基于NB-IoT城市道路智慧路燈監控系統

徐歌星 李慧瑩 岳秀明

摘要：通過分析城市路燈監控系統的發展現狀，對比目前基于電力載波、ZigBee等技術的路燈監控系統，設計了基于窄帶物聯網（NB-IoT）技術的路燈監控系統，系統的主控芯片是STM32，實現了采集的數據通過NB-IoT模塊上傳到云平臺，用戶通過小程序對路燈的管理和控制，達到了節能、規范化管理路燈的目的。

關鍵詞：NB-IoT;STM32;云平臺;智慧路燈監控系統

1???? 引言

隨著物聯網技術的發展，各地加強對智慧城市的研究力度，路燈作為智慧城市感知層的設施，可以作為傳感器的天然載體、信息采集的來源，所以充分利用路燈資源能夠更好的為智慧城市服務。

傳統的路燈監控系統采用亮度控制和時間控制兩種方式，前者通過光照來控制路燈的開或關，但是粉塵、雨雪污染等會影響靈敏度;后者通過提前設置好的開關時間實現開或關，但是季節更替時需要人工干預。上述兩種方式都不能較及時的管理路燈狀態、控制開關時間。

現有的智慧路燈監控系統多是基于電力載波通信（Power Liner Carrier Communication，PLC）系統和基于ZigBee的系統，基于PLC的管理系統利用現有的路燈線路實現對路燈的控制，成本較低，但是信號的穩定性低，可靠性較差;基于ZigBee的管理系統利用電磁波信號進行數字通信，需要部署大量的網關來實現對路燈的控制，系統的投入成本高。

本系統是基于NB-IoT技術的路燈監控系統，使用一系列傳感器實時采集路燈終端信息，通過低功耗的NB-IoT無線通信模塊實現采集信息的上傳和管理平臺命令的下發，用戶可以在路燈管理平臺查看路燈信息，實時監控和管理路燈，另外系統中加入了定位模塊，方便維修人員查找故障路燈，縮短了故障路燈的維修時間，對推進路燈的智能化程度具有重要意義。

2???? 系統總體設計

系統需要實現對路燈終端的電壓、電流及環境的光線亮度、溫度、濕度等信息的采集，用戶要能夠可視化的采集的數據并對路燈的狀態進行管理。根據系統的功能可將系統分為四個部分，分別為：路燈終端采集模塊、無線通信模塊、云平臺和路燈管理平臺，實現從路燈的信息采集到數據傳輸再到存儲、監控和管理這一整個流程。

3???? 系統硬件設計

系統的路燈終端包括主控芯片、無線通信模塊以及用于采集路燈信息的各類傳感器，用于實現數據采集和數據上傳到云平臺這兩個步驟。

3.1? 主控芯片

終端主控芯片選擇STM32系列的STM32L151RCT6，芯片基于Cor-tex-M3內核是一款功耗低、性能高的芯片，工作電壓為3.3V。在本系統中主要功能是接收各個模塊發送的信息，協調各個模塊之間的工作。

3.2? 電壓/ 電流傳感器

電壓/電流傳感器的型號為MAX471，工作的電壓范圍為3V～36V，由于其內含精密的檢測電阻，可以監測充電和放電兩種狀態，工作范圍內傳感器的精度為2%。系統中傳感器的電壓檢測引腳VT及電流檢測引腳AT分別與MCU和GPIO對應引腳連接，可以較為精準的監測路燈終端的電壓和電流情況。

3.3? 光敏二極管傳感器

光敏二極管傳感器的工作電壓為3.3V～5V，在無光或者光強達不到設定閾值時，模塊的DO輸出高電平，當外界環境光強超過閾值時，DO輸出低電平，使用時傳感器的AO接GPIO對應引腳來進行模擬量的輸出。傳感器可以根據采集的數據是否達到閾值控制繼電器開關的閉合情況，實現對路燈的開關狀態的控制。

3.4? 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器型號為DHT11，具有體積小、功耗低的特點，供電電壓為3.3V，溫度的精度為+-2℃，溫度的量程為0～50℃，濕度的精度為+-5%RH，濕度的量程為20～90%RH，采集的溫度、濕度數據的精確度較高。

3.5? 無線通信模塊

為保障數據傳輸的穩定性，系統選擇的無線通信模塊是移遠公司的BC20模塊，它是一款多功能無線通信模塊，具有LCC封裝、超低功耗、超高靈敏度等優勢，集成了高性能NB-IoT引擎和GNSS引擎。使用BC20模塊實現實時上傳路燈終端采集信息和下發路燈管理平臺的控制命令，實現路燈終端模塊與路燈管理平臺之間的信息交互。

3.6? 路燈定位模塊

考慮到城市路燈的分布范圍廣，故障路燈的位置只能通過人力依次排查，路燈的管理較為被動，所以本系統在路燈終端添加了定位模塊。系統選擇的無線通信模塊集成了定位這部分功能，天線與BC20集成的GNSS引擎連接后就可以進行高靈敏度、高精度的路燈定位。

4???? 系統軟件設計

4.1? 信息采集程序設計

在系統啟動后，系統首先會判斷傳感器是否存在，返回值為1，表示傳感器不存在，反之，則傳感器存在。只有在檢測到傳感器的返回值為0 時才會執行后續的讀取采集數據等操作，對于返回值為1 的情況需要復位硬件重新判斷。

4.2? BC20模塊開發

BC20模塊的開發包括BC20與單片機、BC20與云平臺建立連接。BC20模塊接入云平臺之前需要發送AT命令判斷是否聯網成功，當返回值為“OK”時才能進行與服務器的連接，反之就需要重啟主板。在模塊入網成功后使用“AT+CGATT？”和“AT+QICLOSE=0”查看注冊上網信息和連接狀態，隨后使用TCP協議接入新大陸物聯網云平臺，隨后模塊可以正常的接收和發送數據。

4.3? 新大陸物聯網云平臺

NLECloud的開發是整個智慧路燈監控系統中較為重要的一部分，它是路燈終端和路燈管理平臺之間連接的樞紐，也是路燈智能化程度的關鍵，要實現終端上傳數據的查看、存儲以及路燈管理平臺控制命令的下發。

4.4? 路燈管理平臺開發

系統的管理平臺開發的是一款小程序，使用微信開發者工具進行，頁面設計部分要設置顯示數據的參數以及相應的數值范圍，通過調用API獲取上傳到NLECloud的電壓、電流、光線亮度等數據，并在頁面進行數據的顯示，用戶可以通過掃描二維碼進入小程序，對路燈進行查看和管理。

5???? 系統測試

搭建好硬件系統并為主板供電后，云平臺可見設備在線，在系統測試的時間內設備無掉線、硬件無短路或者斷路等異常情況，系統終端傳感器采集的數據可以正常上傳，用戶可以通過小程序下發控制命令，云平臺可以查看設備上傳的歷史信息，傳感器采集到的數據在正常范圍內，系統穩定性較有保障。

6???? 結語

基于NB-IoT技術的智慧路燈監控系統，實現了實時采集路燈終端信息，并通過NB-IoT無線通信模塊將數據上傳到NLECloud，便于用戶監測路燈的狀態，及時發現路燈故障，規范化路燈的管理，為未來智慧城市的建設打下了好的基礎。

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作者簡介：

徐歌星（1997-），女，山東臨沂人，學生，本科，主要研究方向為物聯網技術。

李慧瑩（1998-），女，河南駐馬店人，學生，本科，主要研究方向為傳感器技術。

岳秀明（1983-），女，山東威海人，講師，碩士，主要研究方向為嵌入式系統設計、物聯網技術，通訊作者。