石英春，雷道仲

(1.湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程學(xué)院，長沙 410200； 2.中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，長沙 410083)

0 引言

傳統(tǒng)路燈控制器技術(shù)通信模式通常采用電力載波通信和通用分組無線服務(wù)技術(shù)(GPRS)組合通信方式[1],此種方式在同一臺區(qū)變壓器內(nèi)部回路采用電力線載波，在跨接不同的臺區(qū)時，必須將同臺區(qū)的信息依靠數(shù)據(jù)終端通過GPRS傳輸?shù)胶笈_服務(wù)系統(tǒng)，存在工頻諧波干擾大，數(shù)據(jù)終端需求多，成本增加，安裝不方便，同時后期維護(hù)量大等缺點(diǎn)；文獻(xiàn)[2-3]路燈控制設(shè)備之間組網(wǎng)采用WiFi、ZigBee等短距離通信方式來代替電力載波通信，同樣存在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性不高的情況。相比于傳統(tǒng)通信方式，窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信(NB-IoT)技術(shù)具有寬連接、廣覆蓋、低成本和低功耗的優(yōu)勢[4]，可以直接部署在現(xiàn)有運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，路燈控制設(shè)備之間彼此獨(dú)立，其信號穩(wěn)定可靠，建設(shè)成本較低、維護(hù)升級方便等優(yōu)勢[5]。

本文基于NB-IoT技術(shù)特點(diǎn)，提出了一種新型智能路燈控制系統(tǒng)方案，該控制方式實(shí)現(xiàn)了智能化的路燈管理模式，實(shí)時監(jiān)測路燈的運(yùn)行情況和環(huán)境變化，及時控制路燈的打開和關(guān)閉，改變目前路燈網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)成本高、能耗大的缺點(diǎn)，同時減少因路燈故障引起的不必要損失。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

路燈控制系統(tǒng)主要用來采集單盞路燈亮度、溫度、電壓、電流、功率等路燈狀態(tài)，并根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和突發(fā)情況進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)和控制?；谖锫?lián)網(wǎng)的路燈控制系統(tǒng)，由路燈應(yīng)用節(jié)點(diǎn)、NB IOT平臺、用戶數(shù)據(jù)處理器、瀏覽服務(wù)器組成，如圖1所示。

路燈應(yīng)用節(jié)點(diǎn)包括燈光顯示、傳感器采集模塊、控制器模塊。燈光顯示包括了白熾燈、LED燈、景觀燈等；傳感器采集模塊主要采集路燈的狀態(tài)信息和環(huán)境信息；控制器模塊主要是將傳感器采集模塊的信息進(jìn)行保存，將用戶數(shù)據(jù)處理服務(wù)器需要的信息通過NBiot通信方式上傳主站，并根據(jù)設(shè)置信息對燈光進(jìn)行控制[6-7]。

NB IOT平臺包括了基站和第三方管理服務(wù)器，由于采用的是電信頻段的NB模組，所以第三方管理服務(wù)器為天翼云平臺服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)路燈控制器模塊和用戶數(shù)據(jù)處理服務(wù)器之間的雙向數(shù)據(jù)透傳。

用戶數(shù)據(jù)處理服務(wù)器通過接收第三方管理服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)來的路燈應(yīng)用節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息，根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理，為客戶瀏覽服務(wù)器提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)訪問服務(wù)，并將用戶瀏覽服務(wù)器發(fā)送來的控制信號發(fā)送至路燈終端，實(shí)現(xiàn)對路燈的控制和管理。

瀏覽服務(wù)器主要接用戶的前端顯示電腦、手機(jī)APP等用戶的人機(jī)交互設(shè)備，通過友好的可視化界面實(shí)現(xiàn)對路燈信息的參數(shù)查詢，并按特定要求實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

路燈控制系統(tǒng)應(yīng)用節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示，主要由微控制器模塊、下行采集和控制模塊、上行通信模塊、電源模塊、存儲器模塊等部分組成。下行采集和控制模塊，用來采集路燈及周圍環(huán)境狀態(tài)(包括單盞路燈的電壓、電流值，外界光強(qiáng)度值，戶外溫度值以及有無人流走動信息等)，并按照既定要求進(jìn)行控制路燈亮滅，要求觸點(diǎn)容量為5 A，AC220 V以上；上行通信模塊兼容全網(wǎng)通通信網(wǎng)絡(luò)，響應(yīng)時間控制在2 s以內(nèi)，利用微處理器的管腳控制通信模塊的電源；微處理器的串口0與上行通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并讀取物聯(lián)網(wǎng)卡電路的卡號信息，通過天線與電信基站進(jìn)行通信；電源模塊先將輸入的220 V交流電，通過開關(guān)電源進(jìn)行整流、穩(wěn)壓，為系統(tǒng)提供電能，整機(jī)功耗控制在2 W以內(nèi)；當(dāng)系統(tǒng)停電時，有最后一次的停電信息記錄；存儲器模塊設(shè)計(jì)通過SPI總線與微處理器的SPI接口相連[8-9]，可以存儲30天以上的路燈狀態(tài)信息。

