基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

基金項(xiàng)目：

2021年廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“基于DALI及無(wú)線(xiàn)技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用”（編號(hào)：2021KY1125）；2021年廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“基于RFID自組網(wǎng)技術(shù)的固定資產(chǎn)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)”（編號(hào)：2021KY1128）；2019年廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“基于物聯(lián)網(wǎng)微信掃碼智能交流充電樁的研究與應(yīng)用”（編號(hào)：2019KY1346）

作者簡(jiǎn)介：

韋家正（1985—），碩士，副教授，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電子應(yīng)用技術(shù)。

摘要：針對(duì)目前智慧路燈市場(chǎng)存在的功能單一和高能耗等問(wèn)題，文章研發(fā)了一種創(chuàng)新的云邊端協(xié)同的NB-IoT智慧路燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32微控制器為核心，利用NB-IoT通信模組使路燈與控制中心連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)采集和故障定位等功能。經(jīng)LED路燈測(cè)試驗(yàn)證，該基于NB-IoT的慧路燈系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)節(jié)能、智能和集中管理，可為智慧城市建設(shè)提供新思路和實(shí)用價(jià)值，有望推動(dòng)城市智能化發(fā)展。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智慧路燈；北斗定位；云邊端協(xié)同

中圖分類(lèi)號(hào)：U495文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 51 169 4

0 引言

智慧路燈系統(tǒng)在智慧城市建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，不僅提供照明功能，還實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能調(diào)控，提高能源利用效率，降低維護(hù)成本，改善居民生活質(zhì)量，也使智慧城市建設(shè)全面推進(jìn)，提升管理效率。智慧路燈可自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度、監(jiān)測(cè)交通安全、報(bào)警故障、云端控制。未來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展，智慧照明系統(tǒng)或能通過(guò)路燈引導(dǎo)車(chē)輛行駛。

本研究旨在研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)路燈的智能管理和節(jié)能。通過(guò)深入分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合智慧城市需求，設(shè)計(jì)全面的智慧路燈系統(tǒng)。研究包括硬件架構(gòu)、通信技術(shù)、智能算法等方面，旨在提供創(chuàng)新解決方案。實(shí)地試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析將驗(yàn)證系統(tǒng)可行性，探討其效果和優(yōu)勢(shì)。這將為智慧城市建設(shè)提供有益參考，促進(jìn)智慧路燈系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展。

1 智慧路燈總體系統(tǒng)組成

智慧路燈系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，主要包括智慧路燈終端單元、NB-IoT基站、云端平臺(tái)以及物聯(lián)網(wǎng)智慧路燈管控系統(tǒng)。NB-IoT通信系統(tǒng)涵蓋感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層包括安裝在路燈上的控制器和傳感器，網(wǎng)絡(luò)層則包括NB-IoT基站和云平臺(tái)，應(yīng)用層則涵蓋移動(dòng)設(shè)備和監(jiān)控中心。整體硬件架構(gòu)如圖1所示。

2 智慧路燈的硬件設(shè)計(jì)

NB-IoT終端智慧路燈的組成包括功率采集模塊、光照傳感器模塊、溫濕度采集模塊、PWM（脈寬調(diào)制）驅(qū)動(dòng)模塊、北斗定位模塊和毫米波雷達(dá)等模塊。整體硬件系統(tǒng)組成如圖2所示。

智慧路燈系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2中的方框所示。市電AC220 V經(jīng)過(guò)AC/DC電源模塊轉(zhuǎn)換為直流電，為各個(gè)模塊供電。電源模塊能提供直流±12 V、+5 V和+3.3 V三種不同的電壓［1］。毫米波雷達(dá)采用S3KM1110芯片。電量監(jiān)測(cè)用HLW8032芯片實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸至主控，用于故障診斷和電能監(jiān)測(cè)。定位采用ATK1218模塊，該模塊能實(shí)現(xiàn)GPS和北斗雙模定位。光線(xiàn)傳感器采用TEMT6000X01檢測(cè)環(huán)境的光照度，使用主控內(nèi)部12位ADC采樣輸出的模擬電壓并換算成對(duì)應(yīng)的光照度。主控通過(guò)硬件輸出PWM控制LED的亮度，繼電器用作路燈的開(kāi)關(guān)。NB-IoT通信模組采用塔石物聯(lián)網(wǎng)E33V-AT，用作基站和云平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)通信。

2.1 主控電路的設(shè)計(jì)

