基于窄帶物聯網技術的路燈監控系統的設計與實現

李艷嬌 李莉 羅漢文 許暉

摘 要： 針對路燈集中控制不方便、信息監控不及時、人力巡檢方式效率低等傳統路燈系統在實際應用中存在的問題，提出了一種基于窄帶物聯網（NB-IoT）技術的路燈監控系統設計方案.該方案利用主控STM32L431 RCT6芯片，連接了華為物聯網管理平臺，在應用端開發了應用程序（APP）對路燈進行遠程實時監控.實驗結果顯示：系統實現了對路燈的實時監控及智能化控制.

關鍵詞： 窄帶物聯網（NB-IoT）; 路燈監控; STM32L431 RCT6芯片

中圖分類號： TN 929.5文獻標志碼： A文章編號： 1000-5137（2019）01-0026-07

Abstract： For the application problems of traditional street light system，such as inconvenient centralized control，untimely information monitoring and low efficiency of human inspection，it proposed an improved street light monitoring design scheme based on narrow band internet of things （NB-IoT） technology.The solution was based on the main control chip STM32L431 RCT6，which was connected to the management platform of Huawei，and performed the real-time monitoring of street light remotely on the program of the application （APP）.The experimental results showed that the system fulfilled the real-time monitoring and intelligent control of street light.

Key words： narrow band internet of things （NB-IoT）; street light monitoring; STM32L431 RCT6 chip

0 引 言

路燈作為智慧城市建設必不可少的基礎設施，直接反映一個城市建設的水平[1].傳統的路燈監控系統一般采取線路集中控制、人力巡檢、電腦端監控等方式，在實際應用中不能實現對路燈的精準化管理.劉鳳霞等[2]提出了一種ZigBee結合通用分組無線服務（GPRS）技術的智能路燈控制系統，基于單片機，將傳感器節點和物聯網網關融合，實現了數據傳輸、電腦監控及實時查看等功能.但是這種方式需要部署網關控制路燈，成本高，組網難度高，操作、管理麻煩.王曉暉等[3]提出了一種基于遠距離無線電（LoRa）技術的遠距離智能照明系統，雖然解決了傳輸距離局限性問題，但延時較長，易受電波干擾，可靠性較差.

針對以上問題，本文作者提出了一種基于窄帶物聯網（NB-IoT）技術的路燈監控系統，該系統無需重新組網，射頻和天線也基本都是復用，并且抗干擾性好，低功耗，低成本.通過連接華為物聯網OceanConnect管理平臺，連接路燈終端與監控中心，對系統內每一盞路燈進行管控、監測及故障定位，節省了運維成本，增加了經濟效益，提升了路燈監控智能化管理的水平，滿足了智慧城市設施智能化、治理精細化的要求.

1 基于NB-IoT技術的路燈監控系統

1.1 系統架構

NB-IoT路燈智能監控系統的組網架構圖如圖1所示，包括路燈終端、NB-IoT網絡、OceanConnect平臺和監控中心4個層次結構.

路燈終端集成了NB-IoT通信模組的單燈控制器裝置.該裝置包括路燈設備（內置傳感器）、主控芯片、NB-IoT通信模組和電源模塊.通過NB-IoT通信模組與無線網絡通信，用以控制每盞路燈的開、關，以及采集路燈信息.

NB-IoT網絡包括NB-IoT技術與核心網.該網絡采用先進的NB-IoT低功耗廣域通信技術，授權無線頻譜資源，采用電信級端到端的安全技術，保障數據和接入方式的安全.

OceanConnect平臺是華為的物聯網管理平臺.該平臺擁有豐富的協議適配能力，支持海量多樣化路燈設備接入，能實現不同類型路燈設備及不同監控中心的統一接入和管理，以確保互聯互通.

監控中心包括手機應用程序（APP）和服務器.管理員可以通過服務器中心驗證身份后，在手機APP端進行遠程數據查詢和監控，實現實時信息監測和存儲.

1.2 NB-IoT網絡

NB-IoT是一種新的窄帶蜂窩通信低功耗廣域網（LPWAN）技術，具有覆蓋廣、多連接、功耗低、成本低等特點[4].其與LoRa及ZigBee技術的性能特點對比如表1所示.

2 NB-IoT端到端集成開發

2.1 硬件結構設計

NB-IoT路燈監控系統的路燈終端由主控芯片（STM32L431 RCT6）、NB-IoT通信模組（BC35-G）、光照傳感器（BH1750）、溫濕度傳感器（DHT11）、全球定位系統（GPS）傳感器，以及電源模塊構成，組成結構如圖2所示.

2.2 軟件設計

2.2.1 數據通信協議選擇

路燈終端和OceanConnect平臺之間采用受限制的應用協議 （CoAP）[8]，該協議是一種應用層通信協議，遵循客戶端/服務器（C/S）架構，基于UDP傳輸，無需建立三次握手，即可接入互聯網.協議最小數據包僅為4 B，可滿足現在微型機之間的通信需求.

圖1所示系統中，OceanConnect平臺和監控中心之間的數據通信協議采用的是超文本傳輸協議（HTTP）[8]，該協議是一種應用層通信協議，包含命令和傳輸信息，遵循C/S架構，可以用于因特網應用系統之間的通信，從而實現各類應用資源超媒體訪問的集成.

