基金項目：

2021年廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“基于DALI及無線技術的智能照明控制系統(tǒng)的研究與應用”（編號：2021KY1125）；2021年廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“基于RFID自組網(wǎng)技術的固定資產(chǎn)管理系統(tǒng)設計與開發(fā)”（編號：2021KY1128）；2019年廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“基于物聯(lián)網(wǎng)微信掃碼智能交流充電樁的研究與應用”（編號：2019KY1346）

作者簡介：

韋家正（1985—），碩士，副教授，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術、電子應用技術。

摘要：針對目前智慧路燈市場存在的功能單一和高能耗等問題，文章研發(fā)了一種創(chuàng)新的云邊端協(xié)同的NB-IoT智慧路燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32微控制器為核心，利用NB-IoT通信模組使路燈與控制中心連接，實現(xiàn)遠程控制、數(shù)據(jù)采集和故障定位等功能。經(jīng)LED路燈測試驗證，該基于NB-IoT的慧路燈系統(tǒng)可實現(xiàn)節(jié)能、智能和集中管理，可為智慧城市建設提供新思路和實用價值，有望推動城市智能化發(fā)展。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智慧路燈；北斗定位；云邊端協(xié)同

中圖分類號：U495文獻標識碼：A 51 169 4

0 引言

智慧路燈系統(tǒng)在智慧城市建設中發(fā)揮著重要作用。結合物聯(lián)網(wǎng)技術，不僅提供照明功能，還實現(xiàn)遠程監(jiān)控和智能調(diào)控，提高能源利用效率，降低維護成本，改善居民生活質(zhì)量，也使智慧城市建設全面推進，提升管理效率。智慧路燈可自動調(diào)節(jié)亮度、監(jiān)測交通安全、報警故障、云端控制。未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術發(fā)展，智慧照明系統(tǒng)或能通過路燈引導車輛行駛。

本研究旨在研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術的智慧路燈系統(tǒng)設計與應用，實現(xiàn)路燈的智能管理和節(jié)能。通過深入分析物聯(lián)網(wǎng)技術，結合智慧城市需求，設計全面的智慧路燈系統(tǒng)。研究包括硬件架構、通信技術、智能算法等方面，旨在提供創(chuàng)新解決方案。實地試驗和數(shù)據(jù)分析將驗證系統(tǒng)可行性，探討其效果和優(yōu)勢。這將為智慧城市建設提供有益參考，促進智慧路燈系統(tǒng)的應用和發(fā)展。

1 智慧路燈總體系統(tǒng)組成

智慧路燈系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術，主要包括智慧路燈終端單元、NB-IoT基站、云端平臺以及物聯(lián)網(wǎng)智慧路燈管控系統(tǒng)。NB-IoT通信系統(tǒng)涵蓋感知層、網(wǎng)絡層和應用層。感知層包括安裝在路燈上的控制器和傳感器，網(wǎng)絡層則包括NB-IoT基站和云平臺，應用層則涵蓋移動設備和監(jiān)控中心。整體硬件架構如圖1所示。

2 智慧路燈的硬件設計

NB-IoT終端智慧路燈的組成包括功率采集模塊、光照傳感器模塊、溫濕度采集模塊、PWM（脈寬調(diào)制）驅(qū)動模塊、北斗定位模塊和毫米波雷達等模塊。整體硬件系統(tǒng)組成如圖2所示。

智慧路燈系統(tǒng)的整體結構如圖2中的方框所示。市電AC220 V經(jīng)過AC/DC電源模塊轉換為直流電，為各個模塊供電。電源模塊能提供直流±12 V、+5 V和+3.3 V三種不同的電壓［1］。毫米波雷達采用S3KM1110芯片。電量監(jiān)測用HLW8032芯片實現(xiàn)，數(shù)據(jù)通過串口傳輸至主控，用于故障診斷和電能監(jiān)測。定位采用ATK1218模塊，該模塊能實現(xiàn)GPS和北斗雙模定位。光線傳感器采用TEMT6000X01檢測環(huán)境的光照度，使用主控內(nèi)部12位ADC采樣輸出的模擬電壓并換算成對應的光照度。主控通過硬件輸出PWM控制LED的亮度，繼電器用作路燈的開關。NB-IoT通信模組采用塔石物聯(lián)網(wǎng)E33V-AT，用作基站和云平臺之間的數(shù)據(jù)通信。

