基于NB-IoT的智慧路灯设计

种宁宇 谭巧 林圣 周炜锜 黄梦婷

（闽江学院计算机与控制工程学院 福建省福州市 350108）

1 背景介绍

近年来，多地相继提出智慧城市概念，指出运用物联网技术服务智慧城市建设，在智慧城市的建设过程中，市政路灯作为必不可少的基础设施，必然也要趋于智能化，融入智慧城市建设的大趋势中。

路灯遍布城市的各个角落，无论是繁华的商务区主干道，还是偏僻的郊区小道，都需要路灯稳定的运行，保障城市的照明工作。2016年福州市市区市政道路总长度1467公里，所需路灯约为5万盏，路灯工作时间在8 到9 个小时左右，若以120W 的LED 灯计算市政道路路灯工作一晚至少需要4.8 万度电，而工作一年则至少需要1752 万度电,所消耗的能源是巨大的。经过多年的发展，城市路灯逐渐由传统的单一型电网供电路灯发展为多功能新能源供电的智慧路灯，有效的缓解了城市路灯巨大的能源消耗。

目前大多数新能源路灯大多采用PLC 模组、ZigBee 模组、SigFox 模组、LoRa 模组等不同模组控制[1]，虽然分别具有无需布线，支持自组网能力强，传输距离最长、平台方案完整，低功耗、传输距离远等优点，但也存在一些难以克服的问题[2]。例如：基于PLC模组的数据传输速率较无线方式慢，误报率偏高，受线路状况影响大；基于ZigBee 模组的稳定性一般，容易受外界环境因素影响；基于SigFox 模组的每日传输次数受限，成为全球运营商的风险极高；基于LoRa 模组的易受外界环境因素影响。以上种种问题表明，目前已有的新能源路灯不能实现路灯的智能化，需要寻求新的设计方案。

考虑到对于路灯的控制有严格的要求，既不能受到繁华都市复杂的电磁信号干扰，又不能在偏远的郊区失去控制信号，还要保证一定的经济实用性。因此，本文提出一种新型的基于NB-IoT 的智慧路灯，可以实现对单个路灯的实时状态检测和精确控制，并在远端可以对路灯进行检修和维护，极大的减少了工人的工作量，很大程度上提升城市路灯的管理效率，实现真正的路灯智能化。

2 智慧路灯总体架构

本文设计的智慧路灯将实现以下功能：

2.1 智能控制

（1）自动开关：根据环境光照，对路灯进行智能化的开关。

（2）故障报警：实时监测路灯运行状态并上传故障信息与位置信息。

（3）断电保护：检测到路灯有漏电的情况时，马上自动断电。

（4）能耗监测：实时检测路灯电压电流，记录能耗信息。

（5）终端控制：采用终端云平台进行控制。

图1：智慧路灯功能示意图

图3：智慧路灯通信模块示意图

2.2 太阳能供电：提高能源利用率

路灯的功能示意图及设计模型图如图1 所示。下文将详细智慧路灯的设计与实现。

3 智能控制的设计与实现

路灯智能控制的实现基于控制芯片和NB-IoT 通信模块。每一个智慧路灯都装有STM32L4 单片机，该单片机搭载了华为的LiteOS 操作系统，具有UART、IIC、SPI 等丰富的外设接口，可以与NB-IoT 终端直连。NB-IoT 全称为窄带物联网，构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz 的带宽，可直接部署于GSM 网络、UMTS 网络或LTE 网络。因其具有海量的链接能力，传输范围广且不易受到干扰等优点，故本系统采用其作为智慧路灯的通信模块。

智能控制的实现包括路灯硬件设计和控制软件界面设计，其中硬件设计包括控制单元的设计和通信模块的设计。其总体流程如图2 所示。

路灯控制器将数据上报给云平台，云平台又根据通信协议将数据推送并显示在Web 界面上，之后Web 界面再将数据存储并解析至应用服务器，而应用服务器将数据的显示、操作对应的反馈传输到Web 界面上，Web 界面通过通讯协议将指令发送给云平台再转给路灯控制器。

3.1 控制单元的设计与实现

主控芯片STM32L4 与众多的外设模块连接，包括光照度传感器、GPS 定位模块、电源检测模组等。

若光照强度，GPS 数据、电压电流和功率等参数异常时则满足故障条件，进行报警提示，方便人员检修。

自动光照调节功能的实现基于光照度传感器，采用RS485 光照度传感器，其具有功耗低、体积小、实时测量等特点。传感器所获得的光照度数据通过485 芯片传输到主控芯片，实现对环境光照的实时监测，再由云平台下发命令到控制模块进而实现路灯的自动调节。根据《城市道路路灯光强标准》，在照度小于等于30Lx 的情况下需要开启照明设备。故本系统设定为：光照强度＜=30Lx 时，路灯自动开启，光照强度＞30Lx 时，路灯自动关闭。除此之外，还可以设置成独立人工控制，灵活调节路灯的开关状态。

