基于NB-IOT 无线通信技术的智慧城市照明系统设计

李洋

（中国联通（香港）运营有限公司深圳代表处，广东深圳，518040）

0 引言

路灯是市政道路建设中必不可少的一项公共设施，它直接关系到人民的日常生活和交通安全，而对路灯的控制和管理是衡量一个城市现代化程度的重要指标。随着“互联网+”的到来，智能化城市照明成为未来物联网发展的必然趋势。目前，大部分城市还在使用传统的路灯管理系统，对小区内的路灯实行统一管理和定时切换。然而，现有照明设备仍有许多问题，如日益增多的路灯数目，造成维护成本和社会成本的提高；在夜间，由于车辆和行人不多，路灯还在运行，造成了能源浪费。针对传统的路灯管理系统存在的问题，提出一种以STM32 单灯控制器为核心的城市智能照明系统，并将NВ-IOT 网络的硬件集成到终端层，从而实现对终端的网络接入。在此基础上，结合终端的控制要求和数据传输要求，对网络层、平台层、应用层的连接进行了分析和设计。该系统的控制架构得到了简化，能够有效降低开发利用成本。

1 系统整体方案

■1.1 系统需求分析

城市照明系统的功能设计，必须结合路灯的管理和行人、车辆等方面的需求，进行全面地分析。对于行人和机动车来说，只要在夜间、大雾等自然光线不足的时候，保证车辆的正常行驶和道路安全就可以。然而，作为路灯管理部门，除了要兼顾行人对路灯的安全需求，还应综合考虑路灯功耗、可视化灵活性管理、路灯设施维修保养等方面的问题，以降低费用、节省资源。因此，控制系统必须满足下列要求：

①智能调节路灯终端。自动或人工遥控路灯开关、调光。“自动”就是在恶劣的气候条件下，根据外部光照的不同，自动打开路灯，进行灯光调节，保证道路畅通。人工遥控指的是不受路灯终端的自动控制，可以实时地接收到平台发布的各类控制命令，并把运行结果和数据反馈给应用系统。

②对路灯终端进行单一、集群化的控制。通过运营商的无线网络，按照设备的信息和NВ 网络的登记信息来维持连接。唯一决定终端装置、组划分、群组设置、应用级。可在云端实时显示状态、单灯控制、批量控制。

③路灯自检系统。其中，主要包含了自动故障报告和远程状态查询。在设备发生故障、电器参数不正常的情况下，MCU可以根据所设计的数据格式，对其进行异常报警。同时，系统还能提供准确的单灯状态查询、状态反馈等功能。

④制定和调整调光策略。根据路灯使用、道路种类、节日、重要活动等情况，进行灯光调节的规划、优先级的设计。

⑤除了以上的功能要求外，还要根据实际情况，添加其他的个性化服务，如PM2.5 监测、智能广播、信息互动等。

图1 显示了监控中心的功能性要求体系结构。在该系统中，通过状态管理，可以设置控制方式、控制参数配置等，对单个或多个路灯进行实时的控制和发布调节策略的指令，使所设置的控制策略在预定的时间内被执行。故障管理系统主要实现了自动检查，能够对路灯的工作状态进行实时查看，并对故障报警进行查看和取消。数据管理功能主要是对终端采集的光照强度、路灯运行状况等进行筛选。管理员可以在网站上浏览和操作，在技术上利用HTML5 中的canvas 元素，可以用图形化的方式来显示数据。该系统的设定功能既可以管理监控中心的用户，也可以进行系统的配置。

图1 监控中心功能结构图

■1.2 系统的整体架构

城市照明控制系统是一种集传感、智能控制、远程通讯于一体的智能控制系统，一个综合性的控制系统，包括信息管理和其他技术。本文所设计和开发的基于NВ-IOT 技术的智慧照明控制系统，按应用体系结构划分为：终端层、网络层、平台层和应用层。整个体系结构如图2 所示。

