智慧城市建設背景下路燈燈桿智能化監控系統的設計與實現

張衛東

(中煤科工集團武漢設計研究院有限公司,武漢430064)

0 引言

隨著城鎮化建設的不斷推進及城市基礎設施的不斷完善,路燈數量也在急劇增加,有必要借助互聯網技術實現對城市路燈的科學管理[1-2]。

LED光源具有壽命長、易調色、控制方式多樣、種類多的優勢,是目前最常用的路燈燈源[3]。但眾多的路燈需要統一的組織及維護難度較大,為此設計了多種多樣的監控系統,但這些系統或多或少存在以下問題:能源浪費嚴重,無法根據車流量及氣候來調節光照。定位不準確,無法為維護人員提供故障路燈的準確位置。狀態監測困難,效率低下。自動化程度低,很多控制命令仍需要進行手動控制,故有必要對現有的監控系統進行改進及優化。近年來,物聯網、大數據及信息技術得到了飛速發展,為智慧型城市建設提供了更多的技術支持[4]。窄帶物聯網(NB-IoT)于2016年9月首次被提出,相比傳統的通信技術,具有傳輸速率快、通信范圍廣、設備覆蓋量大、成本價格低等多種優勢[5-8],如果能借助該技術實現對城市路燈的智能化高效管理,將為智慧城市建設注入新的活力。

基于窄帶物聯網(NB-IoT)技術構建城市路燈燈桿智能化監控系統,對其硬件、軟件進行設計說明,并對其相關性能進行測試,以期為智慧城市建設提供借鑒。

1 NB-IoT技術

窄帶物聯網(NB-IoT)技術是一種基于5G技術,由GSM 技術與LTE技術優化而來的物聯網主流窄帶蜂窩技術,主要技術參數包括頻譜范圍(800-900-1800 MHz)、傳輸速率(上行<250 Kbps,下行<226.7 Kbps)、通信距離(15 km)、連接數量(<50 000個)、單個成本(<5美元)。與傳統的無線通信技術相比,具有覆蓋范圍廣、傳輸速率快、設備連接容量大、超低功耗、成本價格低、部署方式靈活(可獨立部署,也可保護帶部署,還可以待內部署)等諸多優點,適用于城市路燈這種覆蓋范圍廣、數量眾多、規模大的監測場景中。

2 監控系統的構建

2.1 功能需求

為了滿足城市路燈燈桿日常監控需要,監控系統需具備以下功能:①對路燈燈桿設備的環境參數進行采集(如溫度、濕度等參數),通過溫度、濕度變化來對路燈使用壽命進行預測,實時收集路燈的照度,及時發現故障路燈。②路燈狀態的遠程監測,通過One NET移動云平臺對遠程路燈參數數據進行查詢,從而實現對每一臺路燈的實時監控。③單燈控制,不同季節及時間段的氣候條件差異較大,如霧霾天需要增加亮度,可通過監控系統對路燈的開關指令實現靈活調節,達到節能照明的效果。④定位故障路燈位置功能,通過引入全球定位系統,實現每一個故障路燈的準確定位,從而達到定向維護、提高工作效率的目的,使城市路燈維護向智能化、精細化方向發展。

2.2 總體設計

基于NB-IoT的城市智慧路燈燈桿實時監控系統總體架構如圖1所示。主要由感知層、傳輸層、平臺層及應用層四層結構構建。感知層主要由溫度傳感器、濕度傳感器、照度傳感器等諸多傳感器設備及NB-IoT終端設備組成,主要負責對環境參數及光照度參數等進行監測及采集,監控路燈所處的實時狀態。傳輸層主要由NB-IoT基站組成,與Lw M2M服務器連接,主要負責接收傳感器收集到的數據,并傳遞給移動平臺。平臺層主要使用One NET云平臺,負責接入終端設備,對設備進行管理及控制,接收傳輸層發來的數據信號,將信號傳遞給應用層。應用層主要由PC端與移動端組成,負責發出對應的指令,對路燈狀態進行掌握及控制。

