基于窄带物联网的智能路灯控制系统设计与实现

宋洪儒 王宜怀 杨凡

关键词： 窄带物联网; 智能路灯; 通信模块; 终端节点; 传感器; 软件设计

中图分类号： TN915.5?34; TP273                 文献标识码： A                  文章编号： 1004?373X（2019）02?0172?05

Design and implementation of intelligent street lamp control system based on NB?IoT

SONG Hongru1，2， WANG Yihuai1， YANG Fan1，3

（1. School of Computer Science and Technology， Soochow University， Suzhou 215006， China;

2. School of Electrical Engineering， Tongling College， Tongling 244000， China;

3. School of Mathematics and Computer Science， Tongling College， Tongling 244000， China）

Abstract： In allusion to the problems of large energy consumption， weak penetration capability and small coverage scope existing in the wide area Internet of Things used in current street lamp control systems， an intelligent control system based on the narrowband Internet of Things （NB?IoT） technology is designed. In the system taking KL36 as the master control chip， the sensor is used to collect the light intensity， traffic flow information and other parameters， and the information transmission mode using the NB?IoT technology is used to transmit data to the client， so as to intelligently control and manage street lamps. The test results show that the application of the NB?IoT technology in the intelligent street lamp control system has the advantages of strong penetration capability， low power consumption， and stable and reliable operation ， which has a strong practicability and promotion value.

Keywords： NB?IoT; intelligent street lamp; communication module; terminal node; sensor; software design

0  引  言

随着建设节约型社会和智慧城市的发展需求，先进的照明控制技术具有很大的发展空间。目前路灯控制系统以采用分散手控和时控方式为主，按照季节变化手动调整设置统一的时刻控制路灯开关。该系统不能根据当时气象条件或车流情况自动调整路灯开关，也无法实时反映路灯设施的工作状态，对运行情况不能集中监视、记录和统计，还存在能源浪费、通信信号差、维护困难等问题[1?2]。窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB?IoT）技术是新一代物联网通信技术，构建于蜂窝网络，与广域物联网相比，具有容量大、覆盖区域广、穿透能力强、生产成本低、功耗低的特点，应用到路灯控制系统有安全、可靠、节约成本等优点[3?6]。针对当前路灯控制系统存在的问题，本系统融合传感器技术、NB?IoT通信技术及嵌入式系统软硬件设计技术，提出基于NB?IoT技术的新型智能路灯控制方案。其中，采用的NB?IoT技术是由苏州大学嵌入式系统与物联网实验室和中国电信共同研发，无线控制模块是实验室自主研发的ZigBee模块和GPRS模块。系统设计按照软硬件分层设计思想，设计出终端节点层、服务器层和客户端层的三层工作结构，结合NB?IoT技术可以实现城市路灯照明的点?线?面的智能化节能控制方式。控制系统的功能主要有：

1） 通过传感器实现对光照强度、车流信息、路灯故障等数据的采集。

2） 将采集到的数据信息进行处理，选择路灯的工作模式，并利用NB?IoT无线通信技术将数据发送到服务器，在客户端上显示相关信息。

3） 根据客户端信息的显示情况，实现对路灯的远程控制和日常维护管理，达到节能的目的。

1  控制系统组成及工作原理

智能路灯控制系统按照工作层次结构，可以分为三层：客户端层、服务器层和终端节点层。智能路灯控制系统如图1所示。

终端节点层主要有单灯终端、ZigBee网络、协调器和GPRS网络组成，功能是控制和检测路灯的状态，接收并执行GPRS网络发送的各种控制命令。服务器层是负责监听服务器端口，将终端节点层发来的数据进行收集，并存储在数据库中，根据数值的改变来发出相应的控制命令，把相关信息发送到客户端层。客户端层主要以数据库SQL Server为基础，采用B/S模式的城市照明管理软件，提供实时路灯控制、状态显示、故障报警、数据统计、报表生成等功能，实现路灯智能管理工作。

控制系统基本工作原理是：在数据的远程传输中采用的是GPRS网络的NB?IoT无线通信技术，在底层信息采集与控制采用ZigBee网络。单灯终端内含有控制系统需要的各种传感器进行数据采集，经过主控芯片数据处理，通过ZigBee网络将采集到的各类数据发送到协调器，再由协调器传送数据到GPRS模块，GPRS模块利用NB?IoT技术将接收的数据通过无线网络发送到服务器层，最终经服务器传输到客户端层。同时也可以将客户端层发送的控制命令通过服务器层、GPRS网络和协调器传递给ZigBee网络，再由ZigBee网络发送到各个单灯终端，从而实现对路灯的智能控制。

