基于LORA與NB-IOT技術(shù)的智能路燈系統(tǒng)研究

基金項(xiàng)目：2021年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目“基于DALI及無線技術(shù)的智能照明控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用”（編號(hào)：2021KY1125）

作者簡介：闕凡博（1989—），碩士，講師，工程師，研究方向：嵌入式單片機(jī)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能控制技術(shù)。

摘要：文章提出一種基于LORA（遠(yuǎn)距離低功耗無線通信）和NB-IOT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)的智能路燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用傳感器檢測環(huán)境光強(qiáng)度和人車流量，通過LORA或NB-IOT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進(jìn)行處理分析并通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對路燈照明的自動(dòng)控制。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對路燈的靈活控制，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，并且能夠有效地降低系統(tǒng)的功耗。

關(guān)鍵詞：智能路燈；LORA；NB-IOT；傳感器；物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：U495

0 引言

隨著我國城市化的快速發(fā)展，交通越來越繁忙，對城市的道路照明提出了更高的要求。為了滿足這些需求，智能路燈系統(tǒng)被引入，以提高路燈控制的效率和質(zhì)量。智能路燈系統(tǒng)是一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能照明系統(tǒng)^［1］，利用傳感器、數(shù)據(jù)分析和遠(yuǎn)程控制等技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)路燈的自動(dòng)調(diào)節(jié)和管理。目前，智能路燈系統(tǒng)已經(jīng)成為城市智能化建設(shè)的重要組成部分。

現(xiàn)有的智能路燈系統(tǒng)主要采用無線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其中LORA和NB-IOT是常用的兩種技術(shù)。LORA是一種長程低功耗無線通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高速傳輸和遠(yuǎn)距離通信，適用于廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，但是無法接入互聯(lián)網(wǎng)。NB-IOT是窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，具有低功耗、寬覆蓋等特點(diǎn)^［2］，可以有效地解決物聯(lián)網(wǎng)中的瓶頸問題，能夠接入互聯(lián)網(wǎng)。本文結(jié)合LORA以及NB-IOT的特點(diǎn)，提出了一種基于LORA和NB-IOT技術(shù)的智能路燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用傳感器檢測環(huán)境光強(qiáng)度和人車流量，通過LORA對路燈的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集，再通過NB-IOT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進(jìn)行處理分析并通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對路燈照明的自動(dòng)控制。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，并且能夠有效地節(jié)約能源。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能路燈系統(tǒng)由智能路燈控制終端、智能路燈網(wǎng)關(guān)、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)3個(gè)部分組成。通過MCU單片機(jī)驅(qū)動(dòng)傳感器檢測環(huán)境光強(qiáng)度和人車流量等信息，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到LORA/NB-IOT模塊。LORA/NB-IOT模塊負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)桨⒗镌莆锫?lián)網(wǎng)平臺(tái)，使得管理人員通過電腦或移動(dòng)端獲取路燈狀態(tài)以及對路燈進(jìn)行控制。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 智能路燈控制終端設(shè)計(jì)

智能路燈控制終端采用國產(chǎn)32位單片機(jī)LQFP32封裝的STC32G12K128作為主控芯片，該芯片具有多達(dá)15路的ADC轉(zhuǎn)換通道、4路串口、8路16位的PWM輸出通道、1個(gè)ⅡC串行總線控制器，2組SPI通信接口，功能強(qiáng)大，適用在本系統(tǒng)作為主控。傳感器模塊主要包含光照傳感器以及人車流量傳感器模塊。光照傳感器采用MAX44009傳感器，該傳感器集成了紅外及紫外線屏蔽電路，能識(shí)別出微弱光線的變化。人車感應(yīng)傳感器模塊集成了聲音檢測以及微波檢測傳感器，其中聲音檢測選擇使用KY-037模塊，微波傳感器選擇HB100微波多普勒無線雷達(dá)探測器，能夠有效檢測人車經(jīng)過。無線通信模塊選擇LORA，采用的是Semtech公司的SX1278模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗與遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一^［3］。智能路燈控制終端的原理框圖如圖2所示。

2.1 控制終端電源電路設(shè)計(jì)

