基于窄帶物聯網的智能路燈控制系統設計與實現

宋洪儒 王宜懷 楊凡

關鍵詞： 窄帶物聯網; 智能路燈; 通信模塊; 終端節點; 傳感器; 軟件設計

中圖分類號： TN915.5?34; TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）02?0172?05

Design and implementation of intelligent street lamp control system based on NB?IoT

SONG Hongru1，2， WANG Yihuai1， YANG Fan1，3

（1. School of Computer Science and Technology， Soochow University， Suzhou 215006， China;

2. School of Electrical Engineering， Tongling College， Tongling 244000， China;

3. School of Mathematics and Computer Science， Tongling College， Tongling 244000， China）

Abstract： In allusion to the problems of large energy consumption， weak penetration capability and small coverage scope existing in the wide area Internet of Things used in current street lamp control systems， an intelligent control system based on the narrowband Internet of Things （NB?IoT） technology is designed. In the system taking KL36 as the master control chip， the sensor is used to collect the light intensity， traffic flow information and other parameters， and the information transmission mode using the NB?IoT technology is used to transmit data to the client， so as to intelligently control and manage street lamps. The test results show that the application of the NB?IoT technology in the intelligent street lamp control system has the advantages of strong penetration capability， low power consumption， and stable and reliable operation ， which has a strong practicability and promotion value.

Keywords： NB?IoT; intelligent street lamp; communication module; terminal node; sensor; software design

0 ?引 ?言

隨著建設節約型社會和智慧城市的發展需求，先進的照明控制技術具有很大的發展空間。目前路燈控制系統以采用分散手控和時控方式為主，按照季節變化手動調整設置統一的時刻控制路燈開關。該系統不能根據當時氣象條件或車流情況自動調整路燈開關，也無法實時反映路燈設施的工作狀態，對運行情況不能集中監視、記錄和統計，還存在能源浪費、通信信號差、維護困難等問題[1?2]。窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things，NB?IoT）技術是新一代物聯網通信技術，構建于蜂窩網絡，與廣域物聯網相比，具有容量大、覆蓋區域廣、穿透能力強、生產成本低、功耗低的特點，應用到路燈控制系統有安全、可靠、節約成本等優點[3?6]。針對當前路燈控制系統存在的問題，本系統融合傳感器技術、NB?IoT通信技術及嵌入式系統軟硬件設計技術，提出基于NB?IoT技術的新型智能路燈控制方案。其中，采用的NB?IoT技術是由蘇州大學嵌入式系統與物聯網實驗室和中國電信共同研發，無線控制模塊是實驗室自主研發的ZigBee模塊和GPRS模塊。系統設計按照軟硬件分層設計思想，設計出終端節點層、服務器層和客戶端層的三層工作結構，結合NB?IoT技術可以實現城市路燈照明的點?線?面的智能化節能控制方式。控制系統的功能主要有：

1） 通過傳感器實現對光照強度、車流信息、路燈故障等數據的采集。

2） 將采集到的數據信息進行處理，選擇路燈的工作模式，并利用NB?IoT無線通信技術將數據發送到服務器，在客戶端上顯示相關信息。

3） 根據客戶端信息的顯示情況，實現對路燈的遠程控制和日常維護管理，達到節能的目的。

1 ?控制系統組成及工作原理

智能路燈控制系統按照工作層次結構，可以分為三層：客戶端層、服務器層和終端節點層。智能路燈控制系統如圖1所示。

終端節點層主要有單燈終端、ZigBee網絡、協調器和GPRS網絡組成，功能是控制和檢測路燈的狀態，接收并執行GPRS網絡發送的各種控制命令。服務器層是負責監聽服務器端口，將終端節點層發來的數據進行收集，并存儲在數據庫中，根據數值的改變來發出相應的控制命令，把相關信息發送到客戶端層。客戶端層主要以數據庫SQL Server為基礎，采用B/S模式的城市照明管理軟件，提供實時路燈控制、狀態顯示、故障報警、數據統計、報表生成等功能，實現路燈智能管理工作。

控制系統基本工作原理是：在數據的遠程傳輸中采用的是GPRS網絡的NB?IoT無線通信技術，在底層信息采集與控制采用ZigBee網絡。單燈終端內含有控制系統需要的各種傳感器進行數據采集，經過主控芯片數據處理，通過ZigBee網絡將采集到的各類數據發送到協調器，再由協調器傳送數據到GPRS模塊，GPRS模塊利用NB?IoT技術將接收的數據通過無線網絡發送到服務器層，最終經服務器傳輸到客戶端層。同時也可以將客戶端層發送的控制命令通過服務器層、GPRS網絡和協調器傳遞給ZigBee網絡，再由ZigBee網絡發送到各個單燈終端，從而實現對路燈的智能控制。

