基于LORA與NB-IOT技術的智能路燈系統研究

基金項目：2021年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“基于DALI及無線技術的智能照明控制系統的研究與應用”（編號：2021KY1125）

作者簡介：闕凡博（1989—），碩士，講師，工程師，研究方向：嵌入式單片機技術、物聯網技術、智能控制技術。

摘要：文章提出一種基于LORA（遠距離低功耗無線通信）和NB-IOT（窄帶物聯網）技術的智能路燈系統。該系統采用傳感器檢測環境光強度和人車流量，通過LORA或NB-IOT網絡將數據發送到云端進行處理分析并通過物聯網平臺實現對路燈照明的自動控制。該系統能夠實現對路燈的靈活控制，具有較高的穩定性和可靠性，并且能夠有效地降低系統的功耗。

關鍵詞：智能路燈；LORA；NB-IOT；傳感器；物聯網平臺

中圖分類號：U495

0 引言

隨著我國城市化的快速發展，交通越來越繁忙，對城市的道路照明提出了更高的要求。為了滿足這些需求，智能路燈系統被引入，以提高路燈控制的效率和質量。智能路燈系統是一個基于物聯網技術的智能照明系統^［1］，利用傳感器、數據分析和遠程控制等技術手段，實現路燈的自動調節和管理。目前，智能路燈系統已經成為城市智能化建設的重要組成部分。

現有的智能路燈系統主要采用無線通信技術進行數據傳輸，其中LORA和NB-IOT是常用的兩種技術。LORA是一種長程低功耗無線通信技術，可實現高速傳輸和遠距離通信，適用于廣泛的物聯網應用，但是無法接入互聯網。NB-IOT是窄帶物聯網技術，具有低功耗、寬覆蓋等特點^［2］，可以有效地解決物聯網中的瓶頸問題，能夠接入互聯網。本文結合LORA以及NB-IOT的特點，提出了一種基于LORA和NB-IOT技術的智能路燈系統，該系統采用傳感器檢測環境光強度和人車流量，通過LORA對路燈的狀態數據進行匯集，再通過NB-IOT網絡將數據發送到云端進行處理分析并通過物聯網平臺實現對路燈照明的自動控制。試驗結果表明，該系統具有較高的穩定性和可靠性，并且能夠有效地節約能源。

1 系統架構

智能路燈系統由智能路燈控制終端、智能路燈網關、物聯網云平臺3個部分組成。通過MCU單片機驅動傳感器檢測環境光強度和人車流量等信息，并將數據發送到LORA/NB-IOT模塊。LORA/NB-IOT模塊負責將數據通過無線網絡傳輸到阿里云物聯網平臺，使得管理人員通過電腦或移動端獲取路燈狀態以及對路燈進行控制。系統架構如圖1所示。

2 智能路燈控制終端設計

智能路燈控制終端采用國產32位單片機LQFP32封裝的STC32G12K128作為主控芯片，該芯片具有多達15路的ADC轉換通道、4路串口、8路16位的PWM輸出通道、1個ⅡC串行總線控制器，2組SPI通信接口，功能強大，適用在本系統作為主控。傳感器模塊主要包含光照傳感器以及人車流量傳感器模塊。光照傳感器采用MAX44009傳感器，該傳感器集成了紅外及紫外線屏蔽電路，能識別出微弱光線的變化。人車感應傳感器模塊集成了聲音檢測以及微波檢測傳感器，其中聲音檢測選擇使用KY-037模塊，微波傳感器選擇HB100微波多普勒無線雷達探測器，能夠有效檢測人車經過。無線通信模塊選擇LORA，采用的是Semtech公司的SX1278模塊，能夠實現低功耗與遠距離的統一^［3］。智能路燈控制終端的原理框圖如圖2所示。

2.1 控制終端電源電路設計

智能路燈控制終端電源接入交流電220 V，通過金升陽電源模塊LS10-13B05R3P輸出直流5 V電源，輸出功率最大可達10 W，滿足主控芯片等其他模塊的供電需求。由于環境光檢測傳感器采用3.3 V供電，因此設計了使用低壓差線性穩壓芯片HT7833將5 V穩壓到3.3 V。電源電路如圖3所示。

2.2 路燈功率計量電路設計

該電路采用了深圳合力為公司的HLW8032作為路燈功率計量芯片，該芯片具有精度高、功耗小、可靠性高、適用環境能力強等優點，如圖4所示。路燈的交流電壓的檢測通過規格為1 000∶1 000，2 mA∶2 mA的電流型電壓互感器CT1后進入芯片的檢測端VP，而其交流電流經過規格為1∶1 000，5 A/5 mA電流互感器以及處理電路后進入芯片的檢測端IP與IN。經過芯片的內部處理電路后，從6腳TX端以串口的通信方式輸出數字信號傳送給主控芯片讀取電壓以及電流信號，使主控芯片能夠準確讀取到路燈當前消耗的功率以及判斷路燈的好壞。

2.3 人車感應電路的設計

為了準確判斷當前是否有車以及人的經過，本設計終端使用了微波檢測以及聲音檢測相結合的方案，如圖5所示。微波檢測電路采用HB100微波多普勒無線雷達探傳感器模塊，可以實現最遠15 m的檢測，且不受溫度、濕度、噪聲、氣流、塵埃、光線等影響，適合惡劣環境^［4］。聲音檢測使用KY-037聲音檢測模塊，該模塊可以檢測環境的聲音，根據音量的大小輸出相應的模擬電壓給主控芯片進行AD采樣。