2.1 主控電路的設計

主控電路采用意法半導體（STMicroelectronics）公司生產(chǎn)的STM32F103RCT6嵌入式微處理器作為核心［2］，下文簡稱STM32。該MCU采用ARM Cortex-M3核心，運行頻率高達72 MHz，片內(nèi)集成12位ADC模塊、PWM脈寬調(diào)制器、通用串行接口等外設資源；還包括128 KB的Flash存儲器和20 KB的SRAM，可滿足存儲程序代碼和數(shù)據(jù)的需求；支持多種外設接口，如多個通用定時器、串行通信接口（USART、SPI、I2C）、ADC等。由于其性能穩(wěn)定、外設豐富且靈活，被廣泛應用于工業(yè)控制、自動化、智能家居、消費類電子產(chǎn)品等領域。

2.2 RS485總線接口電路

STM32通過RS485總線接口電路實現(xiàn)對傳感器等子模塊的數(shù)據(jù)讀取，RS485總線接口電路主要由MAX3485芯片及外圍電路構成（如圖3所示）。MAX3485芯片的RX和TX引腳分別是接收和發(fā)送引腳；R2為RS485總線120 Ω匹配電阻。

2.3 功率采集模塊的設計

功率檢測是整個智慧路燈系統(tǒng)的重要組成部分，系統(tǒng)需要實時監(jiān)測功率并根據(jù)現(xiàn)場的光照和人車流量自動控制照明的亮度。功率采集模塊采用合力為科技生產(chǎn)的單相計量集成芯片HLW8032，其為一款集成了功率計算功能的電能表芯片，被廣泛應用于電能計量和功率監(jiān)測領域。該芯片具有高精度的單相測量能力，能夠精確測量功率因數(shù)、電流、電壓等參數(shù)，實現(xiàn)精準的功率計算和電能測量。HLW8032支持串行接口通信，便于與微控制器或其他設備進行數(shù)據(jù)交換和控制，實現(xiàn)遠程監(jiān)測和控制功能。同時，該芯片具有低功耗的特點，在非工作狀態(tài)下消耗較低的能量，提高能源利用效率。HLW8032功率采集模塊適用于智能電表、功率監(jiān)測設備、電能計量儀等電力系統(tǒng)中需要進行功率測量和計量的應用場合。具體應用電路如圖4所示。

電路中的R2是1 mΩ±0.1%的錳銅采樣電阻，錳銅采樣電阻具有溫度系數(shù)低、精度高、耐高溫、耐腐蝕、線性度好、穩(wěn)定性強和耐磨損等特點，適用于各種精密測量和控制系統(tǒng)中作為穩(wěn)定可靠的采樣電阻元件使用。

查閱官方提供的數(shù)據(jù)手冊可以得到計算電壓有效值的計算公式［3］：

有效電壓=電壓參數(shù)寄存器電壓寄存器×電壓系數(shù)

（1）

電壓系數(shù)是電壓通道的電阻分壓系數(shù)，以圖4為例，電壓采樣信號經(jīng)過R3和R5電阻進行分壓，則可以計算電壓系數(shù)：

電壓系數(shù)=2 M1 K×1 000=2 000 K1 000 K=2

（2）

電流有效值的計算：

有效電流=電流參數(shù)寄存器電流寄存器×電流系數(shù)

（3）

電流系數(shù)是電流通道的電阻系數(shù)，以圖4為例，采樣電阻R2為0.001 Ω，則電流系數(shù)為：

電流系數(shù)=1R×1 000=10.001×1 000=1

（4）

有功功率的計算：

有功功率=功率參數(shù)寄存器功率寄存器×電壓系數(shù)×電流系數(shù)