2.2.2 OceanConnect平臺集成開發

在圖1所示的OceanConnect平臺上，通過編寫profile文件來描述路燈設備的類型和服務能力，如圖3所示.devicetype-capability.json程序描述的是路燈設備的能力特征，包括廠商（manufacturerName）、型號（model）、協議類型（protocolType）、設備類型（deviceType）以及提供的服務類型（serviceTypeCapabilities），servicetype-capability.json程序還提供了路燈設備的溫度（Temperature）、濕度（Humidity）、光照強度（Light）、經度（Longitude）及緯度（Latitude）等服務類型的具體信息.

編寫對應profile文件的編解碼插件后，OceanConnect平臺負責調用該編解碼插件，實現二進制消息轉json格式的功能，從而完成路燈終端和OceanConnect平臺之間數據上報和命令下發的雙向通信，對路燈設備進行高效、可視化的管理.

2.3 系統上下行消息傳遞流程

在上行方向上，先采集路燈設備數據，將數據按自定義規則進行編碼，并通過串口以AT命令形式發送已編碼的數據給NB-IoT通信模組.NB-IoT通信模組接收到AT命令后，自動將命令封裝為CoAP協議的消息，并發送給配置好的OceanConnect平臺.OceanConnect平臺收到數據后，自動解析CoAP協議包，根據路燈設備profile文件，找到匹配的編解碼插件，將數據解析為與路燈設備profile中匹配的json數據，并存于OceanConnect平臺.最后，監控中心通過數據查詢接口（RESTful）獲取OceanConnect平臺上的數據.

在下行方向上，監控中心先調用RESTful接口向OceanConnect平臺發送異步命令（json數據）.如果OceanConnect平臺判斷路燈設備在線，則立即下發命令;若路燈設備離線，則將命令緩存于OceanConnect平臺的數據庫中.然后，路燈設備在某時刻上報數據，OceanConnect平臺收到數據后，檢索對應路燈設備在數據庫中是否存在有效而未下發的命令，如有，則下發該命令.最后，命令通過編解碼插件進行編碼，并被發送到路燈設備，路燈設備收到命令，執行命令，并返回執行結果至OceanConnect平臺.根據命令執行結果，OceanConnect平臺修改對應的命令狀態.

3 實驗結果

3.1 系統搭建

把光照、溫濕度、GPS傳感器等模塊與主板相連，通過USB或者3.7 V鋰電池給主板供電，然后采用串口調試工具QCOM，設置比特率為9600 bit·s-1，將路燈終端與OceanConnect平臺進行綁定，如圖4，5所示.本實驗基于EVB_M1開發板和傳感器，測試模擬2個路燈設備，LED 2為主路燈，LED 1為輔道燈，F1，F2，F3，F4為控制LED 1路燈的4個手動開關.

3.2 數據上傳下發測試

設置LED 2固定開燈時間為當天18：00至次日早晨06：30.當監測的光照強度達到閾值時，通過OceanConnect平臺或者監控中心及時下發命令，根據“夏季早上可適當提前關燈，冬季早上應適當延后關燈”“主路燈亮”“開關輔道燈”等控制方式，在保證照明質量的前提下進行靈活的單燈節能調控，有效降低路燈照明用電量，實現節能減排.

在不同光照強度的環境下，路燈終端實時向OceanConnect平臺上傳數據.依照設定好的協議，OceanConnect平臺將收到的數據解析并顯示.

命令下發測試與數據上傳測試保持相同條件，由OceanConnect平臺向路燈終端發送開燈、關燈指令.如圖6所示，顯示命令已成功送達，從第二個大括號開始，“ON”“OFF”分別代表開、關LED 2主路燈，“LED_ON”“LED_OFF”分別代表開、關LED 1輔道燈.

3.3 APP功能實現

手機APP通過藍牙、WiFi等無線技術實現對路燈的遠程監控.通過OceanConnect平臺的RESTFUL_API接口進行數據提取和命令下發，實現對路燈的監測、控制和數據的上傳下發，如圖7所示.通過借助GPS傳感器和分析OceanConnect平臺的設備記錄日志，可對路燈故障進行精準定位，指導運維人員定向維修，改變以前主要依靠人工巡檢、熱線報修的運維方式，實現了精細化管理.

4 結 論

設計了一種基于NB-IoT技術的路燈監控系統，實現了對路燈所處環境的溫度、濕度、光照強度及經緯度等狀態信息的實時采集，并通過NB-IoT網絡遠程將信息傳輸到監控中心的手機APP端，從而為用戶提供路燈工作狀態的遠程網絡監控服務，便于用戶及時獲知路燈感知信息，并進行相關任務的部署.通過路燈的溫度信息，可預測路燈的使用壽命;通過路燈環境濕度的數據，可提供燈具ingress protection（IP）防水等級的優化設計;通過光照、GPS傳感器的檢測數據，可實現對路燈的開關控制及故障定位.還可通過多種傳感器的數據采集、上報及存儲，對周圍環境的溫度、濕度、光照強度等因素進行在線環境質量監測.

本文作者主要研究了光照強度值對于路燈監控系統的影響，但沒有結合考慮紅外線條件等其他因素，NB-IoT自身具有低功耗特性，但本研究所采用的開發板存在功耗偏高問題，這些都有待進一步的研究和改進.

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（責任編輯：包震宇，顧浩然）