基于NB-IoT的智慧路燈控制器設(shè)計

楊立宏 袁夫全

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.02.038

收稿日期：2023-03-18

基金項目：中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院2022年度校級產(chǎn)學(xué)研項目（2022CXY24）

摘? 要：隨著智慧城市建設(shè)步伐的加快，各大城市必然要對城市路燈照明系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能化和智能化升級。文章針對傳統(tǒng)路燈能耗大、人力維護(hù)成本高、智能化程度低等問題，設(shè)計一種基于NB-IoT的智慧路燈控制器。單燈控制器以微控制器STM32為控制核心，通過NB-IoT通信模組實(shí)現(xiàn)路燈與控制中心的組網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)路燈的遠(yuǎn)程開關(guān)及調(diào)光控制、路燈數(shù)據(jù)采集、故障定位等功能。該路燈控制器以實(shí)際LED路燈進(jìn)行測試驗證，基于NB-IoT路燈控制器能夠滿足路燈照明系統(tǒng)的節(jié)能化和智能化以及集中管理的需求。

關(guān)鍵詞：NB-IoT；智慧路燈；調(diào)光控制；數(shù)據(jù)采集；故障定位

中圖分類號：TN929.5? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）02-0177-05

Design of Intelligent Streetlight Controller Based on NB-IoT

YANG Lihong， YUAN Fuquan

（Zhongshan Torch Polytechnic， Zhongshan? 528436， China）

Abstract： With the acceleration of the construction of smart cities， major cities are bound to upgrade their urban street lighting systems to energy conservation and intelligence. This paper designs an intelligent streetlight controller based on NB-IoT to address the issues of high energy consumption， high labor maintenance costs， and low level of intelligence in traditional street lights. The single light controller uses the microcontroller STM32 as the control core， and realizes the networking between the streetlights and the control center through the NB-IoT communication module， thereby achieving remote switching and dimming control of the streetlights， data collection of the streetlights， fault location and other functions. The streetlight controller has been tested and verified with actual LED streetlights. Based on NB-IoT streetlight controller， it can meet the requirements of energy-saving， intelligence， and centralized management of streetlight lighting systems.

Keywords： NB-IoT; intelligent streetlight; dimming control; data collection; fault location

0? 引? 言

目前大多數(shù)城市仍然采用傳統(tǒng)路燈控制系統(tǒng)，管理人員對轄區(qū)內(nèi)的路燈進(jìn)行統(tǒng)一管理，定時開關(guān)或者通過傳感器檢測光線亮暗自動開關(guān)路燈。這種傳統(tǒng)的路燈管理方式主要存在的問題是：一是能源消耗偏大，在深夜車輛和行人稀少時路燈依然全功率照明浪費(fèi)了電能；二是運(yùn)維效率低，路燈出現(xiàn)故障時不能夠被及時維修，只能是有人報修或者人工定期排查才能發(fā)現(xiàn)；三是控制靈活性差，不能對臨時活動的照明進(jìn)行有效靈活控制，例如重大節(jié)日、舉辦大型活動等特殊情況下照明控制。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，城市路燈的智能照明及集中化管理是必然發(fā)展趨勢。文獻(xiàn)[1]側(cè)重于通信、調(diào)光和故障檢測方面的研究，而對移動目標(biāo)檢測及故障定位未有提及；文獻(xiàn)[2]側(cè)重于通信、故障定位方面的研究，而對故障檢測及移動目標(biāo)檢測未有提及。本文為解決傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)的弊端，研究設(shè)計一種城市智慧路燈控制器，采用NB-IoT技術(shù)和智能傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)路燈的智能化控制。智慧路燈控制器實(shí)現(xiàn)實(shí)時采集LED路燈的電流、電壓等電氣參數(shù)、路燈定位和故障診斷、LED路燈的遠(yuǎn)程開關(guān)、LED路燈遠(yuǎn)程調(diào)光、LED路燈的本地調(diào)光等功能。本文給出了智慧路燈控制器的主要硬件設(shè)計及軟件控制流程，實(shí)驗結(jié)果驗證了NB-IoT智慧路燈的可行性。