主控電路采用意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）公司生產(chǎn)的STM32F103RCT6嵌入式微處理器作為核心［2］，下文簡(jiǎn)稱(chēng)STM32。該MCU采用ARM Cortex-M3核心，運(yùn)行頻率高達(dá)72 MHz，片內(nèi)集成12位ADC模塊、PWM脈寬調(diào)制器、通用串行接口等外設(shè)資源；還包括128 KB的Flash存儲(chǔ)器和20 KB的SRAM，可滿(mǎn)足存儲(chǔ)程序代碼和數(shù)據(jù)的需求；支持多種外設(shè)接口，如多個(gè)通用定時(shí)器、串行通信接口（USART、SPI、I2C）、ADC等。由于其性能穩(wěn)定、外設(shè)豐富且靈活，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動(dòng)化、智能家居、消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域。

2.2 RS485總線(xiàn)接口電路

STM32通過(guò)RS485總線(xiàn)接口電路實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器等子模塊的數(shù)據(jù)讀取，RS485總線(xiàn)接口電路主要由MAX3485芯片及外圍電路構(gòu)成（如圖3所示）。MAX3485芯片的RX和TX引腳分別是接收和發(fā)送引腳；R2為RS485總線(xiàn)120 Ω匹配電阻。

2.3 功率采集模塊的設(shè)計(jì)

功率檢測(cè)是整個(gè)智慧路燈系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功率并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的光照和人車(chē)流量自動(dòng)控制照明的亮度。功率采集模塊采用合力為科技生產(chǎn)的單相計(jì)量集成芯片HLW8032，其為一款集成了功率計(jì)算功能的電能表芯片，被廣泛應(yīng)用于電能計(jì)量和功率監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。該芯片具有高精度的單相測(cè)量能力，能夠精確測(cè)量功率因數(shù)、電流、電壓等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的功率計(jì)算和電能測(cè)量。HLW8032支持串行接口通信，便于與微控制器或其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制功能。同時(shí)，該芯片具有低功耗的特點(diǎn)，在非工作狀態(tài)下消耗較低的能量，提高能源利用效率。HLW8032功率采集模塊適用于智能電表、功率監(jiān)測(cè)設(shè)備、電能計(jì)量?jī)x等電力系統(tǒng)中需要進(jìn)行功率測(cè)量和計(jì)量的應(yīng)用場(chǎng)合。具體應(yīng)用電路如圖4所示。

電路中的R2是1 mΩ±0.1%的錳銅采樣電阻，錳銅采樣電阻具有溫度系數(shù)低、精度高、耐高溫、耐腐蝕、線(xiàn)性度好、穩(wěn)定性強(qiáng)和耐磨損等特點(diǎn)，適用于各種精密測(cè)量和控制系統(tǒng)中作為穩(wěn)定可靠的采樣電阻元件使用。

查閱官方提供的數(shù)據(jù)手冊(cè)可以得到計(jì)算電壓有效值的計(jì)算公式［3］：

有效電壓=電壓參數(shù)寄存器電壓寄存器×電壓系數(shù)

（1）

電壓系數(shù)是電壓通道的電阻分壓系數(shù)，以圖4為例，電壓采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)R3和R5電阻進(jìn)行分壓，則可以計(jì)算電壓系數(shù)：

電壓系數(shù)=2 M1 K×1 000=2 000 K1 000 K=2

（2）

電流有效值的計(jì)算：

有效電流=電流參數(shù)寄存器電流寄存器×電流系數(shù)

（3）

電流系數(shù)是電流通道的電阻系數(shù)，以圖4為例，采樣電阻R2為0.001 Ω，則電流系數(shù)為：

電流系數(shù)=1R×1 000=10.001×1 000=1

（4）

有功功率的計(jì)算：

有功功率=功率參數(shù)寄存器功率寄存器×電壓系數(shù)×電流系數(shù)

（5）

視在功率的計(jì)算：

視在功率=有效電壓×有效電流

（6）

功率因數(shù)的計(jì)算：

功率因數(shù)=有功功率視在功率

（7）

2.4 北斗定位模塊電路

定位模塊采用ATK1218實(shí)現(xiàn)，該模塊是正點(diǎn)原子推出的一款高性能GPS和北斗雙模定位模塊，采用S1216F8-BD模組，具有體積小、性能優(yōu)異等特點(diǎn)［4］；可通過(guò)串口進(jìn)行參數(shù)配置，并保存至Flash中；模塊自帶可充電備用電池，可在模塊掉電后約30 min內(nèi)持續(xù)保存星歷數(shù)據(jù)，配合模塊的溫啟動(dòng)或熱啟動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)快速定位［5］，適用于精密定位需求，采用低功耗技術(shù)，節(jié)能高效。被廣泛應(yīng)用于車(chē)載定位、智能交通、物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。模塊和主控之間通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，模塊的硬件電路如圖5所示。