智能路燈控制終端電源接入交流電220 V，通過金升陽電源模塊LS10-13B05R3P輸出直流5 V電源，輸出功率最大可達(dá)10 W，滿足主控芯片等其他模塊的供電需求。由于環(huán)境光檢測傳感器采用3.3 V供電，因此設(shè)計(jì)了使用低壓差線性穩(wěn)壓芯片HT7833將5 V穩(wěn)壓到3.3 V。電源電路如圖3所示。

2.2 路燈功率計(jì)量電路設(shè)計(jì)

該電路采用了深圳合力為公司的HLW8032作為路燈功率計(jì)量芯片，該芯片具有精度高、功耗小、可靠性高、適用環(huán)境能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，如圖4所示。路燈的交流電壓的檢測通過規(guī)格為1 000∶1 000，2 mA∶2 mA的電流型電壓互感器CT1后進(jìn)入芯片的檢測端VP，而其交流電流經(jīng)過規(guī)格為1∶1 000，5 A/5 mA電流互感器以及處理電路后進(jìn)入芯片的檢測端IP與IN。經(jīng)過芯片的內(nèi)部處理電路后，從6腳TX端以串口的通信方式輸出數(shù)字信號(hào)傳送給主控芯片讀取電壓以及電流信號(hào)，使主控芯片能夠準(zhǔn)確讀取到路燈當(dāng)前消耗的功率以及判斷路燈的好壞。

2.3 人車感應(yīng)電路的設(shè)計(jì)

為了準(zhǔn)確判斷當(dāng)前是否有車以及人的經(jīng)過，本設(shè)計(jì)終端使用了微波檢測以及聲音檢測相結(jié)合的方案，如圖5所示。微波檢測電路采用HB100微波多普勒無線雷達(dá)探傳感器模塊，可以實(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)15 m的檢測，且不受溫度、濕度、噪聲、氣流、塵埃、光線等影響，適合惡劣環(huán)境^［4］。聲音檢測使用KY-037聲音檢測模塊，該模塊可以檢測環(huán)境的聲音，根據(jù)音量的大小輸出相應(yīng)的模擬電壓給主控芯片進(jìn)行AD采樣。

2.4 環(huán)境光檢測以及PWM調(diào)光電路

環(huán)境光檢測采用MAX44009環(huán)境光傳感器，該傳感器提供12C通訊輸出數(shù)字信號(hào)，和主控的I2C接口相連，PWM調(diào)光電路則設(shè)計(jì)使用主控輸出PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)管CJ2304，能有效地減少PWM波的畸變，使控制燈的亮度更加準(zhǔn)確，該部分的設(shè)計(jì)如圖6所示。

2.5 LORA無線模塊的設(shè)計(jì)

LORA模塊采用的是Semtech公司的SX1278模塊，該模塊和主控單片機(jī)通訊采用的是SPI接口，在進(jìn)行PCB布局布線時(shí)，需要注意模塊周邊不要有強(qiáng)干擾源，增強(qiáng)模塊的穩(wěn)定性。其電路如圖7所示。

基于LORA與NB-IOT技術(shù)的智能路燈系統(tǒng)研究/闕凡博

2.6 智能路燈終端的程序設(shè)計(jì)

智能路燈終端上電運(yùn)行后，STC32G12K128主控芯片開始初始化各個(gè)模塊，在主程序主循環(huán)中不斷檢測光照強(qiáng)度。當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，則說明當(dāng)前環(huán)境光照亮度較好，此時(shí)關(guān)閉路燈；當(dāng)光照強(qiáng)度低于設(shè)定閾值時(shí)，則說明當(dāng)前亮度較差，同時(shí)開始檢測人車是否經(jīng)過，如果檢測到，逐漸將路燈的亮度調(diào)到100%，如果未檢測到則將亮度降低至40%。同時(shí)，在定時(shí)器服務(wù)子程序里不斷檢測燈當(dāng)前功率的狀態(tài)，讀取LORA模塊傳來的數(shù)據(jù)，將燈狀態(tài)的數(shù)據(jù)匯集傳給下一個(gè)終端，直至傳至網(wǎng)關(guān)。智能路燈終端的程序設(shè)計(jì)流程如下頁圖8所示。

