基于NB-IoT的LED照明燈遠程監控系統設計與實現

楊佳卉，黃 浩，胡永明，顧豪爽

（湖北大學 物理與電子科學學院 鐵電壓電材料與器件湖北重點實驗室，湖北 武漢 430062）

0 引 言

隨著半導體發光技術的高速發展，作為“第4代光源”而備受矚目的LED技術已廣泛應用于手機屏幕背光源、交通信號燈、公共區域照明燈、汽車剎車燈等領域[1]。LED照明燈的使用范圍極廣，以一個城市的路燈為例，若以傳統的人力巡檢方式來監控所有路燈的工作狀態，其監管效率極低，且人力、物力、時間等綜合成本高昂[2]。

另一方面，LED照明燈的運行環境千差萬別，是否在額定工作參數條件下運行，以及運行環境中的溫度、濕度等的差異將導致LED照明燈的使用壽命不盡相同，若沒有長期、詳細記錄這些信息，將為燈具維護、保養、更換以及故障診斷等增加難度。

特別需要關注的是，對LED照明燈的故障診斷而言，在一定情況下，燈具制造廠家需要派人到現場進行故障分析，這樣的故障分析需耗費大量的人力、物力和時間成本，且因為歷史數據的缺失，無法保證故障診斷的精準性。另一方面，若發生了涉及用戶生命、財產安全的責任事故，歷史數據的缺失將無法有效開展對LED故障問題的根因分析。

隨著無線通信與遠程控制技術的發展，國內已有諸如基于ZigBee無線傳感網絡的LED照明控制系統[3]、3G技術在LED路燈照明智能監控系統中的應用[4]、基于GPRS的智能路燈遠程監控系統的研究[5]等LED照明智能控制系統的文獻報道。

本文設計了一種基于NB-IoT的LED照明燈遠程監控系統，采用NB-IoT技術實現了低功耗、廣覆蓋、低資費的遠程監控數據傳輸，將LED的主要工作狀態信息發送到云端服務器，記錄并跟蹤LED的工作曲線，基于所記錄的數據可有效定位故障原因，并預測故障是否發生。

1 基于NB-IoT的LED照明燈遠程監控系統

基于NB-IoT的LED照明燈遠程監控系統由智能硬件終端、NB-IoT無線通信網絡以及云端服務器組成。

1.1 智能硬件終端

基于NB-IoT的LED照明燈遠程監控系統的智能硬件終端由信息采集模塊、主控芯片、NB-IoT通信模塊以及電源模塊構成。硬件終端的組成結構如圖1所示。

數據采集模塊用于感知信息，并將感知到的信息發送給主控芯片。數據采集模塊包含了電流、電壓、溫度、濕度傳感器，且可拓展其他類型的傳感器。這些傳感器負責采集LED的電流、電壓以及所處環境的溫度、濕度信息，隨后傳送到主控芯片。

主控芯片具有數據處理和設備控制功能，用于對感知信息的處理和對電源模塊以及NB-IoT通信模塊的工作狀態控制。主控芯片將數據采集模塊中采集到的信息以一定的幀格式通過NB-IoT通信模塊發送到云端服務器。

通過NB-IoT通信模塊可實現終端與云服務器之間的互聯互通。其與主控芯片之間使用串口連接，雙向通信速率自適應可調[6]。

電源模塊為這些硬件提供能源支撐。電源模塊中的電池為可充電式電池，并配置有充電電路。

1.2 NB-IoT無線通信網絡

采用NB-IoT無線通信網絡可實現LED監控裝置與云端服務器之間的低成本、低功耗信息交互。

NB-IoT技術具有廣覆蓋[7]、低功耗、低成本、大聯接等特點[8]，基于運營商的投權頻譜，可廣泛應用于不同的物聯網垂直行業應用領域[9]。NB-IoT技術經LTE網絡架構演進[10]，使用現有的投權頻譜，信息的安全性和可靠性都有較大提升，且減少了許多不必要的干擾。NB-IoT支持待機時間短、對網絡連接要求較高的設備的高效連接。NB-IoT設備能在消耗較低電量下維持監控裝置的正常運作，其電池壽命普遍在10年以上，適用于LED照明燈遠程監控的無線通信技術。

1.3 云端服務器

云端服務器接收終端傳輸的數據幀，解析、分類并儲存在數據庫系統中，隨后采用算法進行分析和管理。云端服務器將數據分析結果發布在Web網頁和APP上，面向用戶展示。

1.4 系統流程圖

系統運行流程如圖2所示。

圖2 系統運行流程圖

系統通過數據分析、計算，向用戶提供LED的工作年限、工作狀態、工作環境以及故障提示。LED生產廠家可通過此系統對產品進行跟蹤調查，以便后續的技術升級和工藝改進。終端用戶可通過手機APP或登錄Web網站實時查看LED照明燈具的運行狀態及環境信息。當LED出現故障時，系統即時提醒并告知用戶。