ATK1218模塊與主控之間采用UART通信方式，數(shù)據(jù)讀取采用NMKA0183協(xié)議，控制協(xié)議為SkyTraq。用戶(hù)可使用SKyTraq提供的GNSS_Viewer軟件對(duì)該模塊進(jìn)行串口波特率等參數(shù)配置。

2.5 毫米波雷達(dá)接口電路

為了節(jié)能環(huán)保，在人車(chē)流量少的時(shí)段，需適當(dāng)調(diào)整照明亮度達(dá)到節(jié)能省電的作用。在智慧路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)中毫米波雷達(dá)可以對(duì)運(yùn)動(dòng)、站立和靜止人體進(jìn)行探測(cè)、識(shí)別，結(jié)合雷達(dá)信號(hào)處理、準(zhǔn)確人體感應(yīng)和測(cè)距算法，可獨(dú)立配置區(qū)間感應(yīng)靈敏度，提升抗干擾性能。毫米波雷達(dá)采用矽典微生產(chǎn)的S3KM1110芯片，該芯片是矽典微單發(fā)單收智能毫米波傳感器SoC，芯片采用CMOS全集成架構(gòu)，專(zhuān)為AIoT應(yīng)用場(chǎng)景定制開(kāi)發(fā)，具有小尺寸、低功耗、簡(jiǎn)單易用的特點(diǎn)。其工作在24 GHz的K波段，每個(gè)單頻掃描的調(diào)制帶寬高達(dá)1 GHz。利用FMCW調(diào)頻連續(xù)波，對(duì)設(shè)定空間內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。結(jié)合雷達(dá)信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)高靈敏度的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和微動(dòng)檢測(cè)。

2.6 環(huán)境檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器在智慧路燈系統(tǒng)中扮演關(guān)鍵角色。監(jiān)測(cè)環(huán)境溫濕度變化，由傳感器實(shí)時(shí)提供數(shù)據(jù)，幫助系統(tǒng)智能調(diào)節(jié)亮度、節(jié)能控制、保護(hù)設(shè)備。傳感器數(shù)據(jù)分析優(yōu)化路燈運(yùn)行，提高能源利用效率，實(shí)現(xiàn)智能化控制，改善城市環(huán)境和用戶(hù)體驗(yàn)，支持智慧城市建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展。

該智慧路燈溫濕度傳感器選用廣州奧松電子有限公司生產(chǎn)的AHT20傳感器。AHT20采用SMD封裝標(biāo)準(zhǔn)，輸出TTL電平數(shù)字式溫濕度信號(hào)，具有精度高、響應(yīng)快、功耗低、工作范圍廣（-40 ℃至+125 ℃）、超低漂移和優(yōu)異線(xiàn)性性能等特點(diǎn)。采用I2C通信接口，適用于智能家居、工業(yè)自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。AHT20是一款性能優(yōu)越且易于使用的傳感器設(shè)備，其硬件接口電路如圖6所示。

AHT20傳感器的性能參數(shù)如表1和表2所示。

2.7 NB-IoT通信模塊硬件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)采用塔石物聯(lián)網(wǎng)的NB-IoT模塊。NB-IoT通信模塊是智慧路燈聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的通信設(shè)備，具有低功耗、穩(wěn)定連接、低成本、數(shù)據(jù)安全、遠(yuǎn)程管理和高可靠性等功能。其低功耗設(shè)計(jì)適用于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，強(qiáng)信號(hào)穿透性和覆蓋范圍廣，確保穩(wěn)定連接，硬件成本低且通信費(fèi)用較低適合大規(guī)模應(yīng)用，支持端到端加密通信保障數(shù)據(jù)安全，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和升級(jí)便于設(shè)備管理，高通信可靠性適用于對(duì)穩(wěn)定性要求高的智能城市和農(nóng)業(yè)等場(chǎng)景。

3 智慧路燈的軟件設(shè)計(jì)

智慧路燈主控程序流程如圖7所示：進(jìn)行程序初始化，包括電量采集、讀取毫米波雷達(dá)、北斗定位、光強(qiáng)檢測(cè)、NB-IoT聯(lián)網(wǎng)等組件的初始化；進(jìn)入主循環(huán)，通過(guò)定時(shí)巡檢各子模塊數(shù)據(jù)采集、人體和車(chē)輛運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、北斗定位坐標(biāo)獲取、光強(qiáng)檢測(cè)等任務(wù)，接收NB-IoT數(shù)據(jù)進(jìn)行LED調(diào)光；將路燈控制器采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺(tái)，完成數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制功能。