圖1 系統總體架構Fig.1 Overall system architecture

2.3 硬件設計

系統硬件主要集中于系統感知層與傳輸層,滿足各類參數的采集、故障路燈定位及方向控制等功能需求。在感知層中,需要定位模塊滿足定位功能需求,主控器設計時還需預留GPS定位端口,故感知層中主控制器的設計尤為關鍵。在傳輸層中,要實現反向控制功能需求,故通信模塊的設計是最為關鍵的。整個系統的硬件架構設計如圖2所示。硬件主要包括DHT11型溫濕度傳感器、BH1750型光照傳感器、GPS模塊、故障檢測模塊、通信模塊、主控制器(中央處理器)、SIM卡等設備。

圖2 監控系統硬件架構設計Fig.2 Hardware architecture design of monitoring system

通信模塊選用BC20型貼片式模塊,尺寸大小為長×寬×高=18.7 mm×16.0 mm×2.1 mm。該型號支持定位功能的擴展,內置UFirebird衛星定位芯片,供電電壓為2.1～3.63 V,最大休眠功耗為5 μA,串口波特率為115 200 bps,頻段為B5/B8,多頻傳輸速率為上行25.5 kbps、下行62.5 kbps。BC20共包括68個引腳數,其中,起LCC的引腳個數為54個,起LGA功能的引腳個數為14個,為了降低功耗,停用NB-IoT模塊的網絡燈,加入電平轉換芯片TXB0104,將通信模塊中的電平由1.8 V轉換為3.3 V。BC20通過Lw M2M協議與平臺層中的One NET云平臺相連,從而將監測數據傳輸給One NET云平臺,反向接受平臺下達的控制指令并將其傳遞給主控制器。

主控制器(中央處理器)選用STM32L151RCT6型處理器,該型號處理器的工作頻率為32 MHz,包含多種通信接口、設備接口及接收/發送器接口等。處理器中的單片機具有定時喚醒功能,可以使處理器在不工作時處于休眠狀態,休眠狀態下的電流<1 μA,達到最大程度的節能降耗。電源模塊的工作電壓為5 V,而STM32L151RCT6型處理器的工作電壓為3.3 V,故需要在主控制器中加入RT8059降壓轉換器,以實現5 V與3.3 V電壓的相互轉換。

2.4 軟件設計

系統軟件開發過程中,主要利用Keil u Vision 4.72對城市路燈終端軟件程序進行開發,Keil u Vision 4.72基于C語言,可實現程序的編譯、鏈接、調試與調用,發現錯誤并提出警告。其他輔助開發軟件還包括STM32Cube MX、ST-LINK串口編譯器、QCOM串口調試工具、Socket Tool網絡調試助手等。在監控系統中,軟件設計主要集中于平臺層與應用層。

平臺層主要以One NET平臺為基礎,通過ID、IMEI、API等設備識別信息,實現與NB通信模組的相互鏈接及交互通信,總體架構如圖3所示。通過Lw M2M協議將NB-loT客戶端接入到Lw M2M服務器中,在One NET云平臺中依次完成用戶的登陸注冊→新建項目→新增設備→添加數據流→設計應用等一系列操作。調用NB-loT模塊中的AT指令,實現NB-loT模塊與One NET平臺數據信息的交互連接。通過One NET平臺中的API實現數據流與One NET平臺的相互對接,可在移動終端界面接收并顯示相應權限的監控數據。