1? NB-IoT智慧路燈系統(tǒng)組成

NB-IoT智慧路燈系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

感知層是指安裝在路燈上的NB-IoT智慧路燈控制器，控制器通過多種傳感器檢測路燈狀態(tài)及周邊環(huán)境狀況，通過北斗定位模塊實(shí)現(xiàn)路燈定位，并對路燈進(jìn)行開關(guān)及調(diào)光控制。網(wǎng)絡(luò)層包括NB-IoT基站和云平臺，NB-IoT基站是路燈信息傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站，云平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和處理。應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)路燈的集中監(jiān)控和管理，包括了移動設(shè)備以及監(jiān)控中心。本文只研究感知層也即智慧路燈的控制器設(shè)計。

2? 智慧路燈控制器硬件組成

NB-IoT智慧路燈控制器功能包括：LED路燈電壓、電流采集，獲取路燈工作狀態(tài)；光線傳感器檢測環(huán)境亮度，以進(jìn)行開關(guān)控制及調(diào)光控制；采用毫米波雷達(dá)檢測移動的車輛或人體，從而控制燈的亮度，達(dá)到節(jié)能目的；北斗定位模塊實(shí)現(xiàn)路燈的定位，以便于快速確定需要維修的路燈具體位置；采用NB-IoT通信實(shí)現(xiàn)對路燈的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制。基于以上的功能需求，NB-IoT智慧路燈系統(tǒng)硬件組成如圖2所示。

NB-IoT智慧路燈控制器是如圖2中的方框內(nèi)部分，220 V市電經(jīng)過AC-DC變換器將交流變換成路燈控制器所需的直流12 V、5 V和3.3 V；毫米波雷達(dá)采用HLR26K模塊，用于偵測移動的車輛和行人；電量采集模塊采用BL0942芯片實(shí)時采集路燈的電壓、電量及電能信息，并通過USART將采集信息輸入到STM32，以進(jìn)行故障診斷和電能統(tǒng)計；采用北斗定位模塊ATGM336H，該模塊使用中科微第四代低功耗GNSS SOC單芯片AT6558，對路燈進(jìn)行精準(zhǔn)定位；光線傳感器采用光敏電阻檢測路燈周圍環(huán)境亮度，以控制路燈的開關(guān)及亮度；STM32輸出PWM控制LED驅(qū)動電源對LED路燈進(jìn)行調(diào)光，繼電器則作為路燈的開關(guān)；NB-IoT通信模組選擇BC26，通過NB-IoT基站和云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)通信。

2.1? STM32和BC26接口電路

NB-IoT模組BC26和STM32以及SIM卡的接口電路如圖3所示。RESET是BC26的復(fù)位管腳，PWRKEY是BC26的開機(jī)管腳，STM32的GPIO口通過三極管來控制這兩個管腳，STM32的PB1管腳拉高800 ms就可以讓BC26開機(jī)。

BC26和STM32通過USART進(jìn)行通信，由于BC26的IO端口電平為1.8 V，STM32的GPIO端口電平為3.3 V，因此需要使用電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行電壓匹配。STM32發(fā)送數(shù)據(jù)到BC26時，三極管Q3的集電極經(jīng)電阻R5連接到1.8 V電源，實(shí)現(xiàn)3.3 V到1.8 V的電平轉(zhuǎn)換；STM32接收來自BC26的數(shù)據(jù)時，三極管Q4的集電極經(jīng)電阻R8連接到3.3 V電源，實(shí)現(xiàn)1.8 V到3.3 V的電平轉(zhuǎn)換。BC26模組和SIM卡座通過四根線連接。

2.2? 電量采集電路

路燈電量采集電路采用電流互感器對電流進(jìn)行采樣，采用電壓互感器對電壓進(jìn)行采樣，通過電能測量芯片BL0942獲取電流、電壓及功率值并將電量參數(shù)通過串口傳送到STM32，采集電路如圖4所示。