（5）

視在功率的計算：

視在功率=有效電壓×有效電流

（6）

功率因數(shù)的計算：

功率因數(shù)=有功功率視在功率

（7）

2.4 北斗定位模塊電路

定位模塊采用ATK1218實現(xiàn)，該模塊是正點原子推出的一款高性能GPS和北斗雙模定位模塊，采用S1216F8-BD模組，具有體積小、性能優(yōu)異等特點［4］；可通過串口進行參數(shù)配置，并保存至Flash中；模塊自帶可充電備用電池，可在模塊掉電后約30 min內(nèi)持續(xù)保存星歷數(shù)據(jù)，配合模塊的溫啟動或熱啟動，可實現(xiàn)快速定位［5］，適用于精密定位需求，采用低功耗技術，節(jié)能高效。被廣泛應用于車載定位、智能交通、物聯(lián)網(wǎng)等領域。模塊和主控之間通過串口進行數(shù)據(jù)通信，模塊的硬件電路如圖5所示。

ATK1218模塊與主控之間采用UART通信方式，數(shù)據(jù)讀取采用NMKA0183協(xié)議，控制協(xié)議為SkyTraq。用戶可使用SKyTraq提供的GNSS_Viewer軟件對該模塊進行串口波特率等參數(shù)配置。

2.5 毫米波雷達接口電路

為了節(jié)能環(huán)保，在人車流量少的時段，需適當調(diào)整照明亮度達到節(jié)能省電的作用。在智慧路燈系統(tǒng)設計中毫米波雷達可以對運動、站立和靜止人體進行探測、識別，結合雷達信號處理、準確人體感應和測距算法，可獨立配置區(qū)間感應靈敏度，提升抗干擾性能。毫米波雷達采用矽典微生產(chǎn)的S3KM1110芯片，該芯片是矽典微單發(fā)單收智能毫米波傳感器SoC，芯片采用CMOS全集成架構，專為AIoT應用場景定制開發(fā)，具有小尺寸、低功耗、簡單易用的特點。其工作在24 GHz的K波段，每個單頻掃描的調(diào)制帶寬高達1 GHz。利用FMCW調(diào)頻連續(xù)波，對設定空間內(nèi)的目標進行探測。結合雷達信號處理，實現(xiàn)高靈敏度的運動檢測和微動檢測。

2.6 環(huán)境檢測模塊的設計

溫濕度傳感器在智慧路燈系統(tǒng)中扮演關鍵角色。監(jiān)測環(huán)境溫濕度變化，由傳感器實時提供數(shù)據(jù)，幫助系統(tǒng)智能調(diào)節(jié)亮度、節(jié)能控制、保護設備。傳感器數(shù)據(jù)分析優(yōu)化路燈運行，提高能源利用效率，實現(xiàn)智能化控制，改善城市環(huán)境和用戶體驗，支持智慧城市建設和可持續(xù)發(fā)展。

該智慧路燈溫濕度傳感器選用廣州奧松電子有限公司生產(chǎn)的AHT20傳感器。AHT20采用SMD封裝標準，輸出TTL電平數(shù)字式溫濕度信號，具有精度高、響應快、功耗低、工作范圍廣（-40 ℃至+125 ℃）、超低漂移和優(yōu)異線性性能等特點。采用I2C通信接口，適用于智能家居、工業(yè)自動化、農(nóng)業(yè)監(jiān)測等領域。AHT20是一款性能優(yōu)越且易于使用的傳感器設備，其硬件接口電路如圖6所示。

AHT20傳感器的性能參數(shù)如表1和表2所示。

2.7 NB-IoT通信模塊硬件設計

該設計采用塔石物聯(lián)網(wǎng)的NB-IoT模塊。NB-IoT通信模塊是智慧路燈聯(lián)網(wǎng)設計的通信設備，具有低功耗、穩(wěn)定連接、低成本、數(shù)據(jù)安全、遠程管理和高可靠性等功能。其低功耗設計適用于長時間運行，強信號穿透性和覆蓋范圍廣，確保穩(wěn)定連接，硬件成本低且通信費用較低適合大規(guī)模應用，支持端到端加密通信保障數(shù)據(jù)安全，可實現(xiàn)遠程監(jiān)控和升級便于設備管理，高通信可靠性適用于對穩(wěn)定性要求高的智能城市和農(nóng)業(yè)等場景。

3 智慧路燈的軟件設計

智慧路燈主控程序流程如圖7所示：進行程序初始化，包括電量采集、讀取毫米波雷達、北斗定位、光強檢測、NB-IoT聯(lián)網(wǎng)等組件的初始化；進入主循環(huán)，通過定時巡檢各子模塊數(shù)據(jù)采集、人體和車輛運動檢測、北斗定位坐標獲取、光強檢測等任務，接收NB-IoT數(shù)據(jù)進行LED調(diào)光；將路燈控制器采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至云平臺，完成數(shù)據(jù)傳輸和遠程控制功能。

