智慧城市建设背景下路灯灯杆智能化监控系统的设计与实现

张卫东

(中煤科工集团武汉设计研究院有限公司,武汉430064)

0 引言

随着城镇化建设的不断推进及城市基础设施的不断完善,路灯数量也在急剧增加,有必要借助互联网技术实现对城市路灯的科学管理[1-2]。

LED光源具有寿命长、易调色、控制方式多样、种类多的优势,是目前最常用的路灯灯源[3]。但众多的路灯需要统一的组织及维护难度较大,为此设计了多种多样的监控系统,但这些系统或多或少存在以下问题:能源浪费严重,无法根据车流量及气候来调节光照。定位不准确,无法为维护人员提供故障路灯的准确位置。状态监测困难,效率低下。自动化程度低,很多控制命令仍需要进行手动控制,故有必要对现有的监控系统进行改进及优化。近年来,物联网、大数据及信息技术得到了飞速发展,为智慧型城市建设提供了更多的技术支持[4]。窄带物联网(NB-IoT)于2016年9月首次被提出,相比传统的通信技术,具有传输速率快、通信范围广、设备覆盖量大、成本价格低等多种优势[5-8],如果能借助该技术实现对城市路灯的智能化高效管理,将为智慧城市建设注入新的活力。

基于窄带物联网(NB-IoT)技术构建城市路灯灯杆智能化监控系统,对其硬件、软件进行设计说明,并对其相关性能进行测试,以期为智慧城市建设提供借鉴。

1 NB-IoT技术

窄带物联网(NB-IoT)技术是一种基于5G技术,由GSM 技术与LTE技术优化而来的物联网主流窄带蜂窝技术,主要技术参数包括频谱范围(800-900-1800 MHz)、传输速率(上行<250 Kbps,下行<226.7 Kbps)、通信距离(15 km)、连接数量(<50 000个)、单个成本(<5美元)。与传统的无线通信技术相比,具有覆盖范围广、传输速率快、设备连接容量大、超低功耗、成本价格低、部署方式灵活(可独立部署,也可保护带部署,还可以待内部署)等诸多优点,适用于城市路灯这种覆盖范围广、数量众多、规模大的监测场景中。

2 监控系统的构建

2.1 功能需求

为了满足城市路灯灯杆日常监控需要,监控系统需具备以下功能:①对路灯灯杆设备的环境参数进行采集(如温度、湿度等参数),通过温度、湿度变化来对路灯使用寿命进行预测,实时收集路灯的照度,及时发现故障路灯。②路灯状态的远程监测,通过One NET移动云平台对远程路灯参数数据进行查询,从而实现对每一台路灯的实时监控。③单灯控制,不同季节及时间段的气候条件差异较大,如雾霾天需要增加亮度,可通过监控系统对路灯的开关指令实现灵活调节,达到节能照明的效果。④定位故障路灯位置功能,通过引入全球定位系统,实现每一个故障路灯的准确定位,从而达到定向维护、提高工作效率的目的,使城市路灯维护向智能化、精细化方向发展。

2.2 总体设计

基于NB-IoT的城市智慧路灯灯杆实时监控系统总体架构如图1所示。主要由感知层、传输层、平台层及应用层四层结构构建。感知层主要由温度传感器、湿度传感器、照度传感器等诸多传感器设备及NB-IoT终端设备组成,主要负责对环境参数及光照度参数等进行监测及采集,监控路灯所处的实时状态。传输层主要由NB-IoT基站组成,与Lw M2M服务器连接,主要负责接收传感器收集到的数据,并传递给移动平台。平台层主要使用One NET云平台,负责接入终端设备,对设备进行管理及控制,接收传输层发来的数据信号,将信号传递给应用层。应用层主要由PC端与移动端组成,负责发出对应的指令,对路灯状态进行掌握及控制。

图1 系统总体架构Fig.1 Overall system architecture

2.3 硬件设计

系统硬件主要集中于系统感知层与传输层,满足各类参数的采集、故障路灯定位及方向控制等功能需求。在感知层中,需要定位模块满足定位功能需求,主控器设计时还需预留GPS定位端口,故感知层中主控制器的设计尤为关键。在传输层中,要实现反向控制功能需求,故通信模块的设计是最为关键的。整个系统的硬件架构设计如图2所示。硬件主要包括DHT11型温湿度传感器、BH1750型光照传感器、GPS模块、故障检测模块、通信模块、主控制器(中央处理器)、SIM卡等设备。

图2 监控系统硬件架构设计Fig.2 Hardware architecture design of monitoring system

通信模块选用BC20