基于NB-IoT的路燈物聯網控制系統

姚暢 張李元 左少華

摘 要：節能是智慧城市的重要優勢，城市路燈的安全節能對于建設資源節約、環境友好型社會具有重要意義。為了避免路燈夜晚保持常亮浪費電量，又便于工作人員調控亮度，基于NB-IoT技術設計一個路燈調光物聯網控制系統，采用Arduino和NB模塊組合的控制板，搭建網絡通信協議，實現網絡對燈光亮度的控制，解決智能調光與遠程控制的問題，保證夜晚路燈有效管理。

關鍵詞：NB-IoT;物聯網;智能調光;路燈;遠程控制;Arduino

中圖分類號：TP277文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）12-00-04

0 引 言

低碳和節能都是智慧城市[1]發展的目標。作為城市最重要基礎設施之一的路燈，其安全節能對于建設資源節約型[2]、環境友好型社會具有重要意義。因此，路燈的智能調光是智慧城市不可或缺的一部分。然而，目前的路燈缺乏智能特性，晚上保持常亮，浪費了大量資源。為了解決這些問題，本文提出并設計一種基于NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）的路燈調光物聯網控制系統，該系統符合5G發展趨勢。整個系統的優點如下。

（1）精細管理：每個路燈可以獨立控制。

（2）動態亮度調節：可以實現將路燈亮度從0～100%調控。

（3）NB-IoT通信技術：低功耗，速度快，可連接數目多，更穩定。

1 研究背景

智慧城市的主要目標是實現更安全、更方便、更舒適的運營，以及更好的能源保護。因此，城市基礎設施更加智能化是促進智慧城市發展的必要條件。路燈是城市基礎設施的重要組成部分，與安全和能源效率密切相關。由于每天電量的高能耗，有必要優化目前的路燈管理。建設路燈管理平臺不僅是智慧城市的重要組成部分，而且可以促進“智慧市政”[3]在城市照明業務方面的落實。

傳統的路燈控制[4]主要采用手動管理或光感控制，維修期太長[5]，很難做到遠程及實時控制。此外，當前路燈只有開、關兩種狀態，無法調整亮度，造成了一定程度的資源浪費。因此有必要采取新的方式實現對路燈的控制。

傳統的通信技術多基于GPRS或ZigBee[6]，但兩者都存在丟包的情況，運營成本高，而且ZigBee傳輸距離短[7]，不適合遠距離傳輸。因此，本文設計一種基于NB-IoT窄帶物聯網技術的城市智能路燈調光系統，可以在不同時段控制路燈使其呈現不同亮度，并且可以通過網絡平臺實現亮暗調節，減少能量損失，還可隨時查詢歷史操作數據，使路燈成為智慧城市的一部分。

2 需求分析與系統總體方案設計

2.1 需求分析

以往的路燈管理大多是相關人員巡查、維護，當路燈發生故障時，檢修人員無法精確定位，路燈夜晚處于常亮狀態，不節能。針對存在的問題，本文系統做出如下改進。

（1）智能調光：每盞路燈獨立控制，可根據需要調節亮度，減少能源消耗，低碳環保，所有路燈一直受到控制。

（2）NB-IoT網絡協議[8]：在空曠的地區，5G網絡環境和互聯網協議可以擁有更好的通信信號。

（3）平臺可視化：工作人員可以在Web上實現遠程調控，可隨時調節任何路燈信息。

2.2 NB-IoT技術

物聯網通信[9]的發展促進了智能路燈的建設。例如，GPRS，3G/4G等遠距離通信;ZigBee，藍牙，WiFi等近距離通信;適用于工業數據采集或智能家居的局域網絡等。各種無線通信技術有不同的特點與優勢，遠距離通信適用于傳輸距離長、速度快的場合，但其消耗流量大、功耗高，在非實時通信領域有較多弊端。短距離通信功耗小、成本低，但涉及長距離傳輸時，需要部署多個中間節點，使得網絡節點復雜化，降低了穩定性。不同無線通信技術在傳輸速率和覆蓋范圍方面的特點如圖1所示。