2.4 環境光檢測以及PWM調光電路

環境光檢測采用MAX44009環境光傳感器，該傳感器提供12C通訊輸出數字信號，和主控的I2C接口相連，PWM調光電路則設計使用主控輸出PWM信號驅動場效應管CJ2304，能有效地減少PWM波的畸變，使控制燈的亮度更加準確，該部分的設計如圖6所示。

2.5 LORA無線模塊的設計

LORA模塊采用的是Semtech公司的SX1278模塊，該模塊和主控單片機通訊采用的是SPI接口，在進行PCB布局布線時，需要注意模塊周邊不要有強干擾源，增強模塊的穩定性。其電路如圖7所示。

基于LORA與NB-IOT技術的智能路燈系統研究/闕凡博

2.6 智能路燈終端的程序設計

智能路燈終端上電運行后，STC32G12K128主控芯片開始初始化各個模塊，在主程序主循環中不斷檢測光照強度。當光照強度達到設定的閾值時，則說明當前環境光照亮度較好，此時關閉路燈；當光照強度低于設定閾值時，則說明當前亮度較差，同時開始檢測人車是否經過，如果檢測到，逐漸將路燈的亮度調到100%，如果未檢測到則將亮度降低至40%。同時，在定時器服務子程序里不斷檢測燈當前功率的狀態，讀取LORA模塊傳來的數據，將燈狀態的數據匯集傳給下一個終端，直至傳至網關。智能路燈終端的程序設計流程如下頁圖8所示。

3 智能路燈網關設計

智能路燈網關主控芯片仍采用STC32G12K128單片機，采用和智能路燈終端一樣的LORA模塊，采用NB-IOT將LORA匯聚的數據轉發到云端服務器。智能路燈網關的原理框圖如下頁圖9所示，主控芯片驅動智能路燈網關的LORA模塊對智能路燈終端LORA數據進行匯集處理，形成一個局域網絡，實現網關對終端路燈的控制；主控驅動NB-IOT模塊則是將匯集的數據傳送到云端服務器，從而實現了局域網與廣域網的數據交換傳輸。該網關供電電源電路以及LORA模塊電路設計與路燈控制終端接近，在此不再贅述，下面就NB-IOT模塊電路的設計進行描述。

3.1 NB-IOT通訊模塊電路的設計

NB-IOT通訊模塊用利爾達公司的NB86-G模組，該模組具有功耗低、抗干擾能力強、傳輸距離遠等特點。在設計該模塊電路時，要考慮模電傳輸數據時功耗的增加；在PCB布局布線時，要注意避開強電區，增強抗干擾能力。該模塊電路設計如圖10所示。

3.2 智能路燈網關的程序設計

主控MCU等待NB86-G模組啟動完畢后，通過AT指令配置NB-IOT模塊，從而連接服務器，然后讀取LORA匯集的數據，并通過AT指令將數據發送到阿里云物聯網平臺；如果收到阿里云物聯網平臺下發的數據，則對數據進行處理，并發送給LORA模塊，將數據轉發給智能控制終端。其程序流程如圖11所示。

4 阿里云物聯網平臺的接入

阿里云物聯網平臺（Aliyun IoT Platform）是阿里云推出的一款面向物聯網領域的平臺服務，涵蓋了設備接入、消息通信、規則引擎、數據存儲、API網關等核心功能。阿里云平臺提供可靠的設備管理、數據存儲和應用開發支持，便于用戶進行設備管理和控制，以實現數字化轉型。

在本方案中，接入阿里云物聯網平臺的方法如圖12所示。首先注冊阿里云賬號，并開通物聯網平臺服務；其次在阿里云平臺上創建路燈指示、指令控制等必要設備，并對創建的設備進行管理控制；再次在阿里云物聯網平臺使用云端SDK的方法建立安全數據通道；最后對設備數據的發送以及接受的格式進行解析，以便存儲控制。

5 測試與分析

試驗測試表明，該系統智能路燈能夠準確地檢測環境光強度，以及有效地感應人車經過，從而對路燈進行智能控制，并準確地計算路燈的功率以及狀態，通過LORA匯集路燈狀態數據發送到智能路燈網關，而智能路燈網關通過NB-IOT網絡將數據發送到云端服務器中。云端服務器能夠對數據進行處理分析，并根據分析結果向物聯網平臺發送控制指令，實現路燈照明的自動控制。該系統相比傳統路燈系統，能夠有效地節約能源，具有較高的節能效果。

6 結語

本文提出了一種基于LORA和NB-IOT技術的智能路燈系統，該系統采用傳感器檢測環境光強度和人車流量，通過LORA或NB-IOT網絡將數據發送到云端進行處理分析，并通過物聯網平臺實現對路燈照明的自動控制。試驗結果表明，該系統具有較高的穩定性和可靠性，并且能夠有效地節約能源。未來將進一步優化系統的硬件設計和編程算法，提高系統的性能和穩定性。

參考文獻

［1］謝春紅.基于物聯網技術的智能照明控制系統設計［J］.電子技術，2022，51（11）：214-215.

［2］戴國華，余駿華.NB-IoT的產生背景、標準發展以及特性和業務研究［J］. 移動通信，2016，40（7）：31-36.

［3］王 瑞，李躍忠.基于SX1278的水表端無線抄表控制器［J］.電子質量，2015（12）：67-68，74.

［4］吳 占，彭 龑.基于單片機的輸電線路驅鳥裝置設計［J］.中國西部科技，2011，10（17）：26-27，72.

收稿日期：2023-04-27