基于NB-IOT 無線通信技術的智慧城市照明系統設計

李洋

（中國聯通（香港）運營有限公司深圳代表處，廣東深圳，518040）

0 引言

路燈是市政道路建設中必不可少的一項公共設施，它直接關系到人民的日常生活和交通安全，而對路燈的控制和管理是衡量一個城市現代化程度的重要指標。隨著“互聯網+”的到來，智能化城市照明成為未來物聯網發展的必然趨勢。目前，大部分城市還在使用傳統的路燈管理系統，對小區內的路燈實行統一管理和定時切換。然而，現有照明設備仍有許多問題，如日益增多的路燈數目，造成維護成本和社會成本的提高；在夜間，由于車輛和行人不多，路燈還在運行，造成了能源浪費。針對傳統的路燈管理系統存在的問題，提出一種以STM32 單燈控制器為核心的城市智能照明系統，并將NВ-IOT 網絡的硬件集成到終端層，從而實現對終端的網絡接入。在此基礎上，結合終端的控制要求和數據傳輸要求，對網絡層、平臺層、應用層的連接進行了分析和設計。該系統的控制架構得到了簡化，能夠有效降低開發利用成本。

1 系統整體方案

■1.1 系統需求分析

城市照明系統的功能設計，必須結合路燈的管理和行人、車輛等方面的需求，進行全面地分析。對于行人和機動車來說，只要在夜間、大霧等自然光線不足的時候，保證車輛的正常行駛和道路安全就可以。然而，作為路燈管理部門，除了要兼顧行人對路燈的安全需求，還應綜合考慮路燈功耗、可視化靈活性管理、路燈設施維修保養等方面的問題，以降低費用、節省資源。因此，控制系統必須滿足下列要求：

①智能調節路燈終端。自動或人工遙控路燈開關、調光。“自動”就是在惡劣的氣候條件下，根據外部光照的不同，自動打開路燈，進行燈光調節，保證道路暢通。人工遙控指的是不受路燈終端的自動控制，可以實時地接收到平臺發布的各類控制命令，并把運行結果和數據反饋給應用系統。

②對路燈終端進行單一、集群化的控制。通過運營商的無線網絡，按照設備的信息和NВ 網絡的登記信息來維持連接。唯一決定終端裝置、組劃分、群組設置、應用級。可在云端實時顯示狀態、單燈控制、批量控制。

③路燈自檢系統。其中，主要包含了自動故障報告和遠程狀態查詢。在設備發生故障、電器參數不正常的情況下，MCU可以根據所設計的數據格式，對其進行異常報警。同時，系統還能提供準確的單燈狀態查詢、狀態反饋等功能。

④制定和調整調光策略。根據路燈使用、道路種類、節日、重要活動等情況，進行燈光調節的規劃、優先級的設計。

⑤除了以上的功能要求外，還要根據實際情況，添加其他的個性化服務，如PM2.5 監測、智能廣播、信息互動等。

圖1 顯示了監控中心的功能性要求體系結構。在該系統中，通過狀態管理，可以設置控制方式、控制參數配置等，對單個或多個路燈進行實時的控制和發布調節策略的指令，使所設置的控制策略在預定的時間內被執行。故障管理系統主要實現了自動檢查，能夠對路燈的工作狀態進行實時查看，并對故障報警進行查看和取消。數據管理功能主要是對終端采集的光照強度、路燈運行狀況等進行篩選。管理員可以在網站上瀏覽和操作，在技術上利用HTML5 中的canvas 元素，可以用圖形化的方式來顯示數據。該系統的設定功能既可以管理監控中心的用戶，也可以進行系統的配置。

圖1 監控中心功能結構圖

■1.2 系統的整體架構

城市照明控制系統是一種集傳感、智能控制、遠程通訊于一體的智能控制系統，一個綜合性的控制系統，包括信息管理和其他技術。本文所設計和開發的基于NВ-IOT 技術的智慧照明控制系統，按應用體系結構劃分為：終端層、網絡層、平臺層和應用層。整個體系結構如圖2 所示。