圖2 路燈應(yīng)用節(jié)點(diǎn)硬件電路圖

微控制器模塊一方面用來接收路燈采集運(yùn)行和狀態(tài)信息,并將處理后的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給上行通信模塊,然后上傳到天翼云平臺;另一方面接收從云平臺通過通信模塊轉(zhuǎn)發(fā)的路燈控制命令并下發(fā)給繼電器輸出模塊。選用意法半導(dǎo)體的cotex-M0為控制處理核心，型號為：STM32F205，ARM32位Cortex-M3 內(nèi)核，最大工作頻率120 MHz，最大1 MB的Flash、128 kB的SRAM存儲器，內(nèi)部可選配的26 MHz晶振，選配內(nèi)32 kHz的晶振，帶有3個12位的μs級的AD轉(zhuǎn)換器，4個USART接口和2個UART接口。

2.1 下行采集和控制模塊

下行采集和控制模塊由電壓電流檢測模塊、光強(qiáng)度傳感器檢測模塊、溫度傳感器檢測模塊、攝像頭模塊以及繼電器輸出模塊組成，其中電壓電流檢測模塊、光強(qiáng)度傳感器檢測模塊、溫度傳感器檢測模塊、攝像頭模塊為信號輸入模塊，繼電器輸出模塊為信號輸出模塊。電壓電流檢測模塊主要是采集路燈回路中的電壓值和電流值，并將結(jié)果輸入到微處理器中，進(jìn)行功率的計(jì)算，并將數(shù)據(jù)存儲到存儲器中，作為路燈是否可靠運(yùn)行的依據(jù)；光強(qiáng)度傳感器檢測模塊用來檢測戶外的天氣狀況，通過檢測數(shù)據(jù)與給定值比較，來決定是否打開路燈開關(guān)；溫度傳感器檢測模塊用來檢測外界的溫度情況；攝像頭模塊主要來檢測路燈周圍是否有人員和車輛經(jīng)過，并將此數(shù)據(jù)輸入到微處理器，以此來調(diào)節(jié)路燈的亮度。

繼電器輸出模塊，控制單臺路燈的亮滅，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源的目的。為了滿足觸點(diǎn)容量為5 A，AC220 V以上可正常開合，選用歐姆龍繼電器，型號為G5RL-1A-E，實(shí)際觸電容量為16 A，AC250 V?？刂品绞娇梢愿鶕?jù)現(xiàn)場的需求，做到統(tǒng)籌安排，精細(xì)化管控，實(shí)現(xiàn)城市電能的合理利用；通過個性化控制策略，比如在某路段，晚上10點(diǎn)之前路燈全部打開，10～12點(diǎn)以后關(guān)閉單數(shù)燈柱，0點(diǎn)以后關(guān)閉某側(cè)的所有燈柱，按照此控制策略，保守估計(jì)，平均每天每盞燈比長期供電時可節(jié)約40%。

2.2 上行通信模塊

上行通信模塊采用NB-IoT通信方式，主要由全網(wǎng)通模組BC28，電源控制電路、SIM卡電路和濾波天線等組成,將前期采集并保存的路燈照明參數(shù)及環(huán)境狀況信息，發(fā)送到天翼云平臺[10-12]。具體采用華為內(nèi)核的移遠(yuǎn)模組BC28，它具有超緊湊、多頻段、高性能、低功耗的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)通的頻段，可選用電信、移動、聯(lián)通三大主流運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)，其尺寸比前期的BC95更小，內(nèi)部帶模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。工作電壓VCC_NB 可使用范圍3.1～4.2 V，典型值3.6 V。此模塊由模組BC28、異步收發(fā)回路、物聯(lián)網(wǎng)卡回路、電源管理、射頻通信口組成，在異步收發(fā)回路串接1 kΩ 的電阻，用于串口匹配電阻；在物聯(lián)網(wǎng)卡通信回路中，串接了22歐姆的電阻，保證讀取物聯(lián)網(wǎng)卡數(shù)據(jù)的穩(wěn)定；電源管理，保證了低功耗時，整機(jī)電源消耗最小；射頻通信口用于外接天線，電路圖如圖3所示。