圖3 平臺層One NET平臺架構Fig.3 Structure Platform layer One NET platform

應用層的軟件開發基于B/S架構,B/S架構具有設備的高度適用性、系統的易擴展性、數據可實時刷新、開發成本低廉等優勢。通過HTTP 協議實現服務器與瀏覽器之間的數據交互共享,工作原理如圖4所示。通過瀏覽器端向服務器端發送HTTP 協議請求,服務器端在接收到HTTP請求后,依次做出允許連接→解析出參數數據→生成HTML文件等操作,再通過HTTP 協議將生成的HTML文件返回給瀏覽器端。瀏覽器端在收到HTML文件后,再對文件中的數據進行解析,向用戶呈現路燈燈桿的實時狀態參數。應用層與平臺層通過PAI接口進行連接,實現兩者之間的應用接入、設備管理、批量處理、規則管理、訂閱管理、消息推送、信令傳送、數據采集等功能。

圖4 應用層B/S架構Fig.4 Application layer B/S architecture

3 系統功能的實現與測試

3.1 定位功能測試

為了實現故障路燈的準確定位,除了在系統中安裝GPS定位模塊外,還增加了我國自主研制的北斗定位模塊,即采用北斗+GPS的雙模塊定位技術來提高系統的定位速度及準確度。通過測試得出,系統的平均定位速度可達0.1 m/s,定位精度達5 m,滿足系統的定位功能性要求。

3.2 功耗測試

系統在設計之初為了降低功耗,主要從兩個方面進行優化,一方面是從通信模塊入手,選用BC20這一超低功耗的通信芯片,另一方面是從主控制器入手,選用STM32L151RCT6型處理器,處理器中的單片機具有定時喚醒功能,可實現休眠、停止、待機3種模式下的工作狀態。利用萬用表測量系統的工作電壓,再利用電源分析儀測量終端設備的電流參數,每0.2 s采集一組數據,共采集60組電壓、電流數據,對系統處于初始狀態、停止模式、加延遲模式及雙控模式下的功耗進行計算分析,結果如圖5所示。從圖5可知,系統功率呈動態波動的變化特征,在初始狀態下,系統功率最高,最大功率達到0.61 W,最小功率為0.2 W,平均功率為0.31 W,當系統處于停止模式或加大數據上發延遲時間狀態時,功率相比初始狀態有較大幅度的降低,當采用雙控模式時,系統的功耗進一步降低,平均功率僅為0.2 W,相比初始狀態降低35.5%,可最大程度實現節能降耗的目的。

圖5 不同模式下系統功耗測試結果Fig.5 System power consumption test results under different modes

3.3 系統穩定性測試

系統平臺層與應用層在接收數據及發送控制指令時,可能會出現數據丟包或網絡延遲等情況,故有必要對系統的穩定性進行測試,結果見表1、表2。從表1可知,對于平臺層,3個終端設備共向平臺發送了600個數據,平臺共接收到598個數據,數據接收成功率為99.9%,平臺下發開啟及關閉成功次數分別為590次、592次,成功率分別為98.3%、98.7%,相比數據接收成功率略低,這主要是因為存在網絡延遲的緣故。應用層共成功接收到592個數據,數據接收成功率為98.7%,相比平臺層略低,表明存在一定的數據丟包現象,但占比很小,應用層下發開啟及關閉成功次數分別為584次、590次,成功率分別為97.3%、98.3%,成功率依然大于97%,由此可見,系統數據經過平臺層與應用層傳輸后的穩定性是比較好的,可滿足日常監控要求。

表1 平臺層穩定性測試結果

表2 應用層穩定性測試結果

4 結論

基于NB-IoT技術構建包含感知層、傳輸層、平臺層及應用層的城市智慧路燈燈桿實時監控系統。為了達到節能降耗的目的,在通信模塊硬件配置中選用了低功耗的BC20通信芯片,主控制選用了STM32L151R

CT6型處理器,可實現定時喚醒功能。系統平臺層選用移動One NET平臺,應用層基于B/S架構實現數據采集、設備管理、規則管理、批量處理、信令推送等功能。系統平均定位速度可達0.1 m/s,定位精度達5 m,當采用雙控模式時,系統平均功率僅為0.2 W,數據傳輸成功率>97%,具有低功耗、良好的定位及穩定性能,可滿足城市路燈燈桿實時監控的需求。