2.1 ? 主程序

NB路燈控制器主程序流程圖如圖5所示. NB路燈控制器上電后，初始化串口、定時器、看門狗、M5311，使能串口接收中斷;調(diào)用聯(lián)網(wǎng)子程序進行聯(lián)網(wǎng)操作，使能與NB-IoT基站的連接，實現(xiàn)與遠程控制平臺的通信;在看門狗循環(huán)喂狗操作中，查詢串口接收指令標志位狀態(tài)，若已接收到M5311的通信數(shù)據(jù)，則調(diào)用指令解析子程序并執(zhí)行指令功能;根據(jù)指令功能要求向遠程控制平臺返回相應信息，清空串口緩存數(shù)組. 因此，聯(lián)網(wǎng)服務子程序、指令解析子程序是主程序的重要組成部分.

2.1.1 ? 聯(lián)網(wǎng)服務子程序

聯(lián)網(wǎng)服務子程序的功能是實現(xiàn)路燈控制器與圖1所示城市路燈無線控制系統(tǒng)中遠程控制平臺之間的連接，流程圖如圖6所示. STM8程序控制M5311模塊開機，通過串口讀取并識別SIM卡卡號，通過配置M5311的頻帶使其快速鏈接到NB-IoT網(wǎng)絡;讀取NB-IoT基站的實時時間校準路燈控制器的本地時間變量;創(chuàng)建相應的TCP Socket，實現(xiàn)與路燈遠程控制平臺的連接，并將SIM卡號發(fā)送給遠程控制平臺.

2.1.2 ? 指令解析子程序

指令解析子程序分析并執(zhí)行遠程控制平臺指令，流程圖如圖7所示.

在完成接收數(shù)據(jù)CRC校驗和ID號核對后，解析功能碼并執(zhí)行相應功能，如配置平臺IP和端口、故障閾值、開關燈時間、調(diào)光時間及調(diào)光值等.

若指令為故障及電氣參數(shù)采集指令，則運行故障及信息處理子程序，如圖8所示. 對比實時電流與電流閾值判斷故障狀態(tài). 讀取HLW8112的電流寄存器值，代入式（3）計算實時電流Iin，與電流故障閾值IO比較. 若Iin < IO，則燈具發(fā)生故障.

2.2 ? 定時器中斷服務子程序

定時器設置為1 ms定時中斷模式，中斷服務子程序流程圖如圖9所示.

路燈開燈與關燈是定時進行的，且季節(jié)不同、天氣狀態(tài)均影響開關燈時間，車流量和人流量在夜間不同時間段的變化很大，所需要的照明亮度不同，也需要按時間進行亮度調(diào)節(jié)，故需要建立路燈控制器的本地時鐘. 因此，路燈調(diào)光、開關燈控制和本地時鐘均在定時器中斷服務子程序中完成.

在1 ms的定時器中斷服務子程序中，首先通過時鐘處理子程序段建立控制器本地時鐘，并在每天凌晨與NB基站進行對時. 本地時鐘變量包括s（秒）、min（分鐘）、h（小時）. 然后，將本地時鐘變量分別與調(diào)光配置的10個時間參數(shù)比較，對應完成調(diào)光和開關燈控制.

路燈調(diào)光采用8個可配置的分時段調(diào)光策略，因此，調(diào)光和開關燈控制有10個時間點需要檢測判斷. 路燈控制器按照遠程控制平臺發(fā)送的調(diào)光配置參數(shù)：分時段調(diào)光百分比和調(diào)光時間和開關燈時刻進行調(diào)光和開關燈控制.

遠程控制平臺下發(fā)至路燈控制器和路燈控制器回復遠程控制平臺的數(shù)據(jù)格式均由功能碼、ID號、數(shù)據(jù)和CRC校驗組成，下發(fā)和回復指令中的數(shù)據(jù)及CRC校驗部分不同，不同的功能具有不同的功能碼和不同長度的數(shù)據(jù)信息. 由圖8可知，NB-IoT路燈控制器共設計了8條不同的功能，每個功能對應一個通信協(xié)議. 每個NB-IoT路燈控制器的SIM卡具有唯一的卡號，可作為路燈控制器的ID識別號，長度固定為15位.

例如：故障及電氣參數(shù)采集功能協(xié)議如表2所示，其功能碼為0×33. 當接收到該功能碼，控制器比較電氣參數(shù)采集芯片采集的實時電流與設置的電流故障閾值，判斷燈具是否發(fā)生故障，若發(fā)生故障，則同時將故障信息和采集到的所有電氣參數(shù)回復給遠程控制平臺，可以實現(xiàn)燈具的故障定位檢測.

4 ? 實驗驗證

本文搭建的NB-IoT路燈控制器樣機測試平臺如圖10所示.

路燈控制器上電后，自動打開LED燈，將調(diào)光值設置為100%;由遠程控制平臺依次發(fā)送50%、30%、關燈的瞬時調(diào)光值指令，使用泰克示波器實錄圖4中控制器的輸出調(diào)光信號如圖11所示，遠程控制平臺讀取的控制器對應交流輸入電流、功率曲線如圖12所示.

路燈控制器未上電時，控制器輸出的調(diào)光控制信號為0 V，電氣參數(shù)采集芯片HLW8112不工作;路燈控制器上電后自動打開LED燈具滿功率運行，然后遠程控制平臺依次發(fā)送50%、30%調(diào)光指令和關燈指令. 由圖12可知，燈具控制器的輸出調(diào)光信號依次輸出10.5 V、4.7 V、2.5 V、299 mV的調(diào)光控制信號，遠程控制平臺采集到路燈控制器的負載電流依次為0.27 A、0.15 A、0.10 A、0 A，功率為63 W、33 W、18 W、0 W.

5 ? 結(jié) ? 論

基于各種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能路燈控制系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代城市道路照明的主流裝備，其中，采用NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)越來越顯生命力. 本文采用M5311無線傳輸模塊、嵌入式單片機STM8、智能電量采集芯片HLW8112設計的NB-IoT路燈控制器，為NB-IoT智能路燈控制系統(tǒng)提供了路燈控制與管理的有效裝備. 采集的燈具電流、電壓、功率和功率因數(shù)等實時數(shù)據(jù)有利于城市路燈智能控制平臺進行數(shù)據(jù)分析;設計的平滑與瞬時調(diào)光功能可適應不同場景的調(diào)光需求，提高了路燈控制器的靈活性;在控制器與平臺斷網(wǎng)條件下，可基于自身時鐘執(zhí)行本地開關控制與調(diào)光策略，實現(xiàn)對燈具的穩(wěn)定控制. 測試實驗平臺的實驗結(jié)果驗證了NB- IoT無線路燈控制器在上電、調(diào)光值和關燈等工作狀態(tài)下，均能可靠實現(xiàn)各種控制功能，輸出的調(diào)光電壓值精度滿足燈具控制要求，通信可靠穩(wěn)定，具有良好的應用價值.

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收稿日期：2020-11-03

基金項目：湖南省交通運輸廳2019年度科技計劃資助項目（201922），Hunan Transportation Department 2019 Science and Technology Program Funded Projects（201922）

作者簡介：孟志強（1964—），男，湖南益陽人，湖南大學教授，博士生導師

通信聯(lián)系人，E-mail：lxk13308452121@163.com