2  终端节点设计方案

终端节点结构如图2所示，在路灯终端节点设计方案中，微控制器是终端主控芯片主要接收各个模块发送的信息，根据信息的情况判断模块的工作状态，并发出相应的控制命令。ZigBee模块负责传感器数据的采集和短距离无线数据传输。电源模块包含太阳能电池板和蓄电池两部分，主要向微控制器、GPRS模块和ZigBee模块提供工作电压。光敏检测模块主要负责采集外界的光照强度信号，微控制器根据接收到的光强信号控制路灯的亮度。同时，还能判断路灯是否处于正常工作状态，方便路灯的维护工作。红外线传感器模块用于感应路面行驶车辆的情况，在不好的天气或夜间时段，根据红外线传感器检测该路段车辆的行驶情况，来调节路灯的亮度。电压/电流检测模块用于检测主控芯片及其他模块的电路是否处于正常工作状态[7?8]。报警电路的作用是当其他的模块出现故障时，能及时地发出报警信号，向远端的客户服务层发出报警，便于路灯控制系统的管理和维护工作。

3  终端硬件设计

3.1  微控制器选型与设计

根据路灯控制系统的设计要求，考虑所用I/O引脚个数，要实现的功能要求以及开发成本等因素，微控制器选用恩智浦公司的MKL36Z64VLH4作为主控芯片，采用3.3 V工作电压。该芯片包括定时器、DMA、UART和ADC等模块，具有低功耗、高性能的特点，且能够满足设计所需功能[9]。I/O分配表如表1所示。

3.2  电源模块设计

电源模块电路如图3所示，在图中TPS709系列芯片是低压降线性稳压器，输入电压范围为2.7～30 V，输出电压范围为1.5～6.5 V，其中EN引脚为高电平时，芯片正常工作。其中，TPS70933芯片输出3.3 V电压，为ZigBee模块和KL36提供工作电压，TPS70939芯片输出3.9 V电压，为GPRS通信模块R518芯片提供工作电压。由于通信模块不需要实时进行工作，每隔一定时间发送一次信息，由MCU发送指令控制TPS70939芯片的EN引脚为高电平，R518通电正常工作，EN引脚为低电平，TPS70939芯片停止工作，能达到低功耗的目的，延迟蓄电池工作时间。DY1和DY2分别外接太阳能电池板和蓄电池，为电源提供6 V输入电压，D101二极管作用是当太阳能板电压低于蓄电池电压时，防止蓄电池反向向太阳能电池板送电而消耗电量，导致蓄电池电压降低和电池板发热。电容C101～C104在电路中起滤波和稳压作用[10]。

3.3  GPRS通信模块

GPRS模块选用的控制芯片是R518芯片，额定电压为3.9 V，具有高性能、低功耗的特点。GPRS通信模块电路由R518芯片、输入电压保护电路和射频电路组成，通信电路如图4所示。在原理图中，C201～C204组成输入电压保护电路，板载天线和P202组成无线射频电路，TXD，RXD引脚是连接KL36芯片引脚PTE1，PTE2用作通信串口1。其中，输入电压保护电路的主要作用是：由于通信芯片R518工作电压输入范围为3.4～4.2 V，电源提供的电压为3.9 V，在长期使用过程中输入电压会逐渐降低，为保证VBAT引脚电压不会跌落到3.4 V以下，在靠近模块VBAT输入端，并联一个C201=100 μF的钽电容，以及C202～C204为滤波电容，保障R518正常工作[11]。无线射频电路的作用是接收无线信号，为了能够更好地调节射频性能，板载天线是用来接收外部无线信号，P202是连接外部天线使用，如果通過板载天线接收的信号不能达到工作要求时，可以通过P202连接外部天线增强无线信号。

3.4  红外线传感器模块和光敏检测模块选型

红外传感器选用反射式红外光电传感器HOA?1550，它具有灵敏度高，感应范围大、抗干扰能力强以及超低电压工作模式。有车辆进入监控范围时传感器就会向KL36芯片发出高电平信号，车辆离开监控范围发送低电平信号，KL36芯片根据每个传感器发送来的信号，判断当前路段车流情况，控制路灯的强度。光敏传感器选用MG54，具有价格便宜、灵敏度高、工作温度范围广的特点。当光照环境发生改变时，会引起传感器的感应元件输出的信号产生变化，這种变化量被采集节点所采集，经过线性化、物理量回归等处理，实现模拟量到中间值的转化，再对数据进行筛选，得出当时光照强度值。

4  终端控制软件设计

程序设计采用嵌入式集成开发环境KDS?3.0软件作为终端开发平台，利用C语言进行程序的编写。终端控制软件设计主要有KL36芯片底层驱动和主程序，都是采用模块化的设计方法。