3.1 NB-IoT通信程序設(shè)計(jì)

智慧路燈中的NB-IoT通信程序設(shè)計(jì)主要包括初始化階段（見(jiàn)圖8）和發(fā)送數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖9）兩部分。初始化階段完成NB-IoT模塊的初始化設(shè)置，包括連接網(wǎng)絡(luò)、配置參數(shù)等；主循環(huán)中通過(guò)定時(shí)器定時(shí)巡檢各傳感器數(shù)據(jù)，如光照、溫濕度等，同時(shí)監(jiān)測(cè)NB-IoT模塊是否接收到指令，若接收到指令則進(jìn)行相應(yīng)控制操作，如調(diào)光等。此外，程序還需處理傳感器數(shù)據(jù)和NB-IoT模塊的通信協(xié)議，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定和可靠性。最終，程序?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)通過(guò)NB-IoT模塊發(fā)送至云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能路燈的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

3.2 AHT20傳感器數(shù)據(jù)的讀取

AHT20傳感器與MCU之間通信采用Ⅰ2C接口協(xié)議，本次數(shù)據(jù)讀取采用模擬Ⅰ2C的驅(qū)動(dòng)方式，MCU和傳感器僅需要連接SCL和SDA兩根數(shù)據(jù)線(xiàn)即可，讀取數(shù)據(jù)遵循Ⅰ2C標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

3.2.1 相對(duì)濕度轉(zhuǎn)換

相對(duì)濕度RH可以根據(jù)SDA輸出數(shù)據(jù)的相對(duì)濕度信號(hào)SRH通過(guò)式（8）計(jì)算獲得［6］：

RH［%］=（SRH220）×100%

（8）

3.2.2 溫度轉(zhuǎn)換

溫度T可通過(guò)將溫度輸出信號(hào)ST代入式（9）計(jì)算得到：

T［℃］=（ST220）×200-50

（9）

4 結(jié)果分析

本研究使用額定功率為120 W的LED路燈在廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院昆侖校區(qū)通往教學(xué)樓的主干道上進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)路燈未檢測(cè)到行人或車(chē)輛經(jīng)過(guò)時(shí)，LED路燈功率設(shè)定為額定功率的20%，進(jìn)入低功耗模式。路燈及控制器安裝在7.5 m高處，控制器上電后，可通過(guò)PC端云平臺(tái)或移動(dòng)APP發(fā)送開(kāi)關(guān)控制命令。在路燈開(kāi)啟狀態(tài)下，毫米波雷達(dá)自動(dòng)檢測(cè)周?chē)欠裼行腥嘶蜍?chē)輛，若無(wú)行人或車(chē)輛經(jīng)過(guò)，則40 s后路燈自動(dòng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。路燈出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)可將故障狀態(tài)發(fā)送至云平臺(tái)并發(fā)出報(bào)警提示，移動(dòng)端顯示路燈狀態(tài)及位置信息。如圖10所示。

云端返回的數(shù)據(jù)和儀器設(shè)備數(shù)據(jù)基本一致，濕度參數(shù)比儀器測(cè)量誤差超過(guò)±3%RH，出現(xiàn)誤差的原因是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的濕度受到風(fēng)吹等環(huán)境影響所致，但數(shù)據(jù)在允許的誤差范圍內(nèi)。因測(cè)試時(shí)段路邊很少有人車(chē)經(jīng)過(guò)，智慧路燈自動(dòng)進(jìn)入降低PWM占空比的低功耗休眠模式，以達(dá)到節(jié)能省電的功能作用，若有人經(jīng)過(guò)將會(huì)自動(dòng)重新觸發(fā)喚醒增加照明亮度。

5 結(jié)語(yǔ)

該智慧路燈系統(tǒng)集成了NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)、毫米波雷達(dá)、云平臺(tái)和智慧路燈管控系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了智能亮度調(diào)節(jié)，節(jié)省電能。同時(shí)，結(jié)合GPS和北斗定位系統(tǒng)，快速準(zhǔn)確定位故障路燈位置，降低維護(hù)成本和時(shí)間。云邊端協(xié)同構(gòu)建完善的智慧路燈控制系統(tǒng)［7］，技術(shù)成熟、成本低廉，具有廣闊的應(yīng)用推廣前景。

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