3.1 NB-IoT通信程序設計

智慧路燈中的NB-IoT通信程序設計主要包括初始化階段（見圖8）和發(fā)送數(shù)據(jù)（見圖9）兩部分。初始化階段完成NB-IoT模塊的初始化設置，包括連接網(wǎng)絡、配置參數(shù)等；主循環(huán)中通過定時器定時巡檢各傳感器數(shù)據(jù)，如光照、溫濕度等，同時監(jiān)測NB-IoT模塊是否接收到指令，若接收到指令則進行相應控制操作，如調(diào)光等。此外，程序還需處理傳感器數(shù)據(jù)和NB-IoT模塊的通信協(xié)議，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定和可靠性。最終，程序?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)通過NB-IoT模塊發(fā)送至云平臺，實現(xiàn)智能路燈的遠程監(jiān)控和管理。

3.2 AHT20傳感器數(shù)據(jù)的讀取

AHT20傳感器與MCU之間通信采用Ⅰ2C接口協(xié)議，本次數(shù)據(jù)讀取采用模擬Ⅰ2C的驅(qū)動方式，MCU和傳感器僅需要連接SCL和SDA兩根數(shù)據(jù)線即可，讀取數(shù)據(jù)遵循Ⅰ2C標準協(xié)議。

3.2.1 相對濕度轉換

相對濕度RH可以根據(jù)SDA輸出數(shù)據(jù)的相對濕度信號SRH通過式（8）計算獲得［6］：

RH［%］=（SRH220）×100%

（8）

3.2.2 溫度轉換

溫度T可通過將溫度輸出信號ST代入式（9）計算得到：

T［℃］=（ST220）×200-50

（9）

4 結果分析

本研究使用額定功率為120 W的LED路燈在廣西交通職業(yè)技術學院昆侖校區(qū)通往教學樓的主干道上進行測試，當路燈未檢測到行人或車輛經(jīng)過時，LED路燈功率設定為額定功率的20%，進入低功耗模式。路燈及控制器安裝在7.5 m高處，控制器上電后，可通過PC端云平臺或移動APP發(fā)送開關控制命令。在路燈開啟狀態(tài)下，毫米波雷達自動檢測周圍是否有行人或車輛，若無行人或車輛經(jīng)過，則40 s后路燈自動進入低功耗狀態(tài)。路燈出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)可將故障狀態(tài)發(fā)送至云平臺并發(fā)出報警提示，移動端顯示路燈狀態(tài)及位置信息。如圖10所示。

云端返回的數(shù)據(jù)和儀器設備數(shù)據(jù)基本一致，濕度參數(shù)比儀器測量誤差超過±3%RH，出現(xiàn)誤差的原因是現(xiàn)場測量的濕度受到風吹等環(huán)境影響所致，但數(shù)據(jù)在允許的誤差范圍內(nèi)。因測試時段路邊很少有人車經(jīng)過，智慧路燈自動進入降低PWM占空比的低功耗休眠模式，以達到節(jié)能省電的功能作用，若有人經(jīng)過將會自動重新觸發(fā)喚醒增加照明亮度。

5 結語

該智慧路燈系統(tǒng)集成了NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)、毫米波雷達、云平臺和智慧路燈管控系統(tǒng)等先進技術，實現(xiàn)了智能亮度調(diào)節(jié)，節(jié)省電能。同時，結合GPS和北斗定位系統(tǒng)，快速準確定位故障路燈位置，降低維護成本和時間。云邊端協(xié)同構建完善的智慧路燈控制系統(tǒng)［7］，技術成熟、成本低廉，具有廣闊的應用推廣前景。

參考文獻

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［4］李德政，王若鈞，唐 群，等. 基于STM32的智能化太陽能路燈裝置設計［J］.電子制作，2024，32（4）：63-66.

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［6］劉 錚，陳 拓. 高精度溫濕度傳感器SHT2x的應用［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2013，13（1）：19-21，25.

［7］韋家正. 線性光耦在充電樁信號采集隔離電路中的應用［J］.西部交通科技，2021（7）：174-177.