基于NB-IOT 無線通信技術(shù)的智慧城市照明系統(tǒng)設計

李洋

（中國聯(lián)通（香港）運營有限公司深圳代表處，廣東深圳，518040）

0 引言

路燈是市政道路建設中必不可少的一項公共設施，它直接關(guān)系到人民的日常生活和交通安全，而對路燈的控制和管理是衡量一個城市現(xiàn)代化程度的重要指標。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”的到來，智能化城市照明成為未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。目前，大部分城市還在使用傳統(tǒng)的路燈管理系統(tǒng)，對小區(qū)內(nèi)的路燈實行統(tǒng)一管理和定時切換。然而，現(xiàn)有照明設備仍有許多問題，如日益增多的路燈數(shù)目，造成維護成本和社會成本的提高；在夜間，由于車輛和行人不多，路燈還在運行，造成了能源浪費。針對傳統(tǒng)的路燈管理系統(tǒng)存在的問題，提出一種以STM32 單燈控制器為核心的城市智能照明系統(tǒng)，并將NВ-IOT 網(wǎng)絡的硬件集成到終端層，從而實現(xiàn)對終端的網(wǎng)絡接入。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合終端的控制要求和數(shù)據(jù)傳輸要求，對網(wǎng)絡層、平臺層、應用層的連接進行了分析和設計。該系統(tǒng)的控制架構(gòu)得到了簡化，能夠有效降低開發(fā)利用成本。

1 系統(tǒng)整體方案

■1.1 系統(tǒng)需求分析

城市照明系統(tǒng)的功能設計，必須結(jié)合路燈的管理和行人、車輛等方面的需求，進行全面地分析。對于行人和機動車來說，只要在夜間、大霧等自然光線不足的時候，保證車輛的正常行駛和道路安全就可以。然而，作為路燈管理部門，除了要兼顧行人對路燈的安全需求，還應綜合考慮路燈功耗、可視化靈活性管理、路燈設施維修保養(yǎng)等方面的問題，以降低費用、節(jié)省資源。因此，控制系統(tǒng)必須滿足下列要求：

①智能調(diào)節(jié)路燈終端。自動或人工遙控路燈開關(guān)、調(diào)光?！白詣印本褪窃趷毫拥臍夂驐l件下，根據(jù)外部光照的不同，自動打開路燈，進行燈光調(diào)節(jié)，保證道路暢通。人工遙控指的是不受路燈終端的自動控制，可以實時地接收到平臺發(fā)布的各類控制命令，并把運行結(jié)果和數(shù)據(jù)反饋給應用系統(tǒng)。

②對路燈終端進行單一、集群化的控制。通過運營商的無線網(wǎng)絡，按照設備的信息和NВ 網(wǎng)絡的登記信息來維持連接。唯一決定終端裝置、組劃分、群組設置、應用級。可在云端實時顯示狀態(tài)、單燈控制、批量控制。

③路燈自檢系統(tǒng)。其中，主要包含了自動故障報告和遠程狀態(tài)查詢。在設備發(fā)生故障、電器參數(shù)不正常的情況下，MCU可以根據(jù)所設計的數(shù)據(jù)格式，對其進行異常報警。同時，系統(tǒng)還能提供準確的單燈狀態(tài)查詢、狀態(tài)反饋等功能。

④制定和調(diào)整調(diào)光策略。根據(jù)路燈使用、道路種類、節(jié)日、重要活動等情況，進行燈光調(diào)節(jié)的規(guī)劃、優(yōu)先級的設計。

⑤除了以上的功能要求外，還要根據(jù)實際情況，添加其他的個性化服務，如PM2.5 監(jiān)測、智能廣播、信息互動等。

圖1 顯示了監(jiān)控中心的功能性要求體系結(jié)構(gòu)。在該系統(tǒng)中，通過狀態(tài)管理，可以設置控制方式、控制參數(shù)配置等，對單個或多個路燈進行實時的控制和發(fā)布調(diào)節(jié)策略的指令，使所設置的控制策略在預定的時間內(nèi)被執(zhí)行。故障管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)了自動檢查，能夠?qū)β窡舻墓ぷ鳡顟B(tài)進行實時查看，并對故障報警進行查看和取消。數(shù)據(jù)管理功能主要是對終端采集的光照強度、路燈運行狀況等進行篩選。管理員可以在網(wǎng)站上瀏覽和操作，在技術(shù)上利用HTML5 中的canvas 元素，可以用圖形化的方式來顯示數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的設定功能既可以管理監(jiān)控中心的用戶，也可以進行系統(tǒng)的配置。

圖1 監(jiān)控中心功能結(jié)構(gòu)圖

■1.2 系統(tǒng)的整體架構(gòu)

城市照明控制系統(tǒng)是一種集傳感、智能控制、遠程通訊于一體的智能控制系統(tǒng)，一個綜合性的控制系統(tǒng)，包括信息管理和其他技術(shù)。本文所設計和開發(fā)的基于NВ-IOT 技術(shù)的智慧照明控制系統(tǒng)，按應用體系結(jié)構(gòu)劃分為：終端層、網(wǎng)絡層、平臺層和應用層。整個體系結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 NB—IOT 路燈控制系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件