2 LED智能監控裝置

LED智能監控裝置基于STM32主控芯片設計，實現了LED運行狀態及環境等關鍵信息的感知，通信模式的優化，終端與云端信息交互的規范，信息幀結構的定義等。

2.1 智能監控裝置的硬件連接

智能監控裝置的硬件連接如圖3所示。主控芯片型號為STM32F103VCT6，溫度傳感器型號為MVH340，兩者通過I2C接口通信。電壓傳感器和電流傳感器分別連接到主控芯片的AD2和AD1接口。NB-IoT通信模塊與主控芯片采用串口連接。

圖3 智能監控裝置的硬件連接示意圖

2.2 智能終端與云端服務器的信息交互

主控芯片是整個裝置的控制中心，從原始信息采集到通過NB-IoT網絡傳輸到云端服務器之間的整個流程均由其控制完成。

在LED運行狀態監控過程中，采集模塊將采集到的信息傳送到主控芯片。主控芯片將LED的實時電壓和電流信息以及LED的編號（與采集模塊編號一一對應）按固定的格式打包，再通過NB-IoT通信模塊進行傳輸。

具體的數據幀格式為：

# LEDDAT$ID0010V15.0A5.0T26H30

數據幀中字符串的定義及其所表示的具體信息如下：

（1）ID = LED編號

（2）V = LED電壓（單位：V）

（3）A = LED電流（單位：A）

（4）T = LED所處環境的溫度（單位：℃）

（5）H = LED所處環境的濕度（單位：%RH）

云端服務器接收到數據幀之后，按照其格式定義進行相應的數據解析。

3 云端服務器及數據庫系統

基于JSP和MySQL開發了云端Web服務器及數據庫系統，實現了LED的運行狀態等數據信息在云端的接收、保存、管理和顯示。

MySQL數據庫是一種關系數據庫管理系統，關系數據庫將數據保存在不同的表中，而非將所有數據放在一起管理，增加了速度并提高了靈活性。利用JavaScript連接數據庫，對數據庫進行讀寫。監控系統軟件平臺所需數據可用4個信息表進行存儲。t_idinf為LED燈額定信息表，記錄LED燈身份唯一識別碼，描述LED燈的編號、電流、電壓、溫度、濕度上下限狀態或者額定數值等相關信息；t_linf為LED燈實時信息表，記錄LED燈編號，實時電流、實時電壓、實時溫度、實時濕度、亮度等相關信息；t_aveinf 為LED燈平均信息表，記錄LED燈編號、平均電流、平均電壓、平均溫度、平均濕度等相關信息；t_uinf為用戶信息表，記錄已授權用戶的用戶名、用戶密碼。

云端服務器的數據庫系統可支持對某一時段的LED狀態進行查詢，具體數據以曲線或者表格的形式顯示。LED監控系統也可以一段時間內（如所示數據上一個月或者上一個星期）信息的平均值作為基準，在曲線圖中顯示一條基準線。手機APP與Web服務器共享數據庫信息。

4 結 語

文中設計了一種基于NB-IoT的LED照明燈遠程監控裝置及系統，實現了實時采集LED照明燈等工作電壓、電流以及LED燈所處環境的溫度、濕度等信息，并通過NB-IoT無線通信網絡遠程傳輸到云端服務器，從而為用戶提供LED照明燈工作狀態的遠程網絡監控服務，便于用戶及時獲知LED照明燈感知信息并進行相關任務的部署。NB-IoT網絡具有低成本、高效傳輸等優勢，可被廣泛應用于車輛燈光系統監控，交通燈監控，家庭或者企業燈光監控系統等方面，具有應用范圍廣，實用性強等優點。

[1]大谷義彥，夏晨.LED照明現狀與未來展望[J].中國照明電器，2007 （6）： 20-24.

[2]陳曉艷，高偉，秦歡，等.基于GPRS與ZigBee的LED路燈智能監控系統設計[J].電子測量技術， 2013， 36（10）： 62-66.

[3]俞建，劉紅.基于ZigBee無線傳感網絡的LED照明控制系統[J].機電工程， 2012， 29（11）： 1333-1336，1344.

[4]汪義旺，張波，吳鑠.3G技術在LED路燈照明智能監控系統中的應用[J]. 照明工程學報， 2012， 23（5）： 92-95.

[5]張偉，王宏剛，程培溫.基于GPRS的智能路燈遠程監控系統的研究[J].計算機測量與控制， 2010， 18（9）： 2104-2106.

[6]張建國.中國移動NB-IoT部署策略研究[J].移動通信， 2017， 41（1）： 25-30.

[7] HOGLUND A， LIN X， LIBERG O， et al. Overview of 3GPP Release 14 Enhanced NB-IoT [J].IEEE Network， 2017， 31（6）： 16-22.

[8] 佘莎， 黃嘉銘. 基于理論和實測的NB-IoT覆蓋分析[J]. 移動信息，2016（12）：72-74.

[9]曲井致. NB-IoT低速率窄帶物聯網通信技術現狀及發展趨勢[J].科技創新與應用， 2016（31）： 115.

[10] ZHANG H， LI J， WEN B， XUN Y， et al. Connecting intelligent things in smart hospitals using NB-IoT [J].IEEE Internet of Things Journal， 2018 （99）： 1.