徐歌星 李慧瑩 岳秀明

摘要：通過分析城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，對比目前基于電力載波、ZigBee等技術的路燈監(jiān)控系統(tǒng)，設計了基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）技術的路燈監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)的主控芯片是STM32，實現(xiàn)了采集的數(shù)據(jù)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(jié)能、規(guī)范化管理路燈的目的。

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

1???? 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)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(tǒng)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)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(xiàn)開或關，但是季節(jié)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(tài)、控制開關時間。

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)有的路燈線路實現(xiàn)對路燈的控制，成本較低，但是信號的穩(wěn)定性低，可靠性較差;基于ZigBee的管理系統(tǒng)利用電磁波信號進行數(shù)字通信，需要部署大量的網(wǎng)關來實現(xiàn)對路燈的控制，系統(tǒng)的投入成本高。

本系統(tǒng)是基于NB-IoT技術的路燈監(jiān)控系統(tǒng)，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(xiàn)采集信息的上傳和管理平臺命令的下發(fā)，用戶可以在路燈管理平臺查看路燈信息，實時監(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間，對推進路燈的智能化程度具有重要意義。

2???? 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)需要實現(xiàn)對路燈終端的電壓、電流及環(huán)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(shù)據(jù)并對路燈的狀態(tài)進行管理。根據(jù)系統(tǒng)的功能可將系統(tǒng)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(xiàn)從路燈的信息采集到數(shù)據(jù)傳輸再到存儲、監(jiān)控和管理這一整個流程。

3???? 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)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(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)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(tǒng)中主要功能是接收各個模塊發(fā)送的信息，協(xié)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(jiān)測充電和放電兩種狀態(tài)，工作范圍內傳感器的精度為2%。系統(tǒng)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(jiān)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(huán)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(jù)采集的數(shù)據(jù)是否達到閾值控制繼電器開關的閉合情況，實現(xiàn)對路燈的開關狀態(tài)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(shù)據(jù)的精確度較高。

3.5? 無線通信模塊

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(yōu)勢，集成了高性能NB-IoT引擎和GNSS引擎。使用BC20模塊實現(xiàn)實時上傳路燈終端采集信息和下發(fā)路燈管理平臺的控制命令，實現(xiàn)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(tǒng)在路燈終端添加了定位模塊。系統(tǒng)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(tǒng)軟件設計

4.1? 信息采集程序設計

在系統(tǒng)啟動后，系統(tǒng)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(zhí)行后續(xù)的讀取采集數(shù)據(jù)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(fā)

BC20模塊的開發(fā)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(fā)送AT命令判斷是否聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)成功后使用“AT+CGATT？”和“AT+QICLOSE=0”查看注冊上網(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，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

NLECloud的開發(fā)是整個智慧路燈監(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之間連接的樞紐，也是路燈智能化程度的關鍵，要實現(xiàn)終端上傳數(shù)據(jù)的查看、存儲以及路燈管理平臺控制命令的下發(fā)。

4.4? 路燈管理平臺開發(fā)

系統(tǒng)的管理平臺開發(fā)的是一款小程序，使用微信開發(fā)者工具進行，頁面設計部分要設置顯示數(shù)據(jù)的參數(shù)以及相應的數(shù)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(shù)據(jù)，并在頁面進行數(shù)據(jù)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(tǒng)測試

搭建好硬件系統(tǒng)并為主板供電后，云平臺可見設備在線，在系統(tǒng)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(tǒng)終端傳感器采集的數(shù)據(jù)可以正常上傳，用戶可以通過小程序下發(fā)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(shù)據(jù)在正常范圍內，系統(tǒng)穩(wěn)定性較有保障。

6???? 結語

基于NB-IoT技術的智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時采集路燈終端信息，并通過NB-IoT無線通信模塊將數(shù)據(jù)上傳到NLECloud，便于用戶監(jiān)測路燈的狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)路燈故障，規(guī)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(lián)網(wǎng)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(tǒng)設計、物聯(lián)網(wǎng)技術，通訊作者。