4.1  KL36底层驱动软件设计

在进行KL36芯片底层驱动软件设计时，根据管脚具体功能分为通用输入/输出（General Purpose Input Output，GPIO）模块，定时器模块和模/数转换器（Analog?to?Digital Converter，ADC）模块等[12?13]。KL36底层驱动软件设计的体系结构如图5所示。

Global_var模块的功能是记录Main函数和中断流程使用的全局变量，方便变量的修改和调用。Queue/Tag/ComData模块功能是存储数据结构和数据处理，其中Tag模块封装了和网络帧相关的数据结构和处理;Queue模块使用Tag为队列的元素，封装了队列的各种操作，如入队、出队、清空队列、遍历队列等操作，该队列数据结构的基础是数组;ComData模块封装了网络数据帧转发和处理等操作。Uecom模块通过调用GPIO模块和定时器模块来实现对数据的发送和接收功能。中断服务处理（Interrupt Service Routines，ISR）通过调用定时器模块实现中断函数功能。PWM模块功能是产生PWM信号控制路灯电压，调节路灯的亮度。A/D模块是将采集到的光照强度信号、红外线信号、电源电压信号进行转换，传送到微控制器中。

4.2  GPRS通信机制

GPRS通信方式应用的是NB?IOT技术，其采用IP地址+IMSI号的方法识别不同的终端设备，在每个终端设备中IMSI号是唯一的，在数据包中加入目的设备IP地址，以保证数据包能到达目的设备并进行响应。通信中一帧数据格式：数据总长为68 B，其中：帧头占2 B、IMSI号占15 B、传输数据占32 B、IP地址占15 B、验证码占2 B、帧尾占2 B。完成通信首先利用AT指令对模块进行波特率、IMSI号、IP地址等信息设置，信号的强度能否达到通信的要求，再根据NB?IOT技术通信的要求对数据组帧，由R518芯片完成发送和接收数据工作。为了保证数据模块通信成功，完成数据发送和接收任务，都设置了重复发送的次数，能够避免由于外界干扰引起的数据传输失败。

4.3  主程序设计

主程序设计过程如图6所示。在终端控制器通电后，首先在主程序中进行系统初始化，完成各个模块的初始化工作;调用A/D模块采集太阳电池板电压/电流、蓄电池电压;调用光敏传感器和红外线传感器采集模块采集光照强度和车流信号，根据设定的阈值判断路灯是进入正常工作模式，还是进入节能工作模式[14]。在进入节能工作模式过程中根据光照强度和车流信号设置的不同范围阈值，调节PWM信号控制路灯输入电压，调整灯的亮度，达到节能的效果。

5  客户端软件设计

客户端软件主要负责管理数据库和将控制指令放入数据库，通过数据库和程序进行数据传输。设计采用B/S架构的客户端形式，用户可以通过浏览器访问服务器数据资源，数据的计算、管理都在服务器端完成，易维护、易扩展。由于系统具有较复杂的图形图表显示、数据库处理和实时交互等，所以软件体系采用Microsoft Visual Studio 2013 + SQL Server 2005模式设计管理界面。智能路灯管理软件主要分为系统设置、控制模式、实时数据、路灯信息统计等部分。客户端软件总体框图如图7所示。

6  系统测试

控制系统测试界面如图8的自动控制界面和图9的故障管理界面所示。自动控制界面能实现对路灯的智能控制功能，根据天气状况自动调整路灯的开启或关闭时间。故障管理界面功能是提供发生各种故障分析报表，如通信模块故障、路灯故障及维修记录等。通过管理界面可以解决路灯的故障自动检查问题，节省人力、物力，提高工作效率。

测试结果表明：

1） 智能路灯控制系统能够满足城市路面照明的需求，在各种天气变化的状况下，采用NB?IoT技术具有抗干扰能力强、稳定的、可靠的连续工作状态;

2） 控制系统根据设定控制模式和监测的实时数据情况，能够自动实现路灯工作状态的改变，根据光照强度和车流信息的情况，实现路灯亮度的自动调节，达到节约电能的效果;

3） 通过客户端显示的实时数据能实现监控当前路段车流状况、路灯工作状态，提高对道路的管理工作效率。

7  结  论

本文系统通过采用NB?IoT无线通信技术实现了对路灯智能控制系统的设计，克服了广域物联网在路灯控制系统中存在的成本高、覆蓋范围小、功耗高等问题，实现了对路灯的智能化管理和操作，提高了路灯系统的节能效果，具有很好的应用价值和市场推广前景。

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