近年來出現的低功耗廣域網[10]（LPWA）技術旨在滿足物聯網中長距離與低功耗的要求。其覆蓋面廣，成本低，功耗低，連接大，速率快，可靠性高。LPWA包括NB-IoT，LTEeMTC，LoRa，SigFox等多項技術。

其中，NB-IoT技術是3GPP引入的一種新無線電接入網絡技術[11]，使用200 kHz的載波技術。NB-IoT中的不連續接收基于周期性喚醒，可以使用睡眠模式，節省電量發送數據。許多用戶設備（UE）可以由單個NB-IoT支持，每個NB-IoT頻道可支持超過10萬個用戶設備。因此，數十億的連接可以通過NB-IoT添加額外載波支持到網絡。

2.3 系統總體設計方案

智能路燈控制平臺基于NB-IoT技術，由數據采集層、通信層、應用服務層和用戶層組成。智慧路燈總體構架如圖2所示。

首先進行數據獲取，路燈上的傳感器將當前路燈亮度的數據存儲于控制器，并利用NB-IoT模塊將獲得的數據發送至NB-IoT基站;然后基站將從控制器里獲取的數據發送至“有人云”平臺，“有人云”平臺將數據與所搭建的服務器進行連接，接入傳輸來的底層數據，并將其儲存在云端，方便用戶隨時調用;最后為用戶調節，管理員可以通過本地網絡訪問Web控制頁面，對路燈進行相應的控制操作，并能實現任意路燈智能調光。本文設計方案主要有以下優點。

（1）智能路燈亮度控制：采用分時段控制策略，可實現不同時間控制道路兩旁路燈亮度變化，在人流量少的區域適當降低亮度，隔桿亮燈，滿足照明需求的同時達到節能的目的。

（2）通信方式采用NB-IoT網絡，順應5G時代大潮：NB-IoT成本低，拓撲結構簡單，可以實現實時通信，適合靜止和低移動性且需要發送信息的場合。

（3）靈活的平臺管理：管理平臺可以通過網址訪問，實現輕松、高度自動化的控制。

3 硬件終端設計開發

硬件終端由LED陣列調光模塊、Arduino控制板、NB-IoT通信模塊組成。NB-IoT模塊用于接收云端發送的信息，通過串口將信息傳輸至Arduino控制板，Arduino內部寫入的程序會進行相應的運行，最終得到一個PWM波的輸出，使LED燈列的電壓產生相應變化，改變燈的亮度。

3.1 調光模塊

路燈的LED燈列模塊采用可調光LED燈控制板，電路內部芯片原理如圖3所示。其中，芯片采用PT4115，其DIM端可外接PWM脈或根據電壓調光。采用Arduino模塊錄入調光程序，產生PWM波，輸出到DIM端實現控制。在電源的輸入端，二極管構成整流電路，整流電路將交流電整流成直流電，并對直流電進行極性轉換效應。IC輸入電壓為5～24 V，最大輸出電流為0.7 A。

3.2 NB-IoT模塊

NB-IoT無線通信模塊包括NB73模組，內置SIM卡座、串口電路、濾波天線、復位電路，并通過外接電源供電。NB73模塊的推薦工作電壓為3.8 V。由于不能直接使用5 V電源，本文設計一個電壓調節模塊，利用MP1482芯片將電壓調整為3.8 V再傳至NB73模塊。NB73模塊樣品如圖4所示。NB73模塊將主控制板傳輸的路燈實時亮度信息通過Internet發送至“有人云”云端（且不需要用AT指令發送數據），再通過自己設計的網絡接收端得到數據，并存儲在數據庫中，同時還可接收用戶通過Internet發送的控制指令，并將用戶發送的指令通過串口傳輸到Arduino開發板。

