基于LORA與NB-IOT技術(shù)的智能路燈系統(tǒng)研究

基金項目：2021年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目“基于DALI及無線技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用”（編號：2021KY1125）

作者簡介：闕凡博（1989—），碩士，講師，工程師，研究方向：嵌入式單片機技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能控制技術(shù)。

摘要：文章提出一種基于LORA（遠距離低功耗無線通信）和NB-IOT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)的智能路燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用傳感器檢測環(huán)境光強度和人車流量，通過LORA或NB-IOT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進行處理分析并通過物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)對路燈照明的自動控制。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對路燈的靈活控制，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，并且能夠有效地降低系統(tǒng)的功耗。

關(guān)鍵詞：智能路燈；LORA；NB-IOT；傳感器；物聯(lián)網(wǎng)平臺

中圖分類號：U495

0 引言

隨著我國城市化的快速發(fā)展，交通越來越繁忙，對城市的道路照明提出了更高的要求。為了滿足這些需求，智能路燈系統(tǒng)被引入，以提高路燈控制的效率和質(zhì)量。智能路燈系統(tǒng)是一個基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明系統(tǒng)^［1］，利用傳感器、數(shù)據(jù)分析和遠程控制等技術(shù)手段，實現(xiàn)路燈的自動調(diào)節(jié)和管理。目前，智能路燈系統(tǒng)已經(jīng)成為城市智能化建設(shè)的重要組成部分。

現(xiàn)有的智能路燈系統(tǒng)主要采用無線通信技術(shù)進行數(shù)據(jù)傳輸，其中LORA和NB-IOT是常用的兩種技術(shù)。LORA是一種長程低功耗無線通信技術(shù)，可實現(xiàn)高速傳輸和遠距離通信，適用于廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，但是無法接入互聯(lián)網(wǎng)。NB-IOT是窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有低功耗、寬覆蓋等特點^［2］，可以有效地解決物聯(lián)網(wǎng)中的瓶頸問題，能夠接入互聯(lián)網(wǎng)。本文結(jié)合LORA以及NB-IOT的特點，提出了一種基于LORA和NB-IOT技術(shù)的智能路燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用傳感器檢測環(huán)境光強度和人車流量，通過LORA對路燈的狀態(tài)數(shù)據(jù)進行匯集，再通過NB-IOT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進行處理分析并通過物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)對路燈照明的自動控制。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，并且能夠有效地節(jié)約能源。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能路燈系統(tǒng)由智能路燈控制終端、智能路燈網(wǎng)關(guān)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺3個部分組成。通過MCU單片機驅(qū)動傳感器檢測環(huán)境光強度和人車流量等信息，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到LORA/NB-IOT模塊。LORA/NB-IOT模塊負責將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)桨⒗镌莆锫?lián)網(wǎng)平臺，使得管理人員通過電腦或移動端獲取路燈狀態(tài)以及對路燈進行控制。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 智能路燈控制終端設(shè)計

智能路燈控制終端采用國產(chǎn)32位單片機LQFP32封裝的STC32G12K128作為主控芯片，該芯片具有多達15路的ADC轉(zhuǎn)換通道、4路串口、8路16位的PWM輸出通道、1個ⅡC串行總線控制器，2組SPI通信接口，功能強大，適用在本系統(tǒng)作為主控。傳感器模塊主要包含光照傳感器以及人車流量傳感器模塊。光照傳感器采用MAX44009傳感器，該傳感器集成了紅外及紫外線屏蔽電路，能識別出微弱光線的變化。人車感應(yīng)傳感器模塊集成了聲音檢測以及微波檢測傳感器，其中聲音檢測選擇使用KY-037模塊，微波傳感器選擇HB100微波多普勒無線雷達探測器，能夠有效檢測人車經(jīng)過。無線通信模塊選擇LORA，采用的是Semtech公司的SX1278模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗與遠距離的統(tǒng)一^［3］。智能路燈控制終端的原理框圖如圖2所示。