圖3 物聯(lián)網(wǎng)通信接口電路

2.3 電源模塊

在電源模塊中，外部輸入的交流220 V電源有兩個用途，一方面輸入到繼電器輸出模塊，用于控制路燈的亮滅；另一方面輸入到開關(guān)電源，用于供給路燈應(yīng)用節(jié)點(diǎn)的所有模塊電能。輸入到開關(guān)電源的電能，先經(jīng)過整流、降壓處理，得到繼電器線圈端需要的VDD電源，再經(jīng)過低電壓穩(wěn)壓集成模塊D1穩(wěn)壓在3.3 V，為微處理器和外圍電路提供電源，在輸出端并聯(lián)濾波電容和儲能電容，一方面為數(shù)據(jù)通信時提供充足的電流，另一方面實(shí)現(xiàn)在外部電源斷電后，保存最近一次斷電的記錄。

2.4 FLASH存儲器模塊

存儲單元中采用大容量串行SPI Flash存儲芯片MX25L6433FM2I-08G，克服以往采用EEPROM存儲的缺陷(包括容量小、價格高、寫入慢等)，可以存儲最近3個月的采集信息，根據(jù)需要把存儲的信息通過上行通信模塊傳送到主站系統(tǒng)，供相關(guān)人員查詢備案，使抄讀的數(shù)據(jù)及時備份。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

采用模塊化設(shè)計(jì)方案，將功能模塊單獨(dú)封裝，可讀性更強(qiáng)、穩(wěn)定性更高。包括下行采集模塊和控制模塊、存儲模塊、上行通信模塊等幾大部分，采用自主開發(fā)的改進(jìn)型實(shí)時操作系統(tǒng)，將編譯好的程序,通過SWD四線制接口下載到微處理器中。程序過程：首先初始化微處理器的相關(guān)寄存器，并對管腳進(jìn)行配置。隨后，系統(tǒng)與主站通過上行通訊模塊進(jìn)行連接，進(jìn)行系統(tǒng)校時，并接收主站下發(fā)的參數(shù)配置，如果連續(xù)連接3次都不成功，系統(tǒng)進(jìn)入下行抄表等待階段，對下行設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)抄讀，當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)置的時間，需要處理任務(wù)時，執(zhí)行繼電器動作，否則將抄讀數(shù)據(jù)保存到存儲器中，查詢定時任務(wù)標(biāo)志，是否到達(dá)上行發(fā)送時間間隔，當(dāng)?shù)竭_(dá)時，上傳發(fā)送數(shù)據(jù)到主站，完成一個抄表循環(huán)，期間如果抄讀時間間隔未到時，系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式。具體流程圖和實(shí)現(xiàn)的編程方法如圖4所示。

圖4 控制流程及編程方法

3.1 下行采集和控制模塊

下行采集和控制模塊主要負(fù)責(zé)控制器與路燈參數(shù)、環(huán)境參數(shù)之間的數(shù)據(jù)通信，通過串口總線的形式連接，首先進(jìn)行模塊初始化，然后以此抄讀路燈回路電壓電流數(shù)值、光強(qiáng)度傳感器數(shù)值、溫度傳感器數(shù)值、攝像頭模塊數(shù)值等信息，并將數(shù)據(jù)保存到外部FLASH存儲器中，并查詢是否滿足繼電器動作條件，當(dāng)發(fā)現(xiàn)滿足條件時，驅(qū)動繼電器動作，來控制路燈的亮滅。具體如圖5所示。

圖5 下行采集和控制流程

3.2 上行通信模塊

上行通信模塊采用半雙工設(shè)計(jì)，通過切換改變發(fā)送和接收模式。首先通過微處理器控制NB模塊上電，其進(jìn)入初始化階段，利用AT指令進(jìn)行模塊的一系列的判斷，來決定模塊是否進(jìn)行準(zhǔn)備就緒，包括查詢imei號、物聯(lián)網(wǎng)卡號、模塊信號強(qiáng)度等參數(shù)信息，根據(jù)BC28模塊要求進(jìn)行組幀，完成數(shù)據(jù)的上傳和下發(fā)。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，模塊進(jìn)入低功耗模式，為保證模塊徹底斷電，通過微處理器將模塊電源斷開，整個控制器模塊的功耗最低。