3.3 控制板

整個控制板包括Arduino-MEGA2560模塊、NB-IoT模塊與調光模塊。控制板硬件終端設計如圖5所示。其中，DC供電接口單元與12 V鋰電池相連供電;LED燈列與LED接口單元相連;PWM調光單元用來調節燈光亮度;NB73電源單元將12 V直流供電電壓轉換為3.8 V，用于NB73模塊的供電;NB73模塊中包含內置SIM卡與天線部分;按鍵與指示燈單元用于控制板運行的檢測與調試。同時，將NB-IoT模塊作為拓展板放在控制板上，與控制板共用電源。用戶在網頁發送的信息經過云平臺進入NB-IoT模塊，NB模塊通過串口將信息傳輸至Arduino，最終反饋到燈列上，LED的亮度發生相應變化。

4 控制器軟件設計

智慧路燈調光平臺軟件設計主要包括路燈控制終端控制程序，IoT云平臺以及網絡客戶端頁面設計。

4.1 路燈控制終端軟件設計

路燈控制終端與IoT云平臺之間通過CoAP進行通信。主控制器上的相關數據通過串口發送至NB-IoT模塊。NB-IoT模塊通過基站將數據傳送至“有人云”平臺。有人云平臺與搭建的網絡接收器進行數據傳輸，利用REST-API存入數據庫中，從而最終呈現在網頁上供管理者查閱。

控制終端的軟件實現流程如圖6所示，在主程序中設定一個全局變量loop_flag，當沒有命令傳輸時，變量始終為0，程序處在一個死循環中。當用戶發送指令時，子程序中會給變量賦予特殊值，返回進入主程序的循環中并執行，當命令執行完成后，變量的值重新變為0，主程序回到死循環，防止產生錯誤信息，當下一個指令到來時再執行相應步驟。此協議中設定了多重控制語句，可用于多項功能的執行，不斷豐富智能路燈的智能程度。

路燈控制流程主要利用搭建的網絡平臺實現。首先，用戶可以通過網址訪問頁面完成登錄。然后，用戶可以選擇需要獲取的信息進入相應頁面，平臺將用戶的命令發送至“有人云”平臺，從中獲取數據;“有人云”平臺將所需數據的軟件開發包發送至網絡平臺，平臺將數據呈現給用戶。最后，將網絡平臺獲取的數據與REST API進行交互，并將數據存儲在自己的數據庫中。當用戶希望再次查詢歷史記錄時，可直接通過平臺的數據庫進行查詢而不需要經過云端。路燈控制流程如圖7所示。

4.2 PoleCloud平臺

PoleCloud平臺系統是本文自行設計和開發的物聯網管理平臺，支持NB-IoT模塊“WH-NB73”（山東有人信息技術有限公司生產）的接入。平臺提供Web服務和REST API服務，具有用戶交互、遠程終端控制、數據存儲、數據顯示、數據分析、數據查詢等功能。該平臺通過”WH-NB73”模塊廠商的API接口（“有人云”）與模塊通信，進而實現與終端各個硬件組件的互聯。用戶通過訪問平臺Web服務器，在網頁界面執行控制操作和數據訪問。RESTful API服務器部署MySQL數據庫，提供數據寫入、讀取、修改及刪除操作的程序接口。

5 系統測試

5.1 Web交互界面

用戶輸入網址后進入登錄界面。登錄后，可看到當前基站所部署的位置，如圖8所示。其標記便是當前使用的NB-IoT基站所在之處。另外，還可在不同地點設定觀測點，方便測量其他信息，豐富智能城市的理念。點擊想了解的觀測點（此處以LED智能調光為例）可進入控制界面，控制界面如圖9所示。

