孟志強(qiáng) 劉小可 周華安 童軒 鄭瑤

摘 ? 要：設(shè)計(jì)了一款高性能NB-IoT無(wú)線路燈控制器. 該路燈控制器使用M5311窄帶物聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信，使用嵌入式單片機(jī)STM8作為控制器，使用智能電量采集芯片HLW8112實(shí)時(shí)采集路燈的電壓、電流、功率、電能、功率因數(shù)等電氣參數(shù)，具有燈具故障診斷與報(bào)警、燈具遠(yuǎn)程或本地漸變與瞬時(shí)調(diào)光、燈具電源開(kāi)關(guān)控制等功能. 分析與設(shè)計(jì)了路燈控制器的M5311與CPU接口電路、D/A調(diào)光電路、電氣參數(shù)采集電路、主程序、定時(shí)器中斷服務(wù)子程序、聯(lián)網(wǎng)服務(wù)子程序、指令解析子程序、故障診斷子程序、路燈控制器與遠(yuǎn)程控制平臺(tái)的通信協(xié)議. 路燈控制器測(cè)試平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了NB-IoT無(wú)線路燈控制器的功能與性能，滿足現(xiàn)代城市路燈智能控制的要求.

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);控制系統(tǒng);無(wú)線網(wǎng)絡(luò);路燈控制器;調(diào)光

中圖分類號(hào)：TM923 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on Wireless Street Lamp Controller Based on NB-IoT

MENG Zhiqiang1，LIU Xiaoke1?，ZHOU Huaan2，TONG Xuan1，ZHENG Yao1

（1. College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China;

2. College of Mechanical and Vehicle Engineering，Hunan University，Changsha ?410082，China）

Abstract：A high-performance Narrow Band Internet of Things （NB-IoT） wireless street lamp controller is designed in this article. The wireless communication module of this street lamp controller is achieved by using the NB-IoT transmission module M5311， and the embedded single-chip STM8 is taken as the controller. Electrical parameters such as voltage， current， power， electrical energy， and power factor of street lamps can be measured in real time by the intelligent electrical energy collection chip HLW8112 in the designed street lamp controller， which has the functions of lamp fault diagnosis and alarm， remote or local gradation and instant dimming of lamps， power switch control and so on. The interface circuit between M5311 and CPU， D/A dimming circuit and electrical parameters acquisition circuit of wireless street lamp controller， the main program， timer interrupt service subroutine， networking service subroutine， instruction analysis subroutine， fault diagnosis subroutine of the control program and communication protocol between street lamp controller and remote control platform are analyzed and designed. The experimental results of the street lamp controller test platform verify the functions and performance of the NB-IoT wireless street lamp controller， which can meet the requirements of modern urban street lamp intelligent control.

Key words：internet of things;control systems;wireless networks;street lamp controller;dimming

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，城市道路的數(shù)量及規(guī)模日益擴(kuò)大，城市道路照明的能源消耗日益增多[1]. 為減少路燈照明的能源消耗，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市道路照明智能控制系統(tǒng)已成為一種必然，在城市道路照明建設(shè)中起著重要的作用. 在物聯(lián)網(wǎng)城市路燈智能照明控制系統(tǒng)中，單燈控制器是控制并監(jiān)測(cè)照明燈具的關(guān)鍵設(shè)備，主要的無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)通信方式有Zigbee、WIFI、LoRa和NB-IoT.

文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了基于Zigbee和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的照明控制系統(tǒng)，提升了Zigbee通信的穩(wěn)定性，但Zigbee傳輸距離不遠(yuǎn)，易受道路障礙物的影響，且一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可控制的路燈數(shù)量較少. 文獻(xiàn)[3]搭建了基于WIFI的路燈控制系統(tǒng)，其節(jié)點(diǎn)之間的最大通信距離為19 m，不適用于城市主要道路的照明應(yīng)用. 文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一個(gè)基于LoRa的三級(jí)樹(shù)結(jié)構(gòu)智能路燈控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了燈具有效調(diào)光和故障診斷，但需要自建基站，否則，像Zigbee網(wǎng)絡(luò)一樣易受道路障礙物的影響. 文獻(xiàn)[5] 設(shè)計(jì)了LoRa無(wú)線照明設(shè)備測(cè)試系統(tǒng)，為L(zhǎng)oRa無(wú)線路燈控制系統(tǒng)的建設(shè)提供了可靠的技術(shù)支持.

