基于NB-IoT的智慧路燈控制系統

周萬禹　桂永杰　焦東海　朱平平

摘 要：能源是一座城市的發展之本，隨著智慧城市建設的普及，如何將智能與節能相結合成為了研究的重中之重。針對傳統路燈能源浪費大、管理不便以及人工巡檢成本高的問題，文中設計一種基于NB-IoT的智慧路燈控制系統。該系統可以根據環境的明暗程度自動開啟或關閉路燈，用戶同時可以在云端對路燈遠程管理。系統以STM32L4為主控芯片，通過NB-IoT無線通信模塊上傳和下發指令，設備接入華為OceanConnect物聯網開發平臺使得用戶可以對路燈進行遠程管理。測試結果表明，該系統功能完備，工作穩定性較好。

關鍵詞：STM32;物聯網;NB-IoT;路燈;智能調光;智慧城市

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）07-00-03

0 引 言

能源是一座城市的發展之本，它決定著也限制著一座城市未來的發展走勢[1]。隨著智慧城市建設的普及，如何將智能與節能相結合成為了研究的重中之重。傳統的城市路燈照明系統往往通過制定道路照明開關時刻表來控制路燈的開啟或關閉[2]，然而每天的日出日落時間都會發生變化，并且環境的明暗程度會受到天氣的影響，因此在這種路燈控制方法下，容易造成環境昏暗時路燈不亮、環境明亮時路燈卻早早亮起的情況出現，對能源造成了極大的浪費;同時存在對路燈操作不便、人工巡檢投入大以及管理效率低下等問題[3]。

針對這一現象，本文研究并設計了一種基于NB-IoT的智慧路燈照明系統。該系統以STM32L4為主控芯片，通過光敏傳感器自動采集當前環境下的光照強度，當光強低于閾值時自動開啟照明，并通過NB-IoT將光強數據上報至云端服務器;用戶可登錄云端手動控制路燈的開啟或關閉，并可查看路燈的照明狀態，在便于管理的同時也降低了人共巡檢成本。

1 系統總體設計

智慧路燈照明系統的功能包括路燈根據環境光強自動開啟或關閉、云端對路燈下發指令以及遠程監控路燈工作狀態。系統主要由路燈終端和云端服務器組成。路燈終端由光強傳感器和NB-IoT模塊構成。用戶可登錄云端服務器實時的遠程觀測路燈的工作狀態以及采集到的光強，并可以手動向路燈終端下發開燈或關燈的指令。該系統的總體原理框圖如圖1所示。

2 系統的硬件設計

2.1 NB-IoT無線通信模塊

本系統采用NB-IoT無線通信模塊BC35-G。BC35-G是一款高性能、低功耗的多頻段NB-IoT無線通信模塊，支持B1/B3/B8/B5/B20/B28 頻段。其尺寸僅為23.6 mm×

19.9 mm×2.2 mm，能夠有效地減小產品尺寸并優化產品成本。BC35-G在設計上兼容移遠通信GSM/GPRS系列的M35 模塊和LPWA系列的BC95模塊，便于快速、靈活的進行產品設計和升級[4-5]。主控芯片STM32通過串口向BC35發送AT指令從而實現對模塊的控制，STM3的TXD和RXD引腳分別與BC35的RXD和TXD引腳相連接。其接口電路如圖2所示。

2.2 光強傳感器模塊

該系統采用BH1750FVI光照強度傳感器。BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數字式光強度傳感器，采集范圍可達1～65 535 Lux，采用標準的I2C總線傳輸方式[6-7]。

主控芯片STM32通過I2C總線向傳感器發送起始信號，并向傳感器發送設備地址和寫信號，發送完畢后主機等待傳感器應答，應答后主機向從機發送內部寄存器地址，主機等待傳感器應答。傳感器第一次測量完成的時間不大于180 ms，讀取BH1750的16位數據，數據為高位和低位，首先讀取高位數據（15：8），并發送應答，再讀取低位數據（7：0），不向主機發送應答，主機停止發送信號，采集過程結束。

2.3 照明模塊

系統以發光二極管模擬路燈終端，為使發光二極管能夠穩定照明，系統使用PT4211E23E芯片為發光二極管恒流驅動，PT4211E23E芯片具有較為良好的恒流驅動效果，因此將此芯片應用在照明模塊中。其電路如圖3所示。

3 系統的軟件設計

3.1 系統的總體設計

系統軟件設計主要包括一下幾個任務：光照強度的獲取、NB-IoT模塊信息的發送與接收、LCD模塊的顯示以及照明模塊的控制等。智慧路燈照明系統的軟件工作流程如圖4所示。

3.2 NB-INB-IoT模塊程序設計

系統采用TCP發送數據至服務器。首先發送AT檢查端口是否正常，返回“OK”則代表模塊工作正常;發送AT+CIMI查詢SIM卡的IMSI號，并檢測SIM卡是否正常插上;發送AT+CGSN=1獲取設備的IMEI[8];發送AT+CSQ獲取網絡的信號強度;發送AT+CEREG？獲取模塊的注網狀態，若返回“1”則代表成功附著至NB網絡[9];發送AT+NSOCO=2，48.100.152.3，4528創建TCP連接，服務器IP地址為48.100.152.3，端口號為4528;發送AT+CIPSEND向服務器發送數據。

3.3 云端服務器設計

系統采用華為OceanConnect物聯網平臺。OceanConnect 是華為公司基于物聯網、云計算和大數據等技術打造的開放生態環境。OceanConnect 圍繞著華為IoT聯接管理平臺，提供了170多種開放API和系列化Agent幫助用戶加速應用上線，簡化終端接入，保障網絡聯接，實現與上下游伙伴產品的無縫聯接，同時提供面向用戶的一站式服務，包括各類技術支持、營銷支持和商業合作[10]。

Web端服務器的開發分為開發Profile文件以及開發編解碼插件[11]。進入OceanConnect物聯網平臺管理中心后，首先點擊新建項目，然后選擇自定義產品選項，填寫相關信息后成功創建產品。在Profile定義中新增名稱為“Agriculture”的服務，在該項服務下新增名稱為“Temperatue”“Humidity”和“Luminance”的屬性，數據類型選擇為“int”，勾選全部訪問模式“RWE”。接下來點擊添加命令，輸入命令名稱為“Set_LED”，通過該命令實現云端對路等終端亮滅燈的控制。

4 測試結果與分析

系統上電后，路燈終端首先會進行初始化操作，同時NB-IoT無線通信模塊附著至NB網絡，在OceanConnect物聯網管理平臺則會看到相應的設備上線。路燈終端開始正常工作后，將實時采集當前環境的光照強度，并將光強數據上報至OceanConnect管理平臺，當環境的光強小于開燈閾值或大于熄燈閾值時，路燈則會做出相應的開關燈操作。同時用戶可通過OceanConnnect管理平臺手動向路燈終端下發開燈或熄燈的命令，測試效果如圖6和圖7所示。

5 結 語

文中研究并設計了基于NB-IoT的智慧路燈控制系統。對智慧路燈控制系統的硬件和軟件進行了詳細設計，包括光照強度采集模塊、信息的無線傳輸模塊以及云端服務器平臺，并對系統進行了試驗測試。結果顯示：該系統功能較為完備，通過路燈終端與云端管理平臺相配合實現了對路燈的智能控制。

參考文獻

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