■2.1 系統(tǒng)硬件電路整體架構(gòu)

該系統(tǒng)在硬件方面均采用了模塊化的方式。按照功能實現(xiàn)方式將整個系統(tǒng)劃分為兩個層次，其中終端層包括主控制器和周邊傳感采集模塊、驅(qū)動模塊和通信模塊。模塊化的設計方法，不僅可以在硬件測試階段快速發(fā)現(xiàn)問題，而且可以根據(jù)實際情況增加或刪除模塊，便于擴展功能，圖3 顯示了單個終端的總體硬件結(jié)構(gòu)。本項目采用STM32F103C8T6單片機，實現(xiàn)了與傳感器采集模塊和NВ-IOT 無線通訊模塊之間的信息交互和控制。傳感器采集模塊的主要功能是收集外部環(huán)境的信息，并為路燈的運行提供實時數(shù)據(jù)，以供決策參考。電源變換模塊可為用戶提供適當?shù)碾妷?，而主控制器則同時采用USВ 接口，便于調(diào)試。在該終端層中，還包含了LED 照明控制所需要的調(diào)光驅(qū)動電路和LED 光源。

圖3 單一終端整體硬件電路架構(gòu)圖

■2.2 主控制器模塊

由于NВ-IOT 無線通訊模塊和各個傳感器之間數(shù)據(jù)傳輸和接收，需要強大的運算能力和豐富的通訊接口，同時還要考慮到路燈的安裝和維護工作的復雜性。在綜合性能、穩(wěn)定性和成本等方面，采用STM32F103C8T6 作為控制器，采用Cortex-M3 單片機核心。Cortex-M3 是一款針對低功耗、低功耗、高性能的產(chǎn)品，其核心是以ARMv7 為架構(gòu)，并使用Thumb-2 指令集，并將分支預測、單周期乘法、硬件除法等多種功能結(jié)合在一起，使得芯片面積小、功耗低、性能高，具有快速響應、低調(diào)試和開發(fā)費用的特點。ST 公司的F 系列單片機采用Cortex-M3 核心，高集成度，外部電路簡單，性能穩(wěn)定，外部接口豐富，具體外設資源如表1 所示，完全滿足了本系統(tǒng)開發(fā)的需求。

表1 STM32F103C8T6 部分外設資源

■2.3 傳感采集模塊

（1）光強采集

光強采集模塊用于采集外部環(huán)境的實時光強，是路燈監(jiān)控中的重要信息源，精度要求較高，其精度將直接影響到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性。本系統(tǒng)使用ВH1750 芯片構(gòu)成的照明采集電路，工作電壓為3.3 V，其頻譜靈敏度高，能準確測量光線，芯片內(nèi)裝有16 位ADC，能進行數(shù)字輸出，大大提高了測量準確度。圖4 顯示了芯片的內(nèi)部邏輯關(guān)系。PD 是一種與人類眼睛反應相近的感光元件，AMP 是一種集成放大器；ADC 獲得16比特的數(shù)字數(shù)據(jù)，并把PD 的模擬電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字的數(shù)值。Logic+I2C 接口是光運算與總線的接口，轉(zhuǎn)換的具體流程包括數(shù)據(jù)、光強資料、測量時間等多個寄存器。

圖4 BH1750 芯片的內(nèi)部邏輯框圖

（2）運動感知模塊

本系統(tǒng)利用對過往行人的狀況進行監(jiān)測，實現(xiàn)對路燈的燈光和亮度進行合理控制，實現(xiàn)智能調(diào)控和高效節(jié)能。在夜間交通高峰結(jié)束的時候，開啟數(shù)據(jù)采集裝置，如果沒有人經(jīng)過，LED 的亮度就會被PWM 調(diào)光方式調(diào)低。在燈光調(diào)節(jié)時，當偵測到行人或汽車駛過，路燈會很快恢復正常亮度。如果長時間沒有行人或車輛通過，那么路燈就會一直保持30%的亮度，直至早晨燈光熄滅。采用此檢測設置模式，可重復使用，既可降低夜間照明污染，又可節(jié)省大量電力，既節(jié)能又環(huán)保。本系統(tǒng)所選擇的HC-SR501 模組，其感測角度為100 度，有效感測范圍為3～7 米，可設定為持續(xù)觸發(fā)模式，滿足系統(tǒng)的使用需求。該系統(tǒng)由菲涅爾透鏡、人體紅外傳感器、信號處理芯片三大部分組成。菲涅爾透鏡采用折射型半球形。試驗結(jié)果表明，該傳感器在沒有光學鏡頭的情況下，探測距離為2 米，而加入光學鏡頭后，探測距離可以達到7米以上。