2 ?終端節點設計方案

終端節點結構如圖2所示，在路燈終端節點設計方案中，微控制器是終端主控芯片主要接收各個模塊發送的信息，根據信息的情況判斷模塊的工作狀態，并發出相應的控制命令。ZigBee模塊負責傳感器數據的采集和短距離無線數據傳輸。電源模塊包含太陽能電池板和蓄電池兩部分，主要向微控制器、GPRS模塊和ZigBee模塊提供工作電壓。光敏檢測模塊主要負責采集外界的光照強度信號，微控制器根據接收到的光強信號控制路燈的亮度。同時，還能判斷路燈是否處于正常工作狀態，方便路燈的維護工作。紅外線傳感器模塊用于感應路面行駛車輛的情況，在不好的天氣或夜間時段，根據紅外線傳感器檢測該路段車輛的行駛情況，來調節路燈的亮度。電壓/電流檢測模塊用于檢測主控芯片及其他模塊的電路是否處于正常工作狀態[7?8]。報警電路的作用是當其他的模塊出現故障時，能及時地發出報警信號，向遠端的客戶服務層發出報警，便于路燈控制系統的管理和維護工作。

3 ?終端硬件設計

3.1 ?微控制器選型與設計

根據路燈控制系統的設計要求，考慮所用I/O引腳個數，要實現的功能要求以及開發成本等因素，微控制器選用恩智浦公司的MKL36Z64VLH4作為主控芯片，采用3.3 V工作電壓。該芯片包括定時器、DMA、UART和ADC等模塊，具有低功耗、高性能的特點，且能夠滿足設計所需功能[9]。I/O分配表如表1所示。

3.2 ?電源模塊設計

電源模塊電路如圖3所示，在圖中TPS709系列芯片是低壓降線性穩壓器，輸入電壓范圍為2.7～30 V，輸出電壓范圍為1.5～6.5 V，其中EN引腳為高電平時，芯片正常工作。其中，TPS70933芯片輸出3.3 V電壓，為ZigBee模塊和KL36提供工作電壓，TPS70939芯片輸出3.9 V電壓，為GPRS通信模塊R518芯片提供工作電壓。由于通信模塊不需要實時進行工作，每隔一定時間發送一次信息，由MCU發送指令控制TPS70939芯片的EN引腳為高電平，R518通電正常工作，EN引腳為低電平，TPS70939芯片停止工作，能達到低功耗的目的，延遲蓄電池工作時間。DY1和DY2分別外接太陽能電池板和蓄電池，為電源提供6 V輸入電壓，D101二極管作用是當太陽能板電壓低于蓄電池電壓時，防止蓄電池反向向太陽能電池板送電而消耗電量，導致蓄電池電壓降低和電池板發熱。電容C101～C104在電路中起濾波和穩壓作用[10]。

3.3 ?GPRS通信模塊

GPRS模塊選用的控制芯片是R518芯片，額定電壓為3.9 V，具有高性能、低功耗的特點。GPRS通信模塊電路由R518芯片、輸入電壓保護電路和射頻電路組成，通信電路如圖4所示。在原理圖中，C201～C204組成輸入電壓保護電路，板載天線和P202組成無線射頻電路，TXD，RXD引腳是連接KL36芯片引腳PTE1，PTE2用作通信串口1。其中，輸入電壓保護電路的主要作用是：由于通信芯片R518工作電壓輸入范圍為3.4～4.2 V，電源提供的電壓為3.9 V，在長期使用過程中輸入電壓會逐漸降低，為保證VBAT引腳電壓不會跌落到3.4 V以下，在靠近模塊VBAT輸入端，并聯一個C201=100 μF的鉭電容，以及C202～C204為濾波電容，保障R518正常工作[11]。無線射頻電路的作用是接收無線信號，為了能夠更好地調節射頻性能，板載天線是用來接收外部無線信號，P202是連接外部天線使用，如果通過板載天線接收的信號不能達到工作要求時，可以通過P202連接外部天線增強無線信號。

3.4 ?紅外線傳感器模塊和光敏檢測模塊選型

紅外傳感器選用反射式紅外光電傳感器HOA?1550，它具有靈敏度高，感應范圍大、抗干擾能力強以及超低電壓工作模式。有車輛進入監控范圍時傳感器就會向KL36芯片發出高電平信號，車輛離開監控范圍發送低電平信號，KL36芯片根據每個傳感器發送來的信號，判斷當前路段車流情況，控制路燈的強度。光敏傳感器選用MG54，具有價格便宜、靈敏度高、工作溫度范圍廣的特點。當光照環境發生改變時，會引起傳感器的感應元件輸出的信號產生變化，這種變化量被采集節點所采集，經過線性化、物理量回歸等處理，實現模擬量到中間值的轉化，再對數據進行篩選，得出當時光照強度值。

4 ?終端控制軟件設計

程序設計采用嵌入式集成開發環境KDS?3.0軟件作為終端開發平臺，利用C語言進行程序的編寫。終端控制軟件設計主要有KL36芯片底層驅動和主程序，都是采用模塊化的設計方法。

