基于NB-IoT技术的智能LED灯杆监控系统的研制

金妍，茅敏敏，徐丘雨，欧阳玉玲，居家奇

1.上海应用技术大学理学院，上海201418

2.中国科学院上海微系统与信息技术研究所无线传感网与通信重点实验室，上海200050

3.中国科学院上海高等研究院信息通信测试实验室，上海201210

照明灯杆在城市建设中的分布最为广泛，传统的道路照明监控系统存在诸多弊端：1）能源浪费，传统的路灯监控系统无法依据车流量、天气变化实时调节路灯亮度，从而会导致电力资源的浪费；2）定位不准确，不能准确定位故障路灯的位置并上报信息，维修不便；3）状态监测困难，当前照明灯杆普遍采用PC机来监测路灯的状态参数，效率低且不能实时、准确、全面地监控路灯运行状况，同时较难实现对以往数据的查询功能[1-2]；4）自动化程度低，传统的路灯控制方式均为手动控制、时序控制、光敏控制[3]，虽满足基础照明需求，但不符合智慧城市建设的要求。

目前主流的路灯控制系统通信方式包括电子载波通信（power linecarrier,PLC）[4]、ZigBee通信[5]、LoRa通信[6]等。PLC通信为有线通信，安装和维护成本较高、易受电线老化等因素干扰、信号稳定性差，不适合大规模应用[7]；ZigBee通信技术为无线通信技术，具有高性能、低成本的特点，但其传输时需自行组网、传输距离短、穿透能力差、功耗相对较高，不适用于户外通信系统[8]；LoRa通信技术覆盖范围广、传输距离远，但无线稳定性差、延迟高、容易受无线电波干扰、可靠性不高[9]。近年来，窄带物联网（narrow band internet of things,NB-IoT）技术因其强链接、全覆盖、低功耗、低成本的四大优势[10]，在低功耗广域网络（low power wide area,LPWA）技术中迅速发展，其应用领域越来越广泛，如消费设备开发[11]、农业技术研究[12]、环境监测[13]、公用事业[14]、工业互联网[15]等。其中，基于物联网技术的智能灯杆的建设得到了广泛关注。研究表明，相较于普通路灯，LED路灯的功耗可以减少50%，单灯控制的额外功耗可以减少10%[16]。

针对上述问题，本文研制了一种抗干扰能力更强、功耗更低、可靠性更高的基于NB-IoT技术的智能LED灯杆监控系统。该系统可以实现系统内每一盏路灯的单独监控，并及时发现、定位到故障路灯的位置信息，节约运营成本、提高经济效益，同时实现了用户移动端APP的开发，使管理更加便捷、智能。

1 系统总体设计

基于NB-IoT技术的智能LED灯杆监控系统总体架构如图1所示，包括感知层、网络层和应用层。

图1 智能LED灯杆监控系统架构图Figure 1 Architecture diagram of intelligent LED light pole monitoring system

感知层由安装在路灯灯杆上的多种传感器模块和NB-IoT无线通信终端构成，可实现路灯开关的控制、路灯灯杆设备参数的采集和路灯状态的监控。

网络层包括传输层和平台层[17]，传输层采用NB-IoT广域通信技术连接多种传感设备与互联网，可实现人、机、物的互联互通[18]。通过NB-IoT通信终端将传感器采集的数据上传到NB-IoT基站，授权无线频谱资源及电信级端到端的安全技术，以保障数据安全和接入安全[19]。平台层使用OneNET云平台，拥有丰富的协议适配能力、统一的规约和接口，支持海量多样化终端设备的接入，可实现不同类型的终端设备及不同应用平台的统一接入和管理，确保互联互通[20]。

应用层即为客户端，可以通过移动端APP和PC端监测界面实时监控路灯状况。

本系统运用NB-IoT技术实现路灯终端和监控中心的连接，通过NB-IoT通信模块对系统内每一盏路灯进行信号的接收及转换，并将数据传送至云服务器。这一过程不仅能实现对温度、湿度、照度的实时监控，也能探测路灯的情况；同时，采用定时器唤醒使系统不工作时休眠，从而实现节能的目的。

2 路灯监控终端设计

2.1 终端硬件设计

终端设备选用低功率的STM32L151 RCT6微控制器，片上集成多种通信接口、串行外围设备接口（serial peripheral interface,SPI）、通用同步/异步串行接收/发送器（universal synchronous asynchronous receiver transmitter,USART）接口等，便于与无线传输驱动器连接[21]。单片机的实时时钟（real-time clock,RTC）功能可以实现定时唤醒使单片机不工作时休眠，此时时钟频率最低，电流一般小于1µA[22]。

