徐歌星 李慧瑩 岳秀明

摘要：通過(guò)分析城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，對(duì)比目前基于電力載波、ZigBee等技術(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)的主控芯片是STM32，實(shí)現(xiàn)了采集的數(shù)據(jù)通過(guò)NB-IoT模塊上傳到云平臺(tái)，用戶(hù)通過(guò)小程序?qū)β窡舻墓芾砗涂刂?，達(dá)到了節(jié)能、規(guī)范化管理路燈的目的。

關(guān)鍵詞：NB-IoT;STM32;云平臺(tái);智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)

1???? 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，各地加強(qiáng)對(duì)智慧城市的研究力度，路燈作為智慧城市感知層的設(shè)施，可以作為傳感器的天然載體、信息采集的來(lái)源，所以充分利用路燈資源能夠更好的為智慧城市服務(wù)。

傳統(tǒng)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)采用亮度控制和時(shí)間控制兩種方式，前者通過(guò)光照來(lái)控制路燈的開(kāi)或關(guān)，但是粉塵、雨雪污染等會(huì)影響靈敏度;后者通過(guò)提前設(shè)置好的開(kāi)關(guān)時(shí)間實(shí)現(xiàn)開(kāi)或關(guān)，但是季節(jié)更替時(shí)需要人工干預(yù)。上述兩種方式都不能較及時(shí)的管理路燈狀態(tài)、控制開(kāi)關(guān)時(shí)間。

現(xiàn)有的智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)多是基于電力載波通信（Power Liner Carrier Communication，PLC）系統(tǒng)和基于ZigBee的系統(tǒng)，基于PLC的管理系統(tǒng)利用現(xiàn)有的路燈線(xiàn)路實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的控制，成本較低，但是信號(hào)的穩(wěn)定性低，可靠性較差;基于ZigBee的管理系統(tǒng)利用電磁波信號(hào)進(jìn)行數(shù)字通信，需要部署大量的網(wǎng)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的控制，系統(tǒng)的投入成本高。

本系統(tǒng)是基于NB-IoT技術(shù)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)，使用一系列傳感器實(shí)時(shí)采集路燈終端信息，通過(guò)低功耗的NB-IoT無(wú)線(xiàn)通信模塊實(shí)現(xiàn)采集信息的上傳和管理平臺(tái)命令的下發(fā)，用戶(hù)可以在路燈管理平臺(tái)查看路燈信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理路燈，另外系統(tǒng)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(shí)間，對(duì)推進(jìn)路燈的智能化程度具有重要意義。

2???? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈終端的電壓、電流及環(huán)境的光線(xiàn)亮度、溫度、濕度等信息的采集，用戶(hù)要能夠可視化的采集的數(shù)據(jù)并對(duì)路燈的狀態(tài)進(jìn)行管理。根據(jù)系統(tǒng)的功能可將系統(tǒng)分為四個(gè)部分，分別為：路燈終端采集模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊、云平臺(tái)和路燈管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)從路燈的信息采集到數(shù)據(jù)傳輸再到存儲(chǔ)、監(jiān)控和管理這一整個(gè)流程。

3???? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的路燈終端包括主控芯片、無(wú)線(xiàn)通信模塊以及用于采集路燈信息的各類(lèi)傳感器，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)這兩個(gè)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(nèi)核是一款功耗低、性能高的芯片，工作電壓為3.3V。在本系統(tǒng)中主要功能是接收各個(gè)模塊發(fā)送的信息，協(xié)調(diào)各個(gè)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(hào)為MAX471，工作的電壓范圍為3V～36V，由于其內(nèi)含精密的檢測(cè)電阻，可以監(jiān)測(cè)充電和放電兩種狀態(tài)，工作范圍內(nèi)傳感器的精度為2%。系統(tǒng)中傳感器的電壓檢測(cè)引腳VT及電流檢測(cè)引腳AT分別與MCU和GPIO對(duì)應(yīng)引腳連接，可以較為精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)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(wú)光或者光強(qiáng)達(dá)不到設(shè)定閾值時(shí)，模塊的DO輸出高電平，當(dāng)外界環(huán)境光強(qiáng)超過(guò)閾值時(shí)，DO輸出低電平，使用時(shí)傳感器的AO接GPIO對(duì)應(yīng)引腳來(lái)進(jìn)行模擬量的輸出。傳感器可以根據(jù)采集的數(shù)據(jù)是否達(dá)到閾值控制繼電器開(kāi)關(guān)的閉合情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)的控制。

3.4? 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器型號(hào)為DHT11，具有體積小、功耗低的特點(diǎn)，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(shù)據(jù)的精確度較高。