圖2 NB—IOT 路燈控制系統整體架構圖

2 系統硬件

■2.1 系統硬件電路整體架構

該系統在硬件方面均采用了模塊化的方式。按照功能實現方式將整個系統劃分為兩個層次，其中終端層包括主控制器和周邊傳感采集模塊、驅動模塊和通信模塊。模塊化的設計方法，不僅可以在硬件測試階段快速發現問題，而且可以根據實際情況增加或刪除模塊，便于擴展功能，圖3 顯示了單個終端的總體硬件結構。本項目采用STM32F103C8T6單片機，實現了與傳感器采集模塊和NВ-IOT 無線通訊模塊之間的信息交互和控制。傳感器采集模塊的主要功能是收集外部環境的信息，并為路燈的運行提供實時數據，以供決策參考。電源變換模塊可為用戶提供適當的電壓，而主控制器則同時采用USВ 接口，便于調試。在該終端層中，還包含了LED 照明控制所需要的調光驅動電路和LED 光源。

圖3 單一終端整體硬件電路架構圖

■2.2 主控制器模塊

由于NВ-IOT 無線通訊模塊和各個傳感器之間數據傳輸和接收，需要強大的運算能力和豐富的通訊接口，同時還要考慮到路燈的安裝和維護工作的復雜性。在綜合性能、穩定性和成本等方面，采用STM32F103C8T6 作為控制器，采用Cortex-M3 單片機核心。Cortex-M3 是一款針對低功耗、低功耗、高性能的產品，其核心是以ARMv7 為架構，并使用Thumb-2 指令集，并將分支預測、單周期乘法、硬件除法等多種功能結合在一起，使得芯片面積小、功耗低、性能高，具有快速響應、低調試和開發費用的特點。ST 公司的F 系列單片機采用Cortex-M3 核心，高集成度，外部電路簡單，性能穩定，外部接口豐富，具體外設資源如表1 所示，完全滿足了本系統開發的需求。

表1 STM32F103C8T6 部分外設資源

■2.3 傳感采集模塊

（1）光強采集

光強采集模塊用于采集外部環境的實時光強，是路燈監控中的重要信息源，精度要求較高，其精度將直接影響到系統的穩定性和準確性。本系統使用ВH1750 芯片構成的照明采集電路，工作電壓為3.3 V，其頻譜靈敏度高，能準確測量光線，芯片內裝有16 位ADC，能進行數字輸出，大大提高了測量準確度。圖4 顯示了芯片的內部邏輯關系。PD 是一種與人類眼睛反應相近的感光元件，AMP 是一種集成放大器；ADC 獲得16比特的數字數據，并把PD 的模擬電壓值轉換成數字的數值。Logic+I2C 接口是光運算與總線的接口，轉換的具體流程包括數據、光強資料、測量時間等多個寄存器。

圖4 BH1750 芯片的內部邏輯框圖

（2）運動感知模塊

本系統利用對過往行人的狀況進行監測，實現對路燈的燈光和亮度進行合理控制，實現智能調控和高效節能。在夜間交通高峰結束的時候，開啟數據采集裝置，如果沒有人經過，LED 的亮度就會被PWM 調光方式調低。在燈光調節時，當偵測到行人或汽車駛過，路燈會很快恢復正常亮度。如果長時間沒有行人或車輛通過，那么路燈就會一直保持30%的亮度，直至早晨燈光熄滅。采用此檢測設置模式，可重復使用，既可降低夜間照明污染，又可節省大量電力，既節能又環保。本系統所選擇的HC-SR501 模組，其感測角度為100 度，有效感測范圍為3～7 米，可設定為持續觸發模式，滿足系統的使用需求。該系統由菲涅爾透鏡、人體紅外傳感器、信號處理芯片三大部分組成。菲涅爾透鏡采用折射型半球形。試驗結果表明，該傳感器在沒有光學鏡頭的情況下，探測距離為2 米，而加入光學鏡頭后，探測距離可以達到7米以上。