终端监控模块由DHT11温湿度传感器、BH1750光照传感器、故障检测模块、主控制芯片STM32L151、NB-IoT通信模组和电源模块组成，硬件设计如图2所示。考虑对电源安全性、可靠性、稳定性的要求，选择USB模式给系统供电。

图2 智能LED灯杆监控系统终端硬件设计图Figure 2 Terminal hardware design diagram of intelligent LED light pole monitoring system

2.2 NB模块的选择与设计

主要通信模块选用集定位功能和NB通信功能于一体的BC20，内置低功耗、高性能的UFirebird卫星定位芯片，可以支持GPS（global position system）、北斗等多种卫星定位系统的算法，在恶劣的环境下仍能快速、准确地定位路灯位置，同时内置低噪声放大器（low noise amplif ier,LNA），可提高数据接收和上发的灵敏度，抗干扰能力更强。

对NB模块进行设计时，停用其网络灯以降低模块的功耗。同时加入电平转换芯片TXB0104，将模块内部的输入参考电平1.8 V转化为3.3 V，再连接外部的单片机。通过丰富的外部接口添加卡座，实现UDP（user datagram protocol）、TCP（transmission control protocol）、CoAP（constrained application protocol）、HTTP（hyper text transfer protocol）、LWM2M（lightweight machine-to-machine）、MQTT（message queuing telemetry transport）等多种协议通信；支持全网通，即可通过中国移动OneNET、中国电信IoT平台、华为OceanConnect物联网云平台等多种平台进行开发。NB-IoT模块通过UDP接收主控制器的数据并上传到云平台，接收从云平台传出的控制命令并通过UDP下发给主控制器。

2.3 终端控制器的设计

路灯终端的控制器包括路灯驱动、路灯光照度调节及对路灯开关的控制。要实现这3种控制，需要实时监测路灯的温度、湿度、光照度、电流、电压等，从而控制路灯的状态。故障检测模块由运放LM385和电压比较电路组成[23]，一旦路灯发生故障，路灯的工作电流瞬间减小甚至为零，然后通过电压比较电路将信息发送给处理器，由处理器将采集到的信息通过NB-IoT模块传输到服务器并且发出报警信号，通过继电器实现物联网平台对路灯负载的远程熄灭控制。其中，继电器选用双稳态继电器JE6，终端状态转换后无需消耗电能维持继电器状态，可避免噪声及磁场的影响。

3 系统软件设计

3.1 路灯监控终端软件设计

整个系统通电后，首先进行初始化操作，包括STM32单片机、NB-IoT模块、温湿度传感器和光照传感器等外部设备的初始化；其次，打开定时器中断和串口中断，实现传感器对路灯数据的定时采集，并将数据发送至NB-IoT模块；最后，按照通信协议将数据上传至云平台。如果路灯发生故障，云平台将发送控制命令，对路灯进行远程控制。其中，串口接收中断的作用是按照规定协议接收云平台通过NB-IoT模块发出的指令，解析出控制命令并发送给主控制芯片，终端设备主程序流程图如图3(a)所示。

图3 智能LED灯杆监控系统程序流程图Figure 3 Program f low diagram of intelligent LED light pole monitoring system

3.2 通信协议的选择

BC20通信模组可通过TCP/UDP协议将数据发送给阿里云、通过HTTP协议将数据发送给网页、通过MQTT协议将数据发送给阿里云物联网平台、通过CoAP/LWM2M协议将数据发送到电信云或华为云、以及通过其他协议（MQTT/LWM2M协议）将数据发送至OneNET平台。本系统选择OneNET平台作为系统的开发平台，通过LWM2M协议进行路灯终端与OneNET平台之间的数据传输，通过HTTP协议将OneNET平台与客户端接入微信小程序进行数据和命令的相互传输，此过程均遵循浏览器/服务器模式（client/server,B/S）架构，与客户端/服务器（client/server,C/S）架构相比该架构移植性更强[24]。