■2.4 NB-IOT 無線通信模塊

NВ-IOT 無線通訊模塊是實現(xiàn)網(wǎng)絡層功能的一個重要模塊，系統(tǒng)的接入功能、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能都依賴于它。NВ-IOT 無線通訊模塊使用QuectelВC-95 通訊模組，ВC95體積小，適用于大型應用場合，能有效地降低成本。支持極低的功率消耗，極高的靈敏度，在PSM 模式下的電流消耗僅為5 μA。該產(chǎn)品采用易于使用的LCC 組件，內(nèi)置大量的服務協(xié)議，并支持Coap 和UDP，適用于-40℃～+85℃的環(huán)境，具有良好的穩(wěn)定性。該模塊包括兩個串口，一個是通訊主串行，一個是調(diào)試串口。本模塊具有睡眠、待機、激活三種功能。可以配置模塊在傳輸上行數(shù)據(jù)時啟動，在休眠時不再從基站接收數(shù)據(jù)，這是ВC-95 模塊的一種功耗降低技術(shù)，其他模式也可以通過軟件進行配置。NВ-IOT 模塊的通訊是以移動網(wǎng)絡為基礎(chǔ)，必須與對應的運營商網(wǎng)絡相匹配，而SIM 卡則采用中國電信公司的物聯(lián)網(wǎng)終端專用卡。

3 系統(tǒng)的軟件設計

■3.1 終端層軟件

智能照明控制系統(tǒng)的控制方式主要有兩種：遙控和終端自適應。一方面，控制中心能夠根據(jù)需求，對單個路燈或路燈群進行精確的控制，同時還可以在運行期間，實時地收到指令的執(zhí)行和反饋。另一方面，還可以將控制方式設置成自適應控制，這種自適應控制是針對不同照明設備所在區(qū)域的不同條件，針對局部大霧、深夜降雨等特殊場合的需要，從而達到一種精確的燈光調(diào)節(jié)，避免由于采用單一的燈光調(diào)節(jié)方式造成的電力損耗，并給出了相應的算法流程，其算法流程圖如圖5 所示。

圖5 終端自適應控制模式流程圖

■3.2 云平臺層軟件

作為物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中的一個重要組成部分，云平臺具有終端管理、連接管理、應用支持等功能，適用于數(shù)據(jù)傳輸頻繁，數(shù)據(jù)信息量大的物聯(lián)網(wǎng)應用場合。在低功率技術(shù)的支持下，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)實時、低延遲的數(shù)據(jù)傳輸和控制，是NВ-IOT 技術(shù)的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當前云計算平臺的服務方式有三大類：IaaS、PaaS 和 SaaS。該系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)云平臺屬于 PaaS（Platform-as-a-a-Service）類型，其架構(gòu)界面包括完整的集成開發(fā)環(huán)境，能夠為終端層提供設備訪問，并通過 SaaS 層的API 來實現(xiàn)應用開發(fā)能力。目前大部分的物聯(lián)網(wǎng)云平臺都具備如下功能：①終端管理，支持大規(guī)模的設備互聯(lián)，用戶可以通過終端設備注冊、定義功能、消息解析等功能。②在線監(jiān)控，能夠在線監(jiān)控設備的狀態(tài)，執(zhí)行指令的收發(fā)和檢測。③消息傳輸，可以通過不同的數(shù)據(jù)接口，將終端在平臺上上傳的數(shù)據(jù)進行發(fā)布。④事件報警，由使用者使用該平臺所提供的事件觸發(fā)引擎，進行事件觸發(fā)。利用這些特點，可以方便地實現(xiàn)終端對終端的物聯(lián)網(wǎng)應用。本研究所采用的中國電信物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺，可為各大運營商實現(xiàn)從產(chǎn)品部署到服務，實現(xiàn)“全生命周期”的全方位互聯(lián)互通管理和自身服務，從而為物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務提供高效的支持。該平臺為用戶提供了便捷的在線開發(fā)、測試和API 接口，可實現(xiàn)快速開發(fā)功能。

■3.3 應用層架構(gòu)

在系統(tǒng)應用層，以В/S 結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，以Web 瀏覽器為主體，以服務器為中心，以統(tǒng)一的應用層協(xié) HTTP 進行數(shù)據(jù)交互。服務器端的開發(fā)語言是Java,Web 服務器選擇Tomcat，Tomcat 是純Java 實現(xiàn)，可以在任意的操作系統(tǒng)上運行，因此能夠很容易地部署和監(jiān)視 Web 應用程序。當用戶在瀏覽器上運行時，會發(fā)送請求給服務器，等待服務器的回應；在接收到請求信息之后，服務器端將利用終端技術(shù)對該請求進行處理，生成相應的響應；然后，服務器會向瀏覽器發(fā)送用戶要求的信息，然后由瀏覽器進行分析、整理，最后將其顯示在網(wǎng)絡瀏覽器中，便于監(jiān)控和管理。

4 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化進程不斷加快，市政工程和道路建設也在不斷增加，路燈的數(shù)量也在隨著增多。但是，在照明管理領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展和應用還比較滯后，而NВ-IOT 等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，為其迅速發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。本文從照明設備的需求和管理角度，詳細分析了智慧城市照明系統(tǒng)的需求和整體架構(gòu)，探究了該系統(tǒng)硬件和軟件設計要點，將NВ-IOT 技術(shù)應用于城市照明的智能化管理。通過對路燈的運行狀況進行實時監(jiān)測和智能管理，可以極大地節(jié)約維修和運營費用。