2.1 控制終端電源電路設(shè)計

智能路燈控制終端電源接入交流電220 V，通過金升陽電源模塊LS10-13B05R3P輸出直流5 V電源，輸出功率最大可達10 W，滿足主控芯片等其他模塊的供電需求。由于環(huán)境光檢測傳感器采用3.3 V供電，因此設(shè)計了使用低壓差線性穩(wěn)壓芯片HT7833將5 V穩(wěn)壓到3.3 V。電源電路如圖3所示。

2.2 路燈功率計量電路設(shè)計

該電路采用了深圳合力為公司的HLW8032作為路燈功率計量芯片，該芯片具有精度高、功耗小、可靠性高、適用環(huán)境能力強等優(yōu)點，如圖4所示。路燈的交流電壓的檢測通過規(guī)格為1 000∶1 000，2 mA∶2 mA的電流型電壓互感器CT1后進入芯片的檢測端VP，而其交流電流經(jīng)過規(guī)格為1∶1 000，5 A/5 mA電流互感器以及處理電路后進入芯片的檢測端IP與IN。經(jīng)過芯片的內(nèi)部處理電路后，從6腳TX端以串口的通信方式輸出數(shù)字信號傳送給主控芯片讀取電壓以及電流信號，使主控芯片能夠準確讀取到路燈當前消耗的功率以及判斷路燈的好壞。

2.3 人車感應(yīng)電路的設(shè)計

為了準確判斷當前是否有車以及人的經(jīng)過，本設(shè)計終端使用了微波檢測以及聲音檢測相結(jié)合的方案，如圖5所示。微波檢測電路采用HB100微波多普勒無線雷達探傳感器模塊，可以實現(xiàn)最遠15 m的檢測，且不受溫度、濕度、噪聲、氣流、塵埃、光線等影響，適合惡劣環(huán)境^［4］。聲音檢測使用KY-037聲音檢測模塊，該模塊可以檢測環(huán)境的聲音，根據(jù)音量的大小輸出相應(yīng)的模擬電壓給主控芯片進行AD采樣。

2.4 環(huán)境光檢測以及PWM調(diào)光電路

環(huán)境光檢測采用MAX44009環(huán)境光傳感器，該傳感器提供12C通訊輸出數(shù)字信號，和主控的I2C接口相連，PWM調(diào)光電路則設(shè)計使用主控輸出PWM信號驅(qū)動場效應(yīng)管CJ2304，能有效地減少PWM波的畸變，使控制燈的亮度更加準確，該部分的設(shè)計如圖6所示。

2.5 LORA無線模塊的設(shè)計

LORA模塊采用的是Semtech公司的SX1278模塊，該模塊和主控單片機通訊采用的是SPI接口，在進行PCB布局布線時，需要注意模塊周邊不要有強干擾源，增強模塊的穩(wěn)定性。其電路如圖7所示。

基于LORA與NB-IOT技術(shù)的智能路燈系統(tǒng)研究/闕凡博

2.6 智能路燈終端的程序設(shè)計

智能路燈終端上電運行后，STC32G12K128主控芯片開始初始化各個模塊，在主程序主循環(huán)中不斷檢測光照強度。當光照強度達到設(shè)定的閾值時，則說明當前環(huán)境光照亮度較好，此時關(guān)閉路燈；當光照強度低于設(shè)定閾值時，則說明當前亮度較差，同時開始檢測人車是否經(jīng)過，如果檢測到，逐漸將路燈的亮度調(diào)到100%，如果未檢測到則將亮度降低至40%。同時，在定時器服務(wù)子程序里不斷檢測燈當前功率的狀態(tài)，讀取LORA模塊傳來的數(shù)據(jù)，將燈狀態(tài)的數(shù)據(jù)匯集傳給下一個終端，直至傳至網(wǎng)關(guān)。智能路燈終端的程序設(shè)計流程如下頁圖8所示。