智慧路灯上安装有GPS 模组、电能检测模块。电能检测模块主要通过ADC 的方式读取太阳能板和电池的电压、电流和使用功率等参数，实时计算能耗信息，合理使用能源。当检测到路灯的工作电压电流不能满足规定照明亮度时，触发故障报警机制，路灯自动切断电源并发送故障信息和位置信息，方便维修人员及时修缮。为了保护路人安全，智慧路灯设置有漏电保护装置，采用电磁式漏电开关，检测到10mA 的微小电流立即断电，并上报故障信息。

3.2 基于NB-IoT的通信模块设计

智慧路灯系统的通信模块设计由多个路灯控制器、NB-IoT 基站、IoT 云平台和客户端4 个部分组成，实现在终端的远程批量控制，如图3 所示。

终端作为整个通信系统框架的起点，主要负责数据采集、处理、存储、NB-IoT 通信等功能；基站作为整个系统的基本单元，是连通通信网和终端的桥梁，终端必须在基站信号覆盖地区才能正常通信；核心网主要承担与非接入层的交互的功能，并将采集到的数据转发到IoT 平台；IoT 云平台提供专门的南向接口和北向接口，南向接口能够对上行通道和终端上报的数据进行统一的监控和统计，还可以通过下行通道对终端进行精确的控制，北向接口即向上的接口，可以方便应用对底层资源的调用；应用服务器对应的是IoT 平台北向接口接入的应用，这些应用服务器可以实现数据解析、存储、展示和下发等功能。

在NB-IoT 通信模块的测试中，云平台对路灯下发命令，测试结果表明传感器正常运行，通过AT+NMGS 指令成功上传数据到云平台实时显示，云平台的下发命令ON 接收成功，单灯精确点亮。

3.3 监测系统界面设计

智慧路灯中的NB-IoT 模块可以实现与华为OceanConnect 云平台的数据传输。OceanConnect 平台可以获取智慧路灯光亮传感器的信息并打印出来，同样操作员可以从OceanConnect 平台下发指令到智慧路灯。所有的数据操作可保留在后台7 天时间；而且，通过OceanConnect 后台管理可以查看已发送消息、已接收消息历史。

终端管理界面可以显示监控区域范围内设备的在线率、设备状态，以及在地图上显示路灯所在位置信息。

4 供电系统的设计

智慧路灯采用太阳能电池板进行供电，并根据路灯平均照明时间和城市道路照明的照度要求，进行参数计算，设计了储能模块。太阳能板的电能将储存在电池里面，供智慧路灯使用。

4.1 太阳能板选用

针对实际路灯照明需求设计，依据《城市道路照明设计标准 CJJ45-2015》进行参数计算，选用参数为12V/5W 的LED 路灯,路灯距离地面3.5m，可满足城市次干路15lx 的平均照度要求。

在此参数下进行测量，为达到路灯照明需求，日均亮灯10 小时，则一晚上需要用电0.05 度，福建省的平均日照时间约为3.5 小时，考虑到连续阴雨等情况，故选用20W 的太阳能电池板。再对比材料，选用光电转换效率更高，使用寿命较长的单晶硅材料，且考虑到安装问题，不宜选用过重的太阳能板，最终选用1.7KG 的18v/20w 的单晶硅太阳能电池板。

4.2 储能模块的选用

智慧路灯采用24000mAh 的电池作为储能模块，在户外环境无阴雨情况的光照条件下6 小时左右可以完成储能，可以满足智慧路灯正常状态下两天的工作负担。并且将储能模块放置于路灯的中底部，方便维护人员进行维护和更换，一旦遇到长时间的阴雨天气，也可采用人工充电的方式完成储能。

5 总结

本文所提出的智慧路灯打破了传统的城市路灯模式，利用新能源的同时还可以智慧管理城市照明，保护环境减少光污染等。该智慧路灯实现了智能开关、基站定位、故障报警、断电保护、能耗检测、终端云控制等智能化的操控，通过合理的管理降低了城市路灯对能源的消耗，极大的减少了路灯管理人员的工作量，符合现代化城市发展的要求。同时，该路灯还预留了众多的模块接口，方便市政工程直接在城市路灯上面家装其他功能，例如紧急报警、城市WiFi等功能。

本智慧路灯系统还存在可以改进的地方，例如，在实际应用过程的结构设计是否可以适应所有的路面街道场景要求，是否可以采用风力发电等新能源方式功能等问题，还可以持续深入的研究。