3.5? 無(wú)線(xiàn)通信模塊

為保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，系統(tǒng)選擇的無(wú)線(xiàn)通信模塊是移遠(yuǎn)公司的BC20模塊，它是一款多功能無(wú)線(xiàn)通信模塊，具有LCC封裝、超低功耗、超高靈敏度等優(yōu)勢(shì)，集成了高性能NB-IoT引擎和GNSS引擎。使用BC20模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)上傳路燈終端采集信息和下發(fā)路燈管理平臺(tái)的控制命令，實(shí)現(xiàn)路燈終端模塊與路燈管理平臺(tái)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(guò)人力依次排查，路燈的管理較為被動(dòng)，所以本系統(tǒng)在路燈終端添加了定位模塊。系統(tǒng)選擇的無(wú)線(xiàn)通信模塊集成了定位這部分功能，天線(xiàn)與BC20集成的GNSS引擎連接后就可以進(jìn)行高靈敏度、高精度的路燈定位。

4???? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1? 信息采集程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)啟動(dòng)后，系統(tǒng)首先會(huì)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(cè)到傳感器的返回值為0 時(shí)才會(huì)執(zhí)行后續(xù)的讀取采集數(shù)據(jù)等操作，對(duì)于返回值為1 的情況需要復(fù)位硬件重新判斷。

4.2? BC20模塊開(kāi)發(fā)

BC20模塊的開(kāi)發(fā)包括BC20與單片機(jī)、BC20與云平臺(tái)建立連接。BC20模塊接入云平臺(tái)之前需要發(fā)送AT命令判斷是否聯(lián)網(wǎng)成功，當(dāng)返回值為“OK”時(shí)才能進(jìn)行與服務(wù)器的連接，反之就需要重啟主板。在模塊入網(wǎng)成功后使用“AT+CGATT？”和“AT+QICLOSE=0”查看注冊(cè)上網(wǎng)信息和連接狀態(tài)，隨后使用TCP協(xié)議接入新大陸物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，隨后模塊可以正常的接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

4.3? 新大陸物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

NLECloud的開(kāi)發(fā)是整個(gè)智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)中較為重要的一部分，它是路燈終端和路燈管理平臺(tái)之間連接的樞紐，也是路燈智能化程度的關(guān)鍵，要實(shí)現(xiàn)終端上傳數(shù)據(jù)的查看、存儲(chǔ)以及路燈管理平臺(tái)控制命令的下發(fā)。

4.4? 路燈管理平臺(tái)開(kāi)發(fā)

系統(tǒng)的管理平臺(tái)開(kāi)發(fā)的是一款小程序，使用微信開(kāi)發(fā)者工具進(jìn)行，頁(yè)面設(shè)計(jì)部分要設(shè)置顯示數(shù)據(jù)的參數(shù)以及相應(yīng)的數(shù)值范圍，通過(guò)調(diào)用API獲取上傳到NLECloud的電壓、電流、光線(xiàn)亮度等數(shù)據(jù)，并在頁(yè)面進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示，用戶(hù)可以通過(guò)掃描二維碼進(jìn)入小程序，對(duì)路燈進(jìn)行查看和管理。

5???? 系統(tǒng)測(cè)試

搭建好硬件系統(tǒng)并為主板供電后，云平臺(tái)可見(jiàn)設(shè)備在線(xiàn)，在系統(tǒng)測(cè)試的時(shí)間內(nèi)設(shè)備無(wú)掉線(xiàn)、硬件無(wú)短路或者斷路等異常情況，系統(tǒng)終端傳感器采集的數(shù)據(jù)可以正常上傳，用戶(hù)可以通過(guò)小程序下發(fā)控制命令，云平臺(tái)可以查看設(shè)備上傳的歷史信息，傳感器采集到的數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)，系統(tǒng)穩(wěn)定性較有保障。

6???? 結(jié)語(yǔ)

基于NB-IoT技術(shù)的智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)采集路燈終端信息，并通過(guò)NB-IoT無(wú)線(xiàn)通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到NLECloud，便于用戶(hù)監(jiān)測(cè)路燈的狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)路燈故障，規(guī)范化路燈的管理，為未來(lái)智慧城市的建設(shè)打下了好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

徐歌星（1997-），女，山東臨沂人，學(xué)生，本科，主要研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)技術(shù)。

李慧瑩（1998-），女，河南駐馬店人，學(xué)生，本科，主要研究方向?yàn)閭鞲衅骷夹g(shù)。

岳秀明（1983-），女，山東威海人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通訊作者。