3 智能路燈網(wǎng)關(guān)設(shè)計

智能路燈網(wǎng)關(guān)主控芯片仍采用STC32G12K128單片機，采用和智能路燈終端一樣的LORA模塊，采用NB-IOT將LORA匯聚的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云端服務(wù)器。智能路燈網(wǎng)關(guān)的原理框圖如下頁圖9所示，主控芯片驅(qū)動智能路燈網(wǎng)關(guān)的LORA模塊對智能路燈終端LORA數(shù)據(jù)進行匯集處理，形成一個局域網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)對終端路燈的控制；主控驅(qū)動NB-IOT模塊則是將匯集的數(shù)據(jù)傳送到云端服務(wù)器，從而實現(xiàn)了局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換傳輸。該網(wǎng)關(guān)供電電源電路以及LORA模塊電路設(shè)計與路燈控制終端接近，在此不再贅述，下面就NB-IOT模塊電路的設(shè)計進行描述。

3.1 NB-IOT通訊模塊電路的設(shè)計

NB-IOT通訊模塊用利爾達公司的NB86-G模組，該模組具有功耗低、抗干擾能力強、傳輸距離遠等特點。在設(shè)計該模塊電路時，要考慮模電傳輸數(shù)據(jù)時功耗的增加；在PCB布局布線時，要注意避開強電區(qū)，增強抗干擾能力。該模塊電路設(shè)計如圖10所示。

3.2 智能路燈網(wǎng)關(guān)的程序設(shè)計

主控MCU等待NB86-G模組啟動完畢后，通過AT指令配置NB-IOT模塊，從而連接服務(wù)器，然后讀取LORA匯集的數(shù)據(jù)，并通過AT指令將數(shù)據(jù)發(fā)送到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺；如果收到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺下發(fā)的數(shù)據(jù)，則對數(shù)據(jù)進行處理，并發(fā)送給LORA模塊，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給智能控制終端。其程序流程如圖11所示。

4 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的接入

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺（Aliyun IoT Platform）是阿里云推出的一款面向物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的平臺服務(wù)，涵蓋了設(shè)備接入、消息通信、規(guī)則引擎、數(shù)據(jù)存儲、API網(wǎng)關(guān)等核心功能。阿里云平臺提供可靠的設(shè)備管理、數(shù)據(jù)存儲和應(yīng)用開發(fā)支持，便于用戶進行設(shè)備管理和控制，以實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

在本方案中，接入阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的方法如圖12所示。首先注冊阿里云賬號，并開通物聯(lián)網(wǎng)平臺服務(wù)；其次在阿里云平臺上創(chuàng)建路燈指示、指令控制等必要設(shè)備，并對創(chuàng)建的設(shè)備進行管理控制；再次在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺使用云端SDK的方法建立安全數(shù)據(jù)通道；最后對設(shè)備數(shù)據(jù)的發(fā)送以及接受的格式進行解析，以便存儲控制。

5 測試與分析

試驗測試表明，該系統(tǒng)智能路燈能夠準確地檢測環(huán)境光強度，以及有效地感應(yīng)人車經(jīng)過，從而對路燈進行智能控制，并準確地計算路燈的功率以及狀態(tài)，通過LORA匯集路燈狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到智能路燈網(wǎng)關(guān)，而智能路燈網(wǎng)關(guān)通過NB-IOT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務(wù)器中。云端服務(wù)器能夠?qū)?shù)據(jù)進行處理分析，并根據(jù)分析結(jié)果向物聯(lián)網(wǎng)平臺發(fā)送控制指令，實現(xiàn)路燈照明的自動控制。該系統(tǒng)相比傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)，能夠有效地節(jié)約能源，具有較高的節(jié)能效果。

6 結(jié)語

本文提出了一種基于LORA和NB-IOT技術(shù)的智能路燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用傳感器檢測環(huán)境光強度和人車流量，通過LORA或NB-IOT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進行處理分析，并通過物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)對路燈照明的自動控制。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，并且能夠有效地節(jié)約能源。未來將進一步優(yōu)化系統(tǒng)的硬件設(shè)計和編程算法，提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

參考文獻

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收稿日期：2023-04-27