電流采樣使用變比Rt為1 000：1的電流互感器CT1，其中R13為負(fù)載電阻，取3.3 Ω；電壓采樣使用變比為1：1的電壓互感器PT1，其中R21為負(fù)載電阻，取24.9 Ω。根據(jù)BL0942的資料，I_RMS是電流有效值寄存器，地址為0x03；V_RMS是電壓有效值寄存器，地址為0x04；WATT是有功功率寄存器，地址為0x06。路燈實(shí)際電流值Iin計算公式如式（1）所示，單位為A，其中Vref為1.218 V。

（1）

路燈實(shí)際電壓值Vin計算公式如式（2）所示，單位為V。

（2）

路燈實(shí)際有功功率值Pin計算公式如式（3）所示，單位為W。

（3）

2.3? 車輛檢測和路燈定位電路

為了節(jié)省電能，在深夜沒有車輛和路人經(jīng)過路燈時，路燈亮度需要調(diào)暗，當(dāng)檢測到有車輛或者路人經(jīng)過時，會自動調(diào)亮。毫米波雷達(dá)具有穿透能力強(qiáng)、不受煙、霧、灰塵等影響，可全天候使用，性能穩(wěn)定，對于運(yùn)動的人體和車輛檢測毫米波雷達(dá)是比較好的選擇。毫米波雷達(dá)是利用電磁波信號被其發(fā)射路徑上的物體阻擋繼而會發(fā)生反射，通過捕捉發(fā)射信號，來確定物體的距離、速度和角度。本文選用HLR26K毫米波雷達(dá)模塊對運(yùn)動人體和車輛進(jìn)行檢測，該模塊探測距離可達(dá)10 m，探測角度水平120°，刷新率100 ms，完全可以滿足測量需求，HLR26K模塊與STM32的接口電路如圖5所示。為了方便路燈檢修，每個路燈裝有北斗定位模塊，可精確定位需要維修路燈位置。本文選用GPS和北斗雙模模塊ATGM336H，該模塊基于中科微第四代低功耗SOC單芯片AT6558，支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，其定位精度為2.5 m，可實(shí)現(xiàn)對路燈的精確定位，該模塊與STM32的接口電路如圖5所示。

3? NB-IoT路燈控制器程序設(shè)計

NB-IoT路燈控制器程序主要包含主程序、定時器定時中斷服務(wù)程序和串口接收中斷服務(wù)程序。主程序在初始化階段完成各個子模塊的初始化，在主循環(huán)進(jìn)行各子模塊數(shù)據(jù)處理、LED調(diào)光以及NB-IoT數(shù)據(jù)發(fā)送等；定時器定時中斷服務(wù)程序主要實(shí)現(xiàn)子程序定時巡檢及定時任務(wù)；三個串口接收中斷服務(wù)程序分別完成NB-IoT、北斗定位、毫米波雷達(dá)數(shù)據(jù)的讀取。

3.1? 主程序設(shè)計

NB-IoT路燈控制器主程序流程圖如圖6所示。在初始化階段完成電量采集、北斗定位、光強(qiáng)檢測、毫米波雷達(dá)、NB-IoT聯(lián)網(wǎng)等部件的初始化，然后進(jìn)入主循環(huán)。在主循環(huán)通過定時器定時巡檢各子模塊，到達(dá)定時時間后，進(jìn)行電量采集，北斗定位坐標(biāo)獲取，人體和車輛運(yùn)動檢測、光強(qiáng)檢測，如果NB-IoT接收到數(shù)據(jù)，需要對NB-IoT的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)處理完成后根據(jù)NB-IoT接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行LED調(diào)光，最后NB-IoT發(fā)送路燈控制器采集的數(shù)據(jù)到云平臺，如此循環(huán)。

