基于NB-IOT的智慧路燈管理系統(tǒng)

王世民，楊永杰

(南通大學 電子信息學院，江蘇 南通 226019)

隨著城市建設迅速發(fā)展，城市交通日益復雜，城市路燈管理問題也隨之而來，相關(guān)部門如何有效且高效的實現(xiàn)對城市路燈管理成了急待解決的問題[1]。而現(xiàn)今的城市路燈又以太陽能路燈為未來發(fā)展方向，其不同于以往的以交流電供電的路燈，這就要求管理部門要以更多的人工操作，費時費力，浪費資源，難于管理。因此研究一套先進的城市道路集中監(jiān)控管理手段來減輕勞動強度、節(jié)約資源、降低成本，使城市道路照明管理提高到信息化、數(shù)字化、高效節(jié)能化水平已成為城市照明管理的急需[2]。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

智慧路燈管理系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)為多層分布式結(jié)構(gòu)，從下至上可分為底層監(jiān)控層、中間傳輸層和頂層管理層。其中傳輸層是系整個系統(tǒng)的通訊樞紐，它運行狀態(tài)的穩(wěn)定與否直接決定整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量?？紤]到城市路燈通信容量大，路燈過多過于密集導致個別節(jié)點出現(xiàn)丟包的可能性，采用NB-IOT[3]通信方式接入頂層服務器終端，底層監(jiān)控層主要由監(jiān)控終端組成，而每個監(jiān)控終端作為一個路燈節(jié)點[4]，并且每個路燈節(jié)點有一個唯一的標識(IMEI)，這些節(jié)點與頂層服務器終端進行數(shù)據(jù)傳輸。而NB-IOT是非實時在線的，服務器和其之間無法實時通信，這就存在丟包的可能性，必須有重傳和驗證機制。所以此次系統(tǒng)采用華為的CoAP機制，這樣可避免丟包和沖突，確保底層監(jiān)控端與服務器通信良好。所有路燈實現(xiàn)分布式控制，底層終端將采集到的狀態(tài)、電量、溫濕度、位置等信息以網(wǎng)絡方式上傳到服務器[5]，上位機管理軟件通過讀取本地數(shù)據(jù)庫的信息進行對路燈信息的查詢與處理，若發(fā)現(xiàn)有路燈報錯提示，則將路燈的位置信息與可能的損壞信息打印給維修工人，維修工人可第一時間獲取路燈的位置，及時處理有問題的路燈，實現(xiàn)太陽能路燈管理的有效管理，提高城市管理的智慧化進程。

圖1 系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)終端硬件設計

系統(tǒng)的終端監(jiān)控層是整個系統(tǒng)硬件設計的主要部分。以一個監(jiān)控終端為例進行介紹，即一盞路燈的監(jiān)控。監(jiān)控終端的設計影響到整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可執(zhí)行性，其中的設計包括對多個子模塊的實現(xiàn)。監(jiān)控終端由數(shù)據(jù)采集與電量管理兩個部分組成，兩者之間通過數(shù)據(jù)的相互交互，從而使整個系統(tǒng)穩(wěn)定高效的工作。

2.1 終端數(shù)據(jù)采集部分的主要硬件設計

考慮到系統(tǒng)功能要求，采集部分的MCU采用ST公司的基于Cortex-M3架構(gòu)的增強型32位RISC內(nèi)核芯片-STM32F103C8T6，該芯片最高工作頻率為72 MHz,內(nèi)置高速存儲器(高達512 K字節(jié)的內(nèi)存和64 K字節(jié)的SRAM)[6]，豐富的增強I/O口和連接到兩條APB總線的外設，工作溫度范圍為-40℃至+105℃，以及一系列的省電模式完全符合本系統(tǒng)的設計所需。采集部分外圍硬件主要包括電量采集、狀態(tài)采集、GPS位置采集、故障采集等。處理器與各模塊的接口設計如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集硬件結(jié)構(gòu)圖

以STM32F103C8T6為中心的監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)采集部分主要包括以下功能：

(1)數(shù)據(jù)采集功能：利用光敏電阻、SHT20溫濕度傳感器實現(xiàn)對環(huán)境光照度與溫濕度的采集。通過基于ROM版本設計的L70-R GPS模塊，獲取當前路燈的具體位置，便于維修人員快速實現(xiàn)路燈定位。故障檢測部分將在電量管理部分涉及，這里不做介紹。

(2)交互與傳輸功能：監(jiān)控終端部分采集到的數(shù)據(jù)，處理器將數(shù)據(jù)通過NB-IOT發(fā)送到頂層服務器端，數(shù)據(jù)格式采用CJSON格式，通信波特率為115 200 bit/s[7]?？紤]到數(shù)據(jù)沖突問題以及通信可能存在的不穩(wěn)定因素，當出現(xiàn)以上的問題時，系統(tǒng)會將采集到數(shù)據(jù)暫存在SD卡中，待通信正常或者到了下一次發(fā)送周期時重新上傳SD卡中存儲的所有數(shù)據(jù)。

(3)其他功能：這里簡要說明一下電源管理部分中的供電功能。系統(tǒng)供電來自太陽能充電池，電池電壓為12 V，通過一塊LM2596電源芯片轉(zhuǎn)成5 V直流電，再通過一塊AMS1117-3.3 V電源芯片降壓，主芯片供電電壓為3.3 V。監(jiān)控終端的電量管理部分的硬件實現(xiàn)與功能將在下一小節(jié)進行介紹。