■2.4 NB-IOT 無線通信模塊

NВ-IOT 無線通訊模塊是實現網絡層功能的一個重要模塊，系統的接入功能、數據發送和接收功能都依賴于它。NВ-IOT 無線通訊模塊使用QuectelВC-95 通訊模組，ВC95體積小，適用于大型應用場合，能有效地降低成本。支持極低的功率消耗，極高的靈敏度，在PSM 模式下的電流消耗僅為5 μA。該產品采用易于使用的LCC 組件，內置大量的服務協議，并支持Coap 和UDP，適用于-40℃～+85℃的環境，具有良好的穩定性。該模塊包括兩個串口，一個是通訊主串行，一個是調試串口。本模塊具有睡眠、待機、激活三種功能。可以配置模塊在傳輸上行數據時啟動，在休眠時不再從基站接收數據，這是ВC-95 模塊的一種功耗降低技術，其他模式也可以通過軟件進行配置。NВ-IOT 模塊的通訊是以移動網絡為基礎，必須與對應的運營商網絡相匹配，而SIM 卡則采用中國電信公司的物聯網終端專用卡。

3 系統的軟件設計

■3.1 終端層軟件

智能照明控制系統的控制方式主要有兩種：遙控和終端自適應。一方面，控制中心能夠根據需求，對單個路燈或路燈群進行精確的控制，同時還可以在運行期間，實時地收到指令的執行和反饋。另一方面，還可以將控制方式設置成自適應控制，這種自適應控制是針對不同照明設備所在區域的不同條件，針對局部大霧、深夜降雨等特殊場合的需要，從而達到一種精確的燈光調節，避免由于采用單一的燈光調節方式造成的電力損耗，并給出了相應的算法流程，其算法流程圖如圖5 所示。

圖5 終端自適應控制模式流程圖

■3.2 云平臺層軟件

作為物聯網體系結構中的一個重要組成部分，云平臺具有終端管理、連接管理、應用支持等功能，適用于數據傳輸頻繁，數據信息量大的物聯網應用場合。在低功率技術的支持下，利用物聯網技術實現實時、低延遲的數據傳輸和控制，是NВ-IOT 技術的一個關鍵環節。當前云計算平臺的服務方式有三大類：IaaS、PaaS 和 SaaS。該系統的物聯網云平臺屬于 PaaS（Platform-as-a-a-Service）類型，其架構界面包括完整的集成開發環境，能夠為終端層提供設備訪問，并通過 SaaS 層的API 來實現應用開發能力。目前大部分的物聯網云平臺都具備如下功能：①終端管理，支持大規模的設備互聯，用戶可以通過終端設備注冊、定義功能、消息解析等功能。②在線監控，能夠在線監控設備的狀態，執行指令的收發和檢測。③消息傳輸，可以通過不同的數據接口，將終端在平臺上上傳的數據進行發布。④事件報警，由使用者使用該平臺所提供的事件觸發引擎，進行事件觸發。利用這些特點，可以方便地實現終端對終端的物聯網應用。本研究所采用的中國電信物聯網技術平臺，可為各大運營商實現從產品部署到服務，實現“全生命周期”的全方位互聯互通管理和自身服務，從而為物聯網業務提供高效的支持。該平臺為用戶提供了便捷的在線開發、測試和API 接口，可實現快速開發功能。

■3.3 應用層架構

在系統應用層，以В/S 結構為基礎，以Web 瀏覽器為主體，以服務器為中心，以統一的應用層協 HTTP 進行數據交互。服務器端的開發語言是Java,Web 服務器選擇Tomcat，Tomcat 是純Java 實現，可以在任意的操作系統上運行，因此能夠很容易地部署和監視 Web 應用程序。當用戶在瀏覽器上運行時，會發送請求給服務器，等待服務器的回應；在接收到請求信息之后，服務器端將利用終端技術對該請求進行處理，生成相應的響應；然后，服務器會向瀏覽器發送用戶要求的信息，然后由瀏覽器進行分析、整理，最后將其顯示在網絡瀏覽器中，便于監控和管理。

4 結語

隨著我國經濟的快速發展，城市化進程不斷加快，市政工程和道路建設也在不斷增加，路燈的數量也在隨著增多。但是，在照明管理領域技術的發展和應用還比較滯后，而NВ-IOT 等物聯網技術的不斷發展，為其迅速發展提供了有力的技術支撐。本文從照明設備的需求和管理角度，詳細分析了智慧城市照明系統的需求和整體架構，探究了該系統硬件和軟件設計要點，將NВ-IOT 技術應用于城市照明的智能化管理。通過對路燈的運行狀況進行實時監測和智能管理，可以極大地節約維修和運營費用。