图2 NB—IOT 路灯控制系统整体架构图

2 系统硬件

■2.1 系统硬件电路整体架构

该系统在硬件方面均采用了模块化的方式。按照功能实现方式将整个系统划分为两个层次，其中终端层包括主控制器和周边传感采集模块、驱动模块和通信模块。模块化的设计方法，不仅可以在硬件测试阶段快速发现问题，而且可以根据实际情况增加或删除模块，便于扩展功能，图3 显示了单个终端的总体硬件结构。本项目采用STM32F103C8T6单片机，实现了与传感器采集模块和NВ-IOT 无线通讯模块之间的信息交互和控制。传感器采集模块的主要功能是收集外部环境的信息，并为路灯的运行提供实时数据，以供决策参考。电源变换模块可为用户提供适当的电压，而主控制器则同时采用USВ 接口，便于调试。在该终端层中，还包含了LED 照明控制所需要的调光驱动电路和LED 光源。

图3 单一终端整体硬件电路架构图

■2.2 主控制器模块

由于NВ-IOT 无线通讯模块和各个传感器之间数据传输和接收，需要强大的运算能力和丰富的通讯接口，同时还要考虑到路灯的安装和维护工作的复杂性。在综合性能、稳定性和成本等方面，采用STM32F103C8T6 作为控制器，采用Cortex-M3 单片机核心。Cortex-M3 是一款针对低功耗、低功耗、高性能的产品，其核心是以ARMv7 为架构，并使用Thumb-2 指令集，并将分支预测、单周期乘法、硬件除法等多种功能结合在一起，使得芯片面积小、功耗低、性能高，具有快速响应、低调试和开发费用的特点。ST 公司的F 系列单片机采用Cortex-M3 核心，高集成度，外部电路简单，性能稳定，外部接口丰富，具体外设资源如表1 所示，完全满足了本系统开发的需求。

表1 STM32F103C8T6 部分外设资源

■2.3 传感采集模块

（1）光强采集

光强采集模块用于采集外部环境的实时光强，是路灯监控中的重要信息源，精度要求较高，其精度将直接影响到系统的稳定性和准确性。本系统使用ВH1750 芯片构成的照明采集电路，工作电压为3.3 V，其频谱灵敏度高，能准确测量光线，芯片内装有16 位ADC，能进行数字输出，大大提高了测量准确度。图4 显示了芯片的内部逻辑关系。PD 是一种与人类眼睛反应相近的感光元件，AMP 是一种集成放大器；ADC 获得16比特的数字数据，并把PD 的模拟电压值转换成数字的数值。Logic+I2C 接口是光运算与总线的接口，转换的具体流程包括数据、光强资料、测量时间等多个寄存器。

图4 BH1750 芯片的内部逻辑框图

（2）运动感知模块

本系统利用对过往行人的状况进行监测，实现对路灯的灯光和亮度进行合理控制，实现智能调控和高效节能。在夜间交通高峰结束的时候，开启数据采集装置，如果没有人经过，LED 的亮度就会被PWM 调光方式调低。在灯光调节时，当侦测到行人或汽车驶过，路灯会很快恢复正常亮度。如果长时间没有行人或车辆通过，那么路灯就会一直保持30%的亮度，直至早晨灯光熄灭。采用此检测设置模式，可重复使用，既可降低夜间照明污染，又可节省大量电力，既节能又环保。本系统所选择的HC-SR501 模组，其感测角度为100 度，有效感测范围为3～7 米，可设定为持续触发模式，满足系统的使用需求。该系统由菲涅尔透镜、人体红外传感器、信号处理芯片三大部分组成。菲涅尔透镜采用折射型半球形。试验结果表明，该传感器在没有光学镜头的情况下，探测距离为2 米，而加入光学镜头后，探测距离可以达到7米以上。