窄帶物聯(lián)網(wǎng) （Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）已經(jīng)由營(yíng)運(yùn)商建成了完全覆蓋城市的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，具有組網(wǎng)方便、傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，用戶不再需要建設(shè)基站或者網(wǎng)關(guān)等設(shè)施[6]. 因此，基于NB-IoT的城市路燈無(wú)線控制系統(tǒng)越來(lái)越受到業(yè)界和用戶的青睞，也形成了許多研究成果和實(shí)用技術(shù). 文獻(xiàn)[7]應(yīng)用NB-IoT通信實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器間的數(shù)據(jù)交互;文獻(xiàn)[8]通過(guò)NB-IoT技術(shù)實(shí)現(xiàn)路燈控制器與遠(yuǎn)程平臺(tái)的通信;文獻(xiàn)[9-10]設(shè)計(jì)的NB-IoT路燈控制器采用自動(dòng)瞬時(shí)調(diào)光實(shí)現(xiàn)節(jié)能. 但是，很少有文獻(xiàn)研究路燈控制器的設(shè)計(jì)技術(shù).

本文研究與設(shè)計(jì)的NB-IoT路燈控制器可實(shí)現(xiàn)LED燈具電氣參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、燈具故障診斷和定位、燈具遠(yuǎn)程漸變調(diào)光與瞬時(shí)調(diào)光、燈具本地自動(dòng)漸變調(diào)光與瞬時(shí)調(diào)光、燈具電源開(kāi)關(guān)的遠(yuǎn)程控制和本地控制等功能，給出了路燈控制器主要硬件、控制程序和通信協(xié)議設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了NB-IoT路燈控制器的有效性.

1 ? NB-IoT路燈控制器電路

NB-IoT路燈控制器在城市路燈控制系統(tǒng)中，通過(guò)NB-IoT通信接收監(jiān)控平臺(tái)控制命令，實(shí)現(xiàn)燈具用電信息采集、故障診斷、遠(yuǎn)程0～10 V或者PWM調(diào)光和電源開(kāi)關(guān)控制，實(shí)時(shí)向監(jiān)控平臺(tái)返回?zé)艟叩碾姎鈪?shù)、故障和運(yùn)行狀態(tài)等信息，實(shí)現(xiàn)城市路燈智能監(jiān)控與管理.

NB-IoT路燈控制器電路構(gòu)成如圖1所示.

路燈控制器CPU（Central Processing Unit）采用STM8s003f3p6單片機(jī)，NB-IoT無(wú)線通信模塊選用尺寸小、功耗低、性能優(yōu)、成本低的M5311雙頻模組，配置SIM識(shí)別卡;復(fù)位、開(kāi)機(jī)和串口電平轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成STM8與M5311之間的接口電路，實(shí)現(xiàn)M5311的可靠復(fù)位、開(kāi)機(jī)和串行通信;D/A調(diào)光模塊將CPU提供的0～100%占空比可調(diào)的PWM調(diào)光信號(hào)轉(zhuǎn)化為0～10 V的調(diào)光信號(hào);繼電器模塊實(shí)現(xiàn)路燈電源的接通或關(guān)斷;電量采集模塊采用HLW8112電氣參數(shù)采集芯片，實(shí)時(shí)采集路燈電流、電壓、功率、電能以及功率因數(shù)，并通過(guò)SPI通信傳輸至CPU處理，實(shí)現(xiàn)路燈故障診斷.

1.1 ? M5311與CPU接口電路

M5311與STM8的接口電路如圖2所示.

復(fù)位和開(kāi)機(jī)電路是由STM8提供脈沖控制信號(hào)的兩個(gè)三極管反相開(kāi)關(guān)電路.