頁面上方顯示當前點開的是第幾個NB-IoT模塊及其編號。點擊“connect”，打開要控制的模塊（此處為LED模塊）后便可以開始調控。調控方式有兩種。

（1）在“info of node”模塊，用戶可以通過代碼實現燈光亮度的調節，所用的命令語句是設置好的編譯格式。管理員還可通過查看Arduino串口接收器判斷命令是否成功發送。

（2）除了代碼控制，本文還設置了0～100%的進度條，方便管理人員進行調控，拖動進度條便可改變燈的亮度。調光完成后，點擊“disconnect”就可以退出網絡與NB-IoT模塊的連接。

5.2 調光測試

本文以庭院燈作為測試工具，測試實物如圖10所示。通過Web端發送指令，觀察0，25%，50%，75%，100%時的亮度變化（定義燈的亮度從0～100%表示從關到全亮）。數據發送至REST API平臺，按照事先設定好的協議解析接收的信息，通過NB-IoT模塊最終到達燈列。通過對燈實際亮度的比較，發現其基本與上傳的數據相符。庭院燈測試實際亮度如圖11所示。

6 結 語

為了順應5G時代的到來，建設智慧型城市，踐行可持續發展原則，本文設計了一個基于NB-IoT的路燈調光物聯網控制系統，主要通過LED燈列硬件電路模塊的實現和NB-IoT通信、網絡平臺的搭建，最終實現了通過IoT云平臺對燈的亮度數據進行傳輸，并通過Web界面將路燈的亮度信息呈現給用戶，用戶還可通過網頁實時對燈光進行可控調節，并可獲取以往調節的歷史記錄。實驗結果顯示，調光系統可以高效精確地實現用戶指令，且未出現延遲效果。雖然本文僅使用一個庭院燈作為實驗對象，但整體技術已經較為完備，實現原理與路燈并無較多差異。在建設智慧城市的道路上，智慧路燈將會是非常重要的一部分，未來，還可從以下方面考慮：

（1）實現對多個路燈的實時控制;

（2）在路燈中添加一些傳感器模塊（如定位[12]、故障檢測及報警），將智慧路燈系統做得更加完善;

（3）實現太陽能供電，減少能源消耗。

因此，基于NB-IoT的智能路燈控制系統可以為城市生活提供更多便利，有助于可持續發展的實踐。

參 考 文 獻

[1]曾力.一種智慧城市路燈系統設計[J].數碼世界，2016（10）：132.

[2]劉敏層，張峰.基于STM32的智能照明監控系統的設計與實現[J].自動化儀表，2018（7）：43-46.

[3]楊丁，陳劍.基于智慧城市模型的城市路燈構建探討[J].冶金叢刊，2017（5）：205-206.

[4]韓中華.城市路燈智能遠程監控管理的實現分析[J]. 科學技術創新，2018（26）：164-165.

[5]王園，姚穎洲.淺談LED路燈GPRS智能監控系統[J].中國科技縱橫，2014（9）：40.

[6]陳琦，韓冰，秦偉俊，等.基于ZigBee/GPRS物聯網網關系統的設計與實現[J].計算機研究與發展，2011，48（z2）：367-372.

[7]董玉榮，聶云峰.基于NB-IoT的智慧停車系統研究與設計[J].南昌航空大學學報（自然科學版），2017（3）：95-99.

[8]鄧小龍，李奇富，陸錦軍.基于ARM的城市照明智能監控網絡網關設計[J].測控技術， 2017（1）：85-88.

[9]李俊畫.淺析物聯網通信技術[J].現代傳輸，2017（5）：57-60.

[10]田敬波. LPWA物聯網技術發展研究[J].通信技術，2017，50（8）：1747-1751.

[11]嚴益強. NB-IoT技術簡介及其在智慧城市中應用研究[J]. 廣東通信技術，2016， 36（11）：6-8.

[12]吳玉鵬，張侃健，魏海坤，等.高桿燈照明系統智能監控終端的硬件設計[J].工業控制計算機，2017，30（4）：139-141.