3.3 瀏覽服務(wù)器界面管理

瀏覽服務(wù)器界面，客戶端的電腦顯示管理系統(tǒng)，主要由設(shè)備管理、策略管理、地圖管理、區(qū)域管理四大部分組成，通過瀏覽服務(wù)器界面管理，實(shí)現(xiàn)了單臺路燈遠(yuǎn)程管理、組合路燈遠(yuǎn)程管理、并可以隨時抄讀當(dāng)前路燈的狀態(tài)信息，實(shí)時了解路燈現(xiàn)場的運(yùn)行狀態(tài)；其中設(shè)備管理用于添加新的路燈設(shè)備，需要設(shè)置好路燈IMEI號、路燈表號、路燈名稱等信息；策略管理用于進(jìn)行設(shè)置路燈亮滅組合設(shè)置方式，比如，單排燈亮設(shè)置、單號燈亮設(shè)置等；地圖管理用于查看路燈的具體位置，并將故障路燈信息進(jìn)行準(zhǔn)確定位，通過線上派單的方式，將故障路燈以手機(jī)短信的方式派發(fā)到離故障路燈最近的維修人員的手機(jī)上，并通過GIS(地理信息)系統(tǒng)，及時了解維修人員的維修路徑，同時是實(shí)現(xiàn)對維修人員的管理；區(qū)域管理用于進(jìn)行跨地區(qū)、跨省份之間管理，采用基于中國電信天翼云平臺的大數(shù)據(jù)分析方法，實(shí)現(xiàn)對單臺路燈的智能化動態(tài)監(jiān)控和故障分析功能，根據(jù)獲取的單臺路燈電壓和電流、路燈周圍的光照強(qiáng)度、溫度、人流量數(shù)據(jù)信息，以及告警信息等進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和處理，實(shí)時判斷路燈網(wǎng)絡(luò)的整體運(yùn)行狀態(tài)。

4 測試與結(jié)果分析

基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)路燈控制器模塊開發(fā)后，同時開發(fā)了用戶數(shù)據(jù)處理器和瀏覽服務(wù)器(即OA管理系統(tǒng))。路燈控制器設(shè)備在省內(nèi)常德市某路段進(jìn)行測試，已連續(xù)運(yùn)行超6個月。該路燈控制系統(tǒng)通過采集單盞路燈亮度、溫度、電壓、電流、功率等路燈狀態(tài)信息，將這些數(shù)據(jù)信息上傳到管理部門的后臺數(shù)據(jù)中心，并接收管理部門的相應(yīng)的命令信息回傳到路燈控制器模塊中，執(zhí)行相應(yīng)的路燈開合動作。

路燈控制系統(tǒng)總體運(yùn)行良好，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、可靠，大大提高管理部門的智能化水平。圖6為通過OA界面查看到現(xiàn)場單盞路燈的狀態(tài)信息。路燈IMEI號，為模組號碼，同時也為控制器模塊的編號；路燈編號為現(xiàn)場路燈順序號，路燈名稱為路燈所在道路的名稱，燈珠數(shù)量為每盞燈柱的燈數(shù)量，功率和電壓為實(shí)際采集的現(xiàn)場參數(shù)。狀態(tài)信息中的“處理中”為此盞路燈故障，“關(guān)”為此盞路燈處于關(guān)閉狀態(tài)，“開”為此盞路燈處于打開狀態(tài)，通過與現(xiàn)場人員100盞燈的跟蹤確認(rèn)，除一盞通過補(bǔ)抄響應(yīng)外，其他抄回的狀態(tài)信息與現(xiàn)場實(shí)際路燈狀態(tài)保持一致，響應(yīng)時間均在1 s以內(nèi)完成。自動開燈時間和自動關(guān)燈時間為默認(rèn)設(shè)置值，無值時表示此盞燈已經(jīng)調(diào)為手動狀態(tài)。手動開燈和關(guān)燈命令為強(qiáng)制開關(guān)燈命令，不受默認(rèn)設(shè)置影響，且必須手動恢復(fù)，主要目的為現(xiàn)場緊急需要時備用。恢復(fù)自動模式為從手動模式到自動模式進(jìn)行切換；設(shè)置按鈕用于重新設(shè)置自動開燈和關(guān)燈時間。

圖6 測試界面

5 結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果看出，采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，很好地實(shí)現(xiàn)了對路燈運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)控，并通過后臺瀏覽服務(wù)器管理系統(tǒng)進(jìn)行單盞路燈的亮滅控制，實(shí)現(xiàn)了通過web客戶端對路燈遠(yuǎn)程控制的目的。路燈控制系統(tǒng)總體運(yùn)行良好，數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確，為管理部門進(jìn)行后期的節(jié)電和優(yōu)化供電提供了有力的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時為路燈的精確維護(hù)創(chuàng)造了必要的條件。