2.2 終端電量管理部分的主要硬件設計

上一小節(jié)介紹了數(shù)據(jù)采集部分的硬件組成和相關(guān)功能，而電量管理的硬件設計是整個系統(tǒng) 的核心部分。

在智慧路燈管理系統(tǒng)中，電量管理部分采用BQ27542-G1電源管理芯片，該芯片采用Impedance Track 算法進行電量監(jiān)測，并提供電池剩余電量(mAh)、充電狀態(tài)(%)、續(xù)航時間、電池電壓(mv)以及溫度(℃)等消息，支持最高容量14 500 mAh的電池檢測，還可提供針對內(nèi)部短路或電池端子斷開事件的檢測功能，完全滿足系統(tǒng)的設計要求。若想獲得準確的電量狀態(tài)，需讓BQ27542-G1電源管理芯片進行學習周期，利用TI公司提供得Battery Management Studio軟件對電池進行充放電的周期學習，采用IIC接口與軟件系統(tǒng)通信。周期學習步驟如圖3所示。

圖3 周期學習

電池的學習周期從一個電量半滿狀態(tài)開始(電池電壓穩(wěn)定且處于低電壓狀態(tài))，一般在3.0～3.3 V。然后將電池充電到滿(電池管理軟件必須檢測到電池充滿電)，一旦充電停止，電池電壓在高電壓，通常在4.1～4.2 V之間，此時再次使電池放電，則電池管理軟件采用再次對電池進行測量，并確定它所代表的電荷狀態(tài)，通過兩種已知的充放電狀態(tài)和通過的庫倫，量規(guī)計算出電池的最大容量[8]。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要由底層監(jiān)控終端與上位機管理軟件兩部分組成，下面將主要介紹管理軟件的設計流程。

3.1 監(jiān)控終端的軟件設計

底層監(jiān)控終端所需實現(xiàn)的功能較多，且在數(shù)據(jù)處理上面要求較高，這里主要以面向?qū)ο蟮乃枷脒M行程序的編寫，將各功能劃分為不同的對象函數(shù)，其中包括SD卡子函數(shù)、FLASH模塊子函數(shù)、GPS模塊子函數(shù)、光照度模塊子函數(shù)以及溫濕度模塊子函數(shù)等其他常用子函數(shù)。監(jiān)控終端的軟件設計主要結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 監(jiān)控終端軟件設計

3.2 上位機管理軟件的設計

上位機管理軟件采用Visual Studio軟件作為開發(fā)平臺，使用C#語言編寫，管理軟件從功能劃分可分為數(shù)據(jù)查詢、人事管理、常用工具等；根據(jù)使用權(quán)限可劃分為：非內(nèi)部管理人員與內(nèi)部管理人員，非內(nèi)部管理人員只有查詢等基礎(chǔ)功能的使用權(quán)，而內(nèi)部管理人員的權(quán)限則可使用所有功能。管理軟件在整個智慧路燈管理系統(tǒng)中起著承前啟后的作用，一方面管理軟件采用UDP協(xié)議與服務器進行數(shù)據(jù)傳輸，管理軟件接收到來自監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)，解析數(shù)據(jù)并存儲在數(shù)據(jù)庫中，另一方面，管理軟件從SQL SERVER數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)。管理軟件采用類似廣播的方式與監(jiān)控終端進行通信，監(jiān)控終端會同時收到來自管理軟件的指令，只有檢測到與自己的設備ID相一致時，才會將指令存儲在監(jiān)控終端，并按照指令執(zhí)行動作，數(shù)據(jù)格式采用CJSON格式。管理軟件的設計如圖5所示。

圖5 管理軟件設計

4 現(xiàn)場測試結(jié)果

該系統(tǒng)已經(jīng)在南通大學進行了現(xiàn)場測試。通過多次且長時間的現(xiàn)場測試，以及不斷的修改完善，系統(tǒng)能夠良好的實現(xiàn)預期效果。能夠按照系統(tǒng)設計要求采集電量、光照度、GPS位置等數(shù)據(jù)并上傳到服務器。路燈信息數(shù)據(jù)采集并上傳實現(xiàn)率達到98.23%，優(yōu)良的回傳機制能實現(xiàn)對路燈的有效控制，方便地實現(xiàn)了城市路燈的管理與監(jiān)控。管理部門可通過上位機管理軟件查看城市各區(qū)域的路燈狀況，和傳統(tǒng)的人工檢修與登記方法相比，實現(xiàn)了城市的路燈的智能管理，符合智慧城市的路燈管理要求。表1為現(xiàn)場測試的上位機軟件獲取到的路燈狀態(tài)信息。

表11 路燈狀態(tài)信息

地區(qū)編號光照/%濕度/%RH 狀態(tài)溫度/℃ 電量/%位置崇川區(qū)162.140.2良好26.180.3獲取崇川區(qū)261.545.3良好25.382.4獲取崇川區(qū)363.044.5良好27.586.1獲取崇川區(qū)435.557.6良好23.475.6獲取崇川區(qū)520.668.7良好20.573.5獲取

根據(jù)多次的現(xiàn)場測試結(jié)果可以看出，此系統(tǒng)運行穩(wěn)定，完全滿足系統(tǒng)的設計要求與城市路燈管理的智能化要求。路燈狀態(tài)信息能夠及時有效的上傳到上位機管理軟件，并被管理人員獲取。針對信息上傳中丟包的情況，后期將更改天線品質(zhì)，并優(yōu)化上傳數(shù)據(jù)的防沖突工作，數(shù)據(jù)上傳成功率能達到100%。

5 結(jié)束語

本文首次提出并實現(xiàn)了基于NB-IOT通信的智慧路燈管理系統(tǒng)的設計，將嵌入式技術(shù)、窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)有機融合[9]，實現(xiàn)了城市路燈的智能化管理，向智慧城市的進程邁出了一大步。本文提出的構(gòu)想旨在改善城市路燈管理方面的落后現(xiàn)象，同時也在智慧城市的其他基礎(chǔ)設施管理上面起到非常重要的標桿作用[10]。