串口通信電路由兩個(gè)射級(jí)控制三極管開(kāi)關(guān)電路組成，實(shí)現(xiàn)STM8與M5311之間的3.3～1.8 V電平轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸. 例如，STM8按照通信規(guī)程及其波特率向M5311發(fā)送數(shù)據(jù)1時(shí)，其UART_TX引腳輸出高電平1，QM1截止，使得M5311的RXD引腳被上拉為1.8 V的高電平1;STM8發(fā)送數(shù)據(jù)0時(shí)，UART_TX引腳輸出電平0，QM1導(dǎo)通，使得M5311的RXD引腳被下拉為低電平0.

1.2 ? D/A調(diào)光電路

LED燈具電源一般使用0～10 V的調(diào)光控制信號(hào)調(diào)節(jié)照明亮度，而路燈控制器通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接收的調(diào)光信息是百分比數(shù)據(jù)，因此，需要用轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)光量到模擬調(diào)光控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換. D/A調(diào)光電路如圖3所示.

PWM是STM8將百分比調(diào)光數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成的1 kHz、變占空比d、幅值3.3 V方波信號(hào)，三極管QD1和電壓基準(zhǔn)TLD1將PWM的幅值轉(zhuǎn)化為2.5 V，RD4、CD1低通濾波電路將PWM信號(hào)轉(zhuǎn)換為0 ～ 2.5 V的直流電壓，經(jīng)4倍運(yùn)算放大器放大為0 ～ 10 V的調(diào)光信號(hào).

1.3 ? 電氣參數(shù)采集電路

電氣參數(shù)采集電路如圖4所示，由電流、電壓采集通道和HLW8112電氣參數(shù)采集芯片構(gòu)成. 電流采樣使用變比n1為1 000 ∶ 1的電流互感器TQ1，RQ8為電流采樣電阻;電壓采樣使用電阻網(wǎng)絡(luò)和變比n2為1的電流型互感器TQ2 .

定義HLW8112芯片的電流、電壓、有功功率有效值寄存器值分別為Ia、Ua、Pa，對(duì)應(yīng)的有效值系數(shù)寄存器值分別為Iε、Uε、Pε . 由《HLW8112 用戶手冊(cè)REV 1.19》可知，電流、電壓的轉(zhuǎn)換系數(shù)K1、K2分別為：

K1 = ? ? ? ?（1）

K2 = ? ? ? ?（2）

路燈電流Iin（單位：A）、電壓Uin（單位：V）、有功功率Pin（單位：W）分別為：

Iin = ? ? ? ?（3）

Uin = ? ? ? ?（4）

Pin = ? ? ? ? ?（5）

2 ? NB-IoT路燈控制器程序

NB無(wú)線路燈控制器的程序有主程序、定時(shí)器中斷服務(wù)子程序、串口接收中斷服務(wù)子程序三部分. 主程序完成控制器的初始化、遠(yuǎn)程N(yùn)B指令解析;定時(shí)器中斷服務(wù)子程序完成燈具調(diào)光、開(kāi)關(guān)燈控制和本地時(shí)間處理;串口接收中斷服務(wù)子程序完成STM8對(duì)M5311模塊數(shù)據(jù)的讀取，并置串口接收指令標(biāo)志位為1.

2.1 ? 主程序

NB路燈控制器主程序流程圖如圖5所示. NB路燈控制器上電后，初始化串口、定時(shí)器、看門狗、M5311，使能串口接收中斷;調(diào)用聯(lián)網(wǎng)子程序進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)操作，使能與NB-IoT基站的連接，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程控制平臺(tái)的通信;在看門狗循環(huán)喂狗操作中，查詢串口接收指令標(biāo)志位狀態(tài)，若已接收到M5311的通信數(shù)據(jù)，則調(diào)用指令解析子程序并執(zhí)行指令功能;根據(jù)指令功能要求向遠(yuǎn)程控制平臺(tái)返回相應(yīng)信息，清空串口緩存數(shù)組. 因此，聯(lián)網(wǎng)服務(wù)子程序、指令解析子程序是主程序的重要組成部分.