3.2? NB-IoT通信程序設(shè)計

NB-IoT通信程序包含NB-IoT聯(lián)網(wǎng)初始化、上行發(fā)送數(shù)據(jù)和下行接收命令程序，各部分程序流程圖如圖7所示。NB-IoT聯(lián)網(wǎng)初始化程序首先對BC26和STM32連接的串口2進(jìn)行初始化，然后獲取BC26模塊的SIM卡卡號、連接NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，如果連接成功網(wǎng)絡(luò)則查詢IP、IMEI等信息，最后實(shí)現(xiàn)OneNET云平臺注冊，完成聯(lián)網(wǎng)初始化。上行發(fā)送數(shù)據(jù)程序完成路燈控制器向云平臺發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，首先開辟一段數(shù)據(jù)區(qū)用于存儲要發(fā)送的數(shù)據(jù)，接著發(fā)布消息到MQTT服務(wù)器，判斷數(shù)據(jù)發(fā)送是否準(zhǔn)備好，如果已經(jīng)準(zhǔn)備好可以發(fā)送數(shù)據(jù)，則將要發(fā)送的數(shù)據(jù)封裝為JSON格式數(shù)據(jù)發(fā)送，如果發(fā)送成功或者超時則結(jié)束本次數(shù)據(jù)發(fā)送。下行接收命令程序完成路燈控制器接收云平臺下發(fā)的命令或數(shù)據(jù)，首先通過串口中斷接收數(shù)據(jù)并存入緩沖區(qū)，如果串口數(shù)據(jù)接收完成，則對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而完成一幀數(shù)據(jù)的接收處理過程。

3.3? 路燈故障診斷程序

路燈故障診斷程序用來判斷路燈是否故障，以便能夠得到及時維修，程序流程圖如圖8所示。程序首先讀取電能測量芯片BL0942的電壓、電流和功率寄存器的值，并將電流值、電壓值和功率值分別代入式（1）、式（2）和式（3）計算出實(shí)際電流值、電壓值和功率值。將路燈正常工作時的電流值、功率值的上限值和下限值作為比較用的標(biāo)準(zhǔn)值，如果實(shí)際電流值或者功率值大于上限值或者小于下限值則認(rèn)為路燈故障，如果在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)認(rèn)為路燈無故障，最后上傳路燈當(dāng)前狀態(tài)即可。

4? 結(jié)果分析

本文采用額定功率為150 W的LED路燈進(jìn)行測試，在無行人或車輛經(jīng)過路燈時，LED路燈的功率設(shè)定為額定功率的30%，進(jìn)入低功耗狀態(tài)。將路燈及控制器置于8 m高位置，路燈控制器上電后，從PC端的云平臺或者移動端的APP發(fā)送路燈開和關(guān)控制命令。在路燈開啟狀態(tài)下，通過毫米波雷達(dá)自動檢測其周圍是否有行人或車輛通過，檢測到無行人或者車輛通過，開始計時，1 min后路燈自動進(jìn)入到低功耗狀態(tài)，路燈變暗。人為設(shè)置路燈故障情況下，能夠?qū)⒐收蠣顟B(tài)發(fā)送到云平臺并在云平臺進(jìn)行報警提示。移動端顯示的路燈狀態(tài)及位置信息如圖9所示。

5? 結(jié)? 論

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧路燈控制系統(tǒng)逐漸成為城市路燈照明控制的必然趨勢。本文研制了一種基于NB-IoT通信技術(shù)的智慧路燈控制器，依賴于毫米波雷達(dá)技術(shù)，通過檢測有無行人及車輛通過進(jìn)行路燈亮度調(diào)節(jié)，節(jié)省了電能；應(yīng)用北斗定位系統(tǒng)，準(zhǔn)確、快速的確定故障路燈的位置，大大降低了路燈維護(hù)的時間和人力成本。路燈控制器結(jié)合云平臺的數(shù)據(jù)存儲及處理，構(gòu)成完整的智慧路燈照明控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠有效節(jié)省電能，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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作者簡介：楊立宏（1980.04—），男，漢族，河北滄州人，副教授，碩士研究生，研究方向：測試計量技術(shù)。