3 智能路燈網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

智能路燈網(wǎng)關(guān)主控芯片仍采用STC32G12K128單片機(jī)，采用和智能路燈終端一樣的LORA模塊，采用NB-IOT將LORA匯聚的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到云端服務(wù)器。智能路燈網(wǎng)關(guān)的原理框圖如下頁圖9所示，主控芯片驅(qū)動(dòng)智能路燈網(wǎng)關(guān)的LORA模塊對智能路燈終端LORA數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集處理，形成一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)對終端路燈的控制；主控驅(qū)動(dòng)NB-IOT模塊則是將匯集的數(shù)據(jù)傳送到云端服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)的數(shù)據(jù)交換傳輸。該網(wǎng)關(guān)供電電源電路以及LORA模塊電路設(shè)計(jì)與路燈控制終端接近，在此不再贅述，下面就NB-IOT模塊電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行描述。

3.1 NB-IOT通訊模塊電路的設(shè)計(jì)

NB-IOT通訊模塊用利爾達(dá)公司的NB86-G模組，該模組具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)該模塊電路時(shí)，要考慮模電傳輸數(shù)據(jù)時(shí)功耗的增加；在PCB布局布線時(shí)，要注意避開強(qiáng)電區(qū)，增強(qiáng)抗干擾能力。該模塊電路設(shè)計(jì)如圖10所示。

3.2 智能路燈網(wǎng)關(guān)的程序設(shè)計(jì)

主控MCU等待NB86-G模組啟動(dòng)完畢后，通過AT指令配置NB-IOT模塊，從而連接服務(wù)器，然后讀取LORA匯集的數(shù)據(jù)，并通過AT指令將數(shù)據(jù)發(fā)送到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)；如果收到阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)下發(fā)的數(shù)據(jù)，則對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并發(fā)送給LORA模塊，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給智能控制終端。其程序流程如圖11所示。

4 阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的接入

阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)（Aliyun IoT Platform）是阿里云推出的一款面向物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的平臺(tái)服務(wù)，涵蓋了設(shè)備接入、消息通信、規(guī)則引擎、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、API網(wǎng)關(guān)等核心功能。阿里云平臺(tái)提供可靠的設(shè)備管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和應(yīng)用開發(fā)支持，便于用戶進(jìn)行設(shè)備管理和控制，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

在本方案中，接入阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的方法如圖12所示。首先注冊阿里云賬號(hào)，并開通物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)服務(wù)；其次在阿里云平臺(tái)上創(chuàng)建路燈指示、指令控制等必要設(shè)備，并對創(chuàng)建的設(shè)備進(jìn)行管理控制；再次在阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)使用云端SDK的方法建立安全數(shù)據(jù)通道；最后對設(shè)備數(shù)據(jù)的發(fā)送以及接受的格式進(jìn)行解析，以便存儲(chǔ)控制。

5 測試與分析

試驗(yàn)測試表明，該系統(tǒng)智能路燈能夠準(zhǔn)確地檢測環(huán)境光強(qiáng)度，以及有效地感應(yīng)人車經(jīng)過，從而對路燈進(jìn)行智能控制，并準(zhǔn)確地計(jì)算路燈的功率以及狀態(tài)，通過LORA匯集路燈狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送到智能路燈網(wǎng)關(guān)，而智能路燈網(wǎng)關(guān)通過NB-IOT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務(wù)器中。云端服務(wù)器能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并根據(jù)分析結(jié)果向物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)路燈照明的自動(dòng)控制。該系統(tǒng)相比傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)，能夠有效地節(jié)約能源，具有較高的節(jié)能效果。

6 結(jié)語

本文提出了一種基于LORA和NB-IOT技術(shù)的智能路燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用傳感器檢測環(huán)境光強(qiáng)度和人車流量，通過LORA或NB-IOT網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到云端進(jìn)行處理分析，并通過物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對路燈照明的自動(dòng)控制。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，并且能夠有效地節(jié)約能源。未來將進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和編程算法，提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2023-04-27