路燈智能控制與管理系統

李成竹

（北京創安利市政建設（集團）有限責任公司，北京 100012）

0 引 言

城市道路照明是方便城市居民出行活動的必備條件，近年來全國大中城市格外重視道路照明和夜景照明工作。隨著LED燈、電力電子、無線通訊等技術的不斷發展，路燈照明系統在節能環保、形象美觀、智能控制等方面的要求不斷提升，并且路燈亮化作為城市形象工程的重要組成部分越來越受政府重視，不斷有大量的資金投入，進行建設和改造，使得城市變得更加智能化以及絢麗多彩。但相關問題也隨之而來，能耗不斷攀升、維護工作量不斷加大、維修成本增加、光污染嚴重等，這是當前碳中和下亟需解決的問題之一。

1 系統硬件設計

智能路燈控制系統能夠在低功耗的情況下根據環境自動光照調節，以及方便用戶對路燈系統的實時控制。本系統總體設計框架由感知層、通信層、服務層以及應用層組成。感知層通過傳感器、核心控制器等實現對路燈終端的實時控制；通信層主要是窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB-IOT）模塊與NB-IoT基站組成實現數據的采集上傳；服務層由服務器組成，負責數據的接收和處理；應用層為客戶端，用戶通過監控平臺或應用APP實現對路燈系統的遠程監控[1]。

基于NB-IoT的低功耗智能路燈控制系統功能主要包含：路燈實時監控，可實現路燈分時控制、自動調光、經緯自動控制等；電子地圖路燈節點定位，每一個路燈節點顯示于監控系統電子地圖內，便于維修人員快速定位故障路燈位置；此外還可實現路燈節點的工作狀態、電壓、電流、功率等數據的采集監控。基于以上功能，路燈控制終端節點硬件由ATMEGA32主控器、NB-IoT無線通信模塊、光照傳感器以及電能監測模塊等組成。

1.1 NB-IoT無線通信模塊

當前NB-IoT應用中BC95和BC35-G通信模組使用較多，其中BC35-G為BC95增強型產品，優化了定位、移動性、功耗、數據傳輸速率等模組性能，具有高性能、低功耗、體積小、價格低廉等特點，其尺寸大小為23.6 mm×19.9 mm×2.2 mm，僅相當于一枚硬幣大小，廣泛應用于尺寸要求小的終端產品之中，因此在此選用BC35-G通信模組[2]。

路燈節點無線傳輸方式由NB-IoT網絡與NB-IoT模塊進行無線通信，NB-IoT模塊將主控芯片采集到的路燈數據信息上傳到NB-IoT基站，用戶調用基站數據應用于監控平臺，實現路燈節點數據的實時監控。此外NB-IoT模塊接收用戶通過Intenet發送來的控制命令實現對路燈的開關控制、光亮調節等[3]。

1.2 ATMEGA32主控制器

路燈控制器需要具有低成本、低功耗以及實用性等功能，本系統中主控器選用超低功耗微控制器ATMEGA32單片機作為系統的核心控制器。該控制器是集成足夠應用于路燈控制的存儲器和硬件接口電路，是一款基于增強的AVRRISC結構的低功耗8位CMOS微控制器，具有2kB的SRAM與32kB的FlashROM，工作頻率達到1MIPS，擁有4路PWM通道以及8路A/D轉換通道。該控制器在空閑模式下CPU停止工作，而USART、兩線接口、A/D轉換器、SRAM、T/C、SPI端口以及中斷系統將繼續工作，非常適用于路燈控制系統，具有顯著的高可靠性、低功耗以及成本低等特點。

2 NB-IoT路燈終端監控平臺設計

2.1 單燈控制器程序開發

單燈控制器的核心控制器ATMEGA32具有6個可以通過軟件進行選擇的省電模式，用戶可以根據系統的不同工作狀態、不同的工作時間節點選擇不同的工作模式，從而實現系統的低功耗應用，亦可以通過編寫相關的功能代碼來降低系統的功耗。本系統中使用ATMEGA32和Keil4開發工具對核心控制器進行開發，ATMEGA32負責對控制器的晶振、定時器、串口、PWM以及ADC接口等GPIO底層進行配置，利用Keil4軟件進行控制器的程序編寫，包括物聯網通信功能、光照亮度監測、節點能耗檢測、路燈節點定位以及硬件基礎底層配置等[4]。

