NB-IoT 無線路燈控制器研究

孟志強，劉小可?，周華安，童軒，鄭瑤

（1.湖南大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；2.湖南大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院，湖南 長沙 410082）

隨著城市建設(shè)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(shè)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(guān)鍵設(shè)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(shè)計了基于Zigbee 和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(yīng)用.文獻[4]設(shè)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(luò)一樣易受道路障礙物的影響.文獻[5]設(shè)計了LoRa 無線照明設(shè)備測試系統(tǒng)，為LoRa 無線路燈控制系統(tǒng)的建設(shè)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(luò)，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(shè)基站或者網(wǎng)關(guān)等設(shè)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(yīng)用NB-IoT 通信實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與服務(wù)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(shè)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(shè)計技術(shù).

本文研究與設(shè)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(guān)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(shè)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(guān)控制，實時向監(jiān)控平臺返回?zé)艟叩碾姎鈪?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.

圖1 NB-IoT 路燈控制器電路構(gòu)成Fig.1 Circuit composition of the NB-IoT street lamp controller

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(fù)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(fù)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(guān)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.

圖2 M5311 與STM8 接口電路Fig.2 Interface circuit between M5311 and STM8

復(fù)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(guān)電路.

串口通信電路由兩個射級控制三極管開關(guān)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(dǎo)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(luò)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.

圖3 D/A 調(diào)光電路Fig.3 D/A dimming circuit

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(luò)和變比n2為1 的電流型互感器TQ2.

圖4 電氣參數(shù)采集電路Fig.4 Electrical parameters acquisition circuit

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(yīng)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：

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：

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(wù)子程序、串口接收中斷服務(wù)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(wù)子程序完成燈具調(diào)光、開關(guān)燈控制和本地時間處理；串口接收中斷服務(wù)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(yīng)信息，清空串口緩存數(shù)組.因此，聯(lián)網(wǎng)服務(wù)子程序、指令解析子程序是主程序的重要組成部分.

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flow chart of main program

2.1.1 聯(lián)網(wǎng)服務(wù)子程序

聯(lián)網(wǎng)服務(wù)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(luò)；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(yīng)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.

圖6 聯(lián)網(wǎng)程序流程圖Fig.6 Flow chart of networking program

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.

圖7 指令解析子程序流程圖Fig.7 Flow chart of instruction parsing subroutine

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(yīng)功能，如配置平臺IP 和端口、故障閾值、開關(guān)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.

圖8 故障診斷程序流程圖Fig.8 Flow chart of fault diagnosis program

2.2 定時器中斷服務(wù)子程序

定時器設(shè)置為1 ms 定時中斷模式，中斷服務(wù)子程序流程圖如圖9 所示.

圖9 定時器中斷服務(wù)子程序流程圖Fig.9 Flow chart of timer interrupt service subroutine

路燈開燈與關(guān)燈是定時進行的，且季節(jié)不同、天氣狀態(tài)均影響開關(guān)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(guān)燈控制和本地時鐘均在定時器中斷服務(wù)子程序中完成.

在1 ms 的定時器中斷服務(wù)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(yīng)完成調(diào)光和開關(guān)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(guān)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(guān)燈時刻進行調(diào)光和開關(guān)燈控制.

3 NB-IoT 路燈控制器通信協(xié)議

實現(xiàn)NB-IoT 路燈控制器功能的核心是有效設(shè)計其串口通信協(xié)議，格式如表1 所示.

表1 NB-IoT 路燈控制器串口通信協(xié)議格式Tab.1 Serial communication protocol format of NB-IoT street lamp controller

遠程控制平臺下發(fā)至路燈控制器和路燈控制器回復(fù)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(fù)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(shè)計了8 條不同的功能，每個功能對應(yīng)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(shè)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(fù)給遠程控制平臺，可以實現(xiàn)燈具的故障定位檢測.

表2 故障及電氣參數(shù)采集功能協(xié)議格式Tab.2 Fault and electrical parameters acquisition function protocol format

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.

圖10 樣機測試平臺Fig.10 Photo of experimental prototype

路燈控制器上電后，自動打開LED 燈，將調(diào)光值設(shè)置為100%；由遠程控制平臺依次發(fā)送50%、30%、關(guān)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(yīng)交流輸入電流、功率曲線如圖12 所示.

圖11 控制器輸出的調(diào)光信號Fig.11 Dimming signal output by controller

圖12 對應(yīng)調(diào)光信號的交流輸入電流、功率曲線Fig.12 AC input current and power curve corresponding to dimming signal

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(guān)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NBIoT 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(shè)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(shè)計的平滑與瞬時調(diào)光功能可適應(yīng)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(guān)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(guān)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(yīng)用價值.