3.3 数据传输流程

通过串口调试工具QCOM对路灯终端板子进行测试，检测上行链路的路灯亮度、环境温湿度、位置等数据是否发出，并将数据进行编码。在“MCU+NB通信模组”架构中，将SDK（software development kit）移植到NB通信模组中，并在其中插入AT指令封装，通过调用AT相关指令，检查BC20状态（SIM卡号、设备识别码、注册成功与否等相关信息），同时通过AT指令的形式将数据发送给NB模组。通信模块只需检查SIM卡的状态、信号质量、注册状态，主要运用的AT指令如下：AT+CIMI可查询设备识别码（international mobile equipment identity,IMEI）；AT+CSQ可查询网络信号质量；AT+CGSN=1可获得BC20模块SN码等。

NB-IoT模组接收到数据后用十六进制HEX格式组装数据成LWM2M协议的消息，便于OneNET平台的传输与接收。登录OneNET平台并注册，依据平台标准创建产品及设备，获取项目ID（identity document）、设备ID、auth_info等信息（注意设备ID及IMEI要与NB-IoT模组保持一致），步骤如图4所示。平台下发订阅/发现命令，终端收到并且平台显示订阅成功，即OneNET平台与终端设备已连接成功，平台接收到数据后自动解析LWM2M协议包，找到匹配的JSON数据并存储在OneNET平台中便于查询。

图4 设备标准化接入平台步骤Figure 4 Access diagram of standardized devices to platform

在下行链路中，通过HTTP网络协议进行数据互联互通，可以通过GET、PUT、POST、DELETE这4种请求方法和响应机制对云端设备资源进行操作，通过交换信息来进行数据通信。数据发送格式为1位起始位、6位数据位、1位校验位，采用循环冗余校验校验（cyclic redundancy check,CRC），以二进制码进行数据传输，通信的目的地址为47.105.44.99，目的地址端口号为866971030936061。NB-IoT模块与平台数据传输流程图如图3(b)所示。

4 结果分析

4.1 定位监测

目前常见的定位方法有美国GPS定位系统、中国北斗定位系统、俄罗斯Glonass定位系统、伽利略定位系统，以及传统的基站定位、信号场查询定位（基站辅助定位）、WIFI定位等。在本文研制的路灯监控系统中，采用北斗+GPS双模定位技术，同时支持北斗定位和GPS卫星定位，提高了定位的快速性和准确性，定位速度可达0.1 m/s，定位精确度可达5 m[25]。定位界面如图5所示。

图5 GPS定位界面Figure 5 GPS positioning interface

4.2 平台数据传输

将GPS定位传感器、温湿度传感器、光照传感器与单片机主板连接，USB电源给系统供电，串口调试工具QCOM界面显示串口的打印输出，波特率设置为115 200 bit/s。通过NB-IoT通信模组将开发板与OneNET平台连接，平台接收到通信模组的移动SIM卡的状态、信号质量、注册状态，从而实现数据互联互通。平台设置按键关联继电器状态，“ON”和“OFF”表示路灯的开关值，通过0、1值远程控制LED灯的开关，同时平台实时监测LED灯的光照度、环境温湿度，并远程控制灯的亮度。

平台可自行设置LED灯的开启时间段，如当天的18:30到次日07:00，也可以根据当天的可见度自行调节LED灯的开启时间段以及灯的亮度值。平台能够实时监测LED灯的亮度值，若亮度值超过阈值，OneNET平台或移动端APP将及时下发关闭命令，在保障照明要求的前提下，降低路灯的能耗，平台数据的收发如图6所示。

图6 平台数据的收发界面Figure 6 Transceiver interface of platform data

OneNET平台收到终端发出的消息后，推送topic（Qos0级别）到相关的订阅设备，待平台显示订阅成功后，OneNET平台与终端设备可以互联互通。通过API调用，并采用HTTP协议将微信小程序接入OneNET平台，从而实现LED设备状态的读取，以及设备开关的控制，移动端APP显示界面如图7所示。

图7 智能LED灯杆监控系统移动端APP实时显示界面Figure 7 Mobile APP display interface of intelligent LED light pole monitoring system

5 结语

本文研制了一种基于NB-IoT技术的智能灯杆监控系统，将NB-IoT技术应用于智慧城市的建设中，实现了路灯亮度、路灯所处环境的温度和湿度的实时监测。通过温度和湿度可预测路灯的使用寿命，由此优化并提高了灯具IP防水性能；同时，结合北斗和GPS定位技术，可准确、快速地确定故障路灯的位置，进而提高路灯维修效率。运用LWM2M协议将OneNET移动云平台与灯杆终端链接，实现了信号的采集、远距离传输、上报、存储，并通过HTTP协议将微信小程序接入移动云平台，最终实现移动端APP对路灯信号的实时监测及单灯控制。