2.1.1 ? 聯(lián)網(wǎng)服務(wù)子程序

聯(lián)網(wǎng)服務(wù)子程序的功能是實(shí)現(xiàn)路燈控制器與圖1所示城市路燈無(wú)線控制系統(tǒng)中遠(yuǎn)程控制平臺(tái)之間的連接，流程圖如圖6所示. STM8程序控制M5311模塊開(kāi)機(jī)，通過(guò)串口讀取并識(shí)別SIM卡卡號(hào)，通過(guò)配置M5311的頻帶使其快速鏈接到NB-IoT網(wǎng)絡(luò);讀取NB-IoT基站的實(shí)時(shí)時(shí)間校準(zhǔn)路燈控制器的本地時(shí)間變量;創(chuàng)建相應(yīng)的TCP Socket，實(shí)現(xiàn)與路燈遠(yuǎn)程控制平臺(tái)的連接，并將SIM卡號(hào)發(fā)送給遠(yuǎn)程控制平臺(tái).

2.1.2 ? 指令解析子程序

指令解析子程序分析并執(zhí)行遠(yuǎn)程控制平臺(tái)指令，流程圖如圖7所示.

在完成接收數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)和ID號(hào)核對(duì)后，解析功能碼并執(zhí)行相應(yīng)功能，如配置平臺(tái)IP和端口、故障閾值、開(kāi)關(guān)燈時(shí)間、調(diào)光時(shí)間及調(diào)光值等.

若指令為故障及電氣參數(shù)采集指令，則運(yùn)行故障及信息處理子程序，如圖8所示. 對(duì)比實(shí)時(shí)電流與電流閾值判斷故障狀態(tài). 讀取HLW8112的電流寄存器值，代入式（3）計(jì)算實(shí)時(shí)電流Iin，與電流故障閾值IO比較. 若Iin < IO，則燈具發(fā)生故障.

2.2 ? 定時(shí)器中斷服務(wù)子程序

定時(shí)器設(shè)置為1 ms定時(shí)中斷模式，中斷服務(wù)子程序流程圖如圖9所示.

路燈開(kāi)燈與關(guān)燈是定時(shí)進(jìn)行的，且季節(jié)不同、天氣狀態(tài)均影響開(kāi)關(guān)燈時(shí)間，車流量和人流量在夜間不同時(shí)間段的變化很大，所需要的照明亮度不同，也需要按時(shí)間進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，故需要建立路燈控制器的本地時(shí)鐘. 因此，路燈調(diào)光、開(kāi)關(guān)燈控制和本地時(shí)鐘均在定時(shí)器中斷服務(wù)子程序中完成.

在1 ms的定時(shí)器中斷服務(wù)子程序中，首先通過(guò)時(shí)鐘處理子程序段建立控制器本地時(shí)鐘，并在每天凌晨與NB基站進(jìn)行對(duì)時(shí). 本地時(shí)鐘變量包括s（秒）、min（分鐘）、h（小時(shí)）. 然后，將本地時(shí)鐘變量分別與調(diào)光配置的10個(gè)時(shí)間參數(shù)比較，對(duì)應(yīng)完成調(diào)光和開(kāi)關(guān)燈控制.

路燈調(diào)光采用8個(gè)可配置的分時(shí)段調(diào)光策略，因此，調(diào)光和開(kāi)關(guān)燈控制有10個(gè)時(shí)間點(diǎn)需要檢測(cè)判斷. 路燈控制器按照遠(yuǎn)程控制平臺(tái)發(fā)送的調(diào)光配置參數(shù)：分時(shí)段調(diào)光百分比和調(diào)光時(shí)間和開(kāi)關(guān)燈時(shí)刻進(jìn)行調(diào)光和開(kāi)關(guān)燈控制.