4.1 ?KL36底層驅動軟件設計

在進行KL36芯片底層驅動軟件設計時，根據管腳具體功能分為通用輸入/輸出（General Purpose Input Output，GPIO）模塊，定時器模塊和模/數轉換器（Analog?to?Digital Converter，ADC）模塊等[12?13]。KL36底層驅動軟件設計的體系結構如圖5所示。

Global_var模塊的功能是記錄Main函數和中斷流程使用的全局變量，方便變量的修改和調用。Queue/Tag/ComData模塊功能是存儲數據結構和數據處理，其中Tag模塊封裝了和網絡幀相關的數據結構和處理;Queue模塊使用Tag為隊列的元素，封裝了隊列的各種操作，如入隊、出隊、清空隊列、遍歷隊列等操作，該隊列數據結構的基礎是數組;ComData模塊封裝了網絡數據幀轉發和處理等操作。Uecom模塊通過調用GPIO模塊和定時器模塊來實現對數據的發送和接收功能。中斷服務處理（Interrupt Service Routines，ISR）通過調用定時器模塊實現中斷函數功能。PWM模塊功能是產生PWM信號控制路燈電壓，調節路燈的亮度。A/D模塊是將采集到的光照強度信號、紅外線信號、電源電壓信號進行轉換，傳送到微控制器中。

4.2 ?GPRS通信機制

GPRS通信方式應用的是NB?IOT技術，其采用IP地址+IMSI號的方法識別不同的終端設備，在每個終端設備中IMSI號是唯一的，在數據包中加入目的設備IP地址，以保證數據包能到達目的設備并進行響應。通信中一幀數據格式：數據總長為68 B，其中：幀頭占2 B、IMSI號占15 B、傳輸數據占32 B、IP地址占15 B、驗證碼占2 B、幀尾占2 B。完成通信首先利用AT指令對模塊進行波特率、IMSI號、IP地址等信息設置，信號的強度能否達到通信的要求，再根據NB?IOT技術通信的要求對數據組幀，由R518芯片完成發送和接收數據工作。為了保證數據模塊通信成功，完成數據發送和接收任務，都設置了重復發送的次數，能夠避免由于外界干擾引起的數據傳輸失敗。

4.3 ?主程序設計

主程序設計過程如圖6所示。在終端控制器通電后，首先在主程序中進行系統初始化，完成各個模塊的初始化工作;調用A/D模塊采集太陽電池板電壓/電流、蓄電池電壓;調用光敏傳感器和紅外線傳感器采集模塊采集光照強度和車流信號，根據設定的閾值判斷路燈是進入正常工作模式，還是進入節能工作模式[14]。在進入節能工作模式過程中根據光照強度和車流信號設置的不同范圍閾值，調節PWM信號控制路燈輸入電壓，調整燈的亮度，達到節能的效果。

5 ?客戶端軟件設計

客戶端軟件主要負責管理數據庫和將控制指令放入數據庫，通過數據庫和程序進行數據傳輸。設計采用B/S架構的客戶端形式，用戶可以通過瀏覽器訪問服務器數據資源，數據的計算、管理都在服務器端完成，易維護、易擴展。由于系統具有較復雜的圖形圖表顯示、數據庫處理和實時交互等，所以軟件體系采用Microsoft Visual Studio 2013 + SQL Server 2005模式設計管理界面。智能路燈管理軟件主要分為系統設置、控制模式、實時數據、路燈信息統計等部分。客戶端軟件總體框圖如圖7所示。

6 ?系統測試

控制系統測試界面如圖8的自動控制界面和圖9的故障管理界面所示。自動控制界面能實現對路燈的智能控制功能，根據天氣狀況自動調整路燈的開啟或關閉時間。故障管理界面功能是提供發生各種故障分析報表，如通信模塊故障、路燈故障及維修記錄等。通過管理界面可以解決路燈的故障自動檢查問題，節省人力、物力，提高工作效率。

測試結果表明：

1） 智能路燈控制系統能夠滿足城市路面照明的需求，在各種天氣變化的狀況下，采用NB?IoT技術具有抗干擾能力強、穩定的、可靠的連續工作狀態;

2） 控制系統根據設定控制模式和監測的實時數據情況，能夠自動實現路燈工作狀態的改變，根據光照強度和車流信息的情況，實現路燈亮度的自動調節，達到節約電能的效果;

3） 通過客戶端顯示的實時數據能實現監控當前路段車流狀況、路燈工作狀態，提高對道路的管理工作效率。

7 ?結 ?論

本文系統通過采用NB?IoT無線通信技術實現了對路燈智能控制系統的設計，克服了廣域物聯網在路燈控制系統中存在的成本高、覆蓋范圍小、功耗高等問題，實現了對路燈的智能化管理和操作，提高了路燈系統的節能效果，具有很好的應用價值和市場推廣前景。

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