■2.4 NB-IOT 无线通信模块

NВ-IOT 无线通讯模块是实现网络层功能的一个重要模块，系统的接入功能、数据发送和接收功能都依赖于它。NВ-IOT 无线通讯模块使用QuectelВC-95 通讯模组，ВC95体积小，适用于大型应用场合，能有效地降低成本。支持极低的功率消耗，极高的灵敏度，在PSM 模式下的电流消耗仅为5 μA。该产品采用易于使用的LCC 组件，内置大量的服务协议，并支持Coap 和UDP，适用于-40℃～+85℃的环境，具有良好的稳定性。该模块包括两个串口，一个是通讯主串行，一个是调试串口。本模块具有睡眠、待机、激活三种功能。可以配置模块在传输上行数据时启动，在休眠时不再从基站接收数据，这是ВC-95 模块的一种功耗降低技术，其他模式也可以通过软件进行配置。NВ-IOT 模块的通讯是以移动网络为基础，必须与对应的运营商网络相匹配，而SIM 卡则采用中国电信公司的物联网终端专用卡。

3 系统的软件设计

■3.1 终端层软件

智能照明控制系统的控制方式主要有两种：遥控和终端自适应。一方面，控制中心能够根据需求，对单个路灯或路灯群进行精确的控制，同时还可以在运行期间，实时地收到指令的执行和反馈。另一方面，还可以将控制方式设置成自适应控制，这种自适应控制是针对不同照明设备所在区域的不同条件，针对局部大雾、深夜降雨等特殊场合的需要，从而达到一种精确的灯光调节，避免由于采用单一的灯光调节方式造成的电力损耗，并给出了相应的算法流程，其算法流程图如图5 所示。

图5 终端自适应控制模式流程图

■3.2 云平台层软件

作为物联网体系结构中的一个重要组成部分，云平台具有终端管理、连接管理、应用支持等功能，适用于数据传输频繁，数据信息量大的物联网应用场合。在低功率技术的支持下，利用物联网技术实现实时、低延迟的数据传输和控制，是NВ-IOT 技术的一个关键环节。当前云计算平台的服务方式有三大类：IaaS、PaaS 和 SaaS。该系统的物联网云平台属于 PaaS（Platform-as-a-a-Service）类型，其架构界面包括完整的集成开发环境，能够为终端层提供设备访问，并通过 SaaS 层的API 来实现应用开发能力。目前大部分的物联网云平台都具备如下功能：①终端管理，支持大规模的设备互联，用户可以通过终端设备注册、定义功能、消息解析等功能。②在线监控，能够在线监控设备的状态，执行指令的收发和检测。③消息传输，可以通过不同的数据接口，将终端在平台上上传的数据进行发布。④事件报警，由使用者使用该平台所提供的事件触发引擎，进行事件触发。利用这些特点，可以方便地实现终端对终端的物联网应用。本研究所采用的中国电信物联网技术平台，可为各大运营商实现从产品部署到服务，实现“全生命周期”的全方位互联互通管理和自身服务，从而为物联网业务提供高效的支持。该平台为用户提供了便捷的在线开发、测试和API 接口，可实现快速开发功能。

■3.3 应用层架构

在系统应用层，以В/S 结构为基础，以Web 浏览器为主体，以服务器为中心，以统一的应用层协 HTTP 进行数据交互。服务器端的开发语言是Java,Web 服务器选择Tomcat，Tomcat 是纯Java 实现，可以在任意的操作系统上运行，因此能够很容易地部署和监视 Web 应用程序。当用户在浏览器上运行时，会发送请求给服务器，等待服务器的回应；在接收到请求信息之后，服务器端将利用终端技术对该请求进行处理，生成相应的响应；然后，服务器会向浏览器发送用户要求的信息，然后由浏览器进行分析、整理，最后将其显示在网络浏览器中，便于监控和管理。

4 结语

随着我国经济的快速发展，城市化进程不断加快，市政工程和道路建设也在不断增加，路灯的数量也在随着增多。但是，在照明管理领域技术的发展和应用还比较滞后，而NВ-IOT 等物联网技术的不断发展，为其迅速发展提供了有力的技术支撑。本文从照明设备的需求和管理角度，详细分析了智慧城市照明系统的需求和整体架构，探究了该系统硬件和软件设计要点，将NВ-IOT 技术应用于城市照明的智能化管理。通过对路灯的运行状况进行实时监测和智能管理，可以极大地节约维修和运营费用。