遠(yuǎn)程控制平臺(tái)下發(fā)至路燈控制器和路燈控制器回復(fù)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)的數(shù)據(jù)格式均由功能碼、ID號(hào)、數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)組成，下發(fā)和回復(fù)指令中的數(shù)據(jù)及CRC校驗(yàn)部分不同，不同的功能具有不同的功能碼和不同長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)信息. 由圖8可知，NB-IoT路燈控制器共設(shè)計(jì)了8條不同的功能，每個(gè)功能對(duì)應(yīng)一個(gè)通信協(xié)議. 每個(gè)NB-IoT路燈控制器的SIM卡具有唯一的卡號(hào)，可作為路燈控制器的ID識(shí)別號(hào)，長(zhǎng)度固定為15位.

例如：故障及電氣參數(shù)采集功能協(xié)議如表2所示，其功能碼為0×33. 當(dāng)接收到該功能碼，控制器比較電氣參數(shù)采集芯片采集的實(shí)時(shí)電流與設(shè)置的電流故障閾值，判斷燈具是否發(fā)生故障，若發(fā)生故障，則同時(shí)將故障信息和采集到的所有電氣參數(shù)回復(fù)給遠(yuǎn)程控制平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)燈具的故障定位檢測(cè).

4 ? 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文搭建的NB-IoT路燈控制器樣機(jī)測(cè)試平臺(tái)如圖10所示.

路燈控制器上電后，自動(dòng)打開(kāi)LED燈，將調(diào)光值設(shè)置為100%;由遠(yuǎn)程控制平臺(tái)依次發(fā)送50%、30%、關(guān)燈的瞬時(shí)調(diào)光值指令，使用泰克示波器實(shí)錄圖4中控制器的輸出調(diào)光信號(hào)如圖11所示，遠(yuǎn)程控制平臺(tái)讀取的控制器對(duì)應(yīng)交流輸入電流、功率曲線如圖12所示.

路燈控制器未上電時(shí)，控制器輸出的調(diào)光控制信號(hào)為0 V，電氣參數(shù)采集芯片HLW8112不工作;路燈控制器上電后自動(dòng)打開(kāi)LED燈具滿功率運(yùn)行，然后遠(yuǎn)程控制平臺(tái)依次發(fā)送50%、30%調(diào)光指令和關(guān)燈指令. 由圖12可知，燈具控制器的輸出調(diào)光信號(hào)依次輸出10.5 V、4.7 V、2.5 V、299 mV的調(diào)光控制信號(hào)，遠(yuǎn)程控制平臺(tái)采集到路燈控制器的負(fù)載電流依次為0.27 A、0.15 A、0.10 A、0 A，功率為63 W、33 W、18 W、0 W.

5 ? 結(jié) ? 論

基于各種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能路燈控制系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代城市道路照明的主流裝備，其中，采用NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)越來(lái)越顯生命力. 本文采用M5311無(wú)線傳輸模塊、嵌入式單片機(jī)STM8、智能電量采集芯片HLW8112設(shè)計(jì)的NB-IoT路燈控制器，為NB-IoT智能路燈控制系統(tǒng)提供了路燈控制與管理的有效裝備. 采集的燈具電流、電壓、功率和功率因數(shù)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)有利于城市路燈智能控制平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析;設(shè)計(jì)的平滑與瞬時(shí)調(diào)光功能可適應(yīng)不同場(chǎng)景的調(diào)光需求，提高了路燈控制器的靈活性;在控制器與平臺(tái)斷網(wǎng)條件下，可基于自身時(shí)鐘執(zhí)行本地開(kāi)關(guān)控制與調(diào)光策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具的穩(wěn)定控制. 測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了NB- IoT無(wú)線路燈控制器在上電、調(diào)光值和關(guān)燈等工作狀態(tài)下，均能可靠實(shí)現(xiàn)各種控制功能，輸出的調(diào)光電壓值精度滿足燈具控制要求，通信可靠穩(wěn)定，具有良好的應(yīng)用價(jià)值.

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收稿日期：2020-11-03

基金項(xiàng)目：湖南省交通運(yùn)輸廳2019年度科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（201922），Hunan Transportation Department 2019 Science and Technology Program Funded Projects（201922）

作者簡(jiǎn)介：孟志強(qiáng)（1964—），男，湖南益陽(yáng)人，湖南大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師

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