2.2 物聯網開發平臺設計

NB-IoT物聯網開發平臺可以為支持用戶實現終端應用的快速接入提供開放的API接口，用戶可以在統一安全的環境下輕松地實現各種終端的接入、數據的采集分析等。該系統選用中國移動OneNET開放平臺，OneNET平臺除了支持多樣化終端設備接入、具備豐富的協議適配能力之外還可進行數據存儲、數據顯示、數據分析、歷史查詢等功能，是一個安全、穩定并可快速搭建物聯網應用與硬件設備的平臺。

2.3 OneNET平臺云端部署

OneNET云端搭建IoT平臺，通過在OneNET平臺注冊賬號后進入開發者中心進行產品的創建，產品的創建包括產品名稱、產品的所屬行業等信息，以及技術參數的設置，包括操作系統、設備接入協議等，在此選擇MQTT協議，此時創建了上傳數據的條件，擁有了設備ID和APIKey。之后采用SOCKET通信方式，向云平臺發送HTTP協議的數據上傳報文實現數據上傳和接收[5]。

2.4 OneNET應用設計

OneNET設備云平臺具備API調用和數據推送功能，可支持第三方應用開發設計。在此為縮短設備開發周期，直接采用OneNET提供的應用管理功能進行應用設計。選擇在手機頁面的編輯區對應用界面進行開發，開發完成后即可下載設備云APP，實現手機端的實時監控。此外還添加了觸發器功能，對每個數據流都進行警報功能設計。當設備監測到異常數據并上傳云端時會觸發警報，設備云平臺會將包含有異常數據流與設備的信息發送至用戶，用以提醒用戶設備異常。在應用界面用戶可以通過數據流切換功能切換到其他設備，實現所有設備的實時監測[6]。

3 應用APP開發

為方便實時監控，系統配置手機監控端APP，通過手機端可以實現對路燈節點的實時監控，方便用戶對路燈系統的維護與保養，實現管理更加便捷和智能。路燈監控APP的主要功能包含：路燈的實時控制、路燈光亮度調節、路燈的位置信息、路燈的故障報警，同時可以通過設備信息界面進行控制系統時間校準、電參數校準以及針對節假日設定特殊開關時間等。APP使用java語言進行開發，開發環境為AndroidStudio3.0，JDK8.0，使用HTML搭配CSS技術設計美觀的用戶界面，采用第三方高德地圖SDK進行路燈位置定位開發，數據采集方面采用HTTP和OkHttp3協議實現了數據的完整性和實時性[7]。

4 節能測試效果

測試過程使用的設備包括一臺配備測試APP的手機終端和PC軟件監控端，采用4套單燈控制器實現4盞路燈的控制。

4.1 應用APP監控效果

通過應用APP監控端可以實現對燈具的實時控制、定時控制、自動控制等，并可以通過傳感器監測燈光周圍環境，從而實現燈具的實時監控、自動上報燈具故障、自動調光等功能，節約了照明資源、降低了管理維護成本，提高了路燈監控系統智能化的管理水平[8]。

4.2 PC端監控效果

PC端監控軟件亦可實現APP監控所有功能，在經過用戶登錄信息驗證成功后，系統啟動首先進入的就是控制中心的主界面，通過監控界面可以監測燈具的各種狀態信息[9]。

4.3 節能效果測算

對4盞試驗燈具進行終端能耗策略，依據輸出功率測量值，在半節能方式（50%額定功率）下對實驗燈實測功率約為非節能方式（正常輸出額定功率）下的54%，在忽略電量測量計算誤差的情況下，理論上使用半節能方式的路燈節能率約為46%，節能效果顯著[10]。

5 結 論

本文基于NB-IoT技術設計單燈控制器并結合系統低功耗優化設計實現了燈具的實時控制，通過監控終端可實現手動遠程控制、系統自動控制、故障報警以及環境監測等功能，達到了實時監控、方便管理的效果，同時還具備了根據時間節點、車流量等不同環境下自動調光功能。根據燈具終端功耗測算較全功率工作情況下可節約46%能耗，節能效果理想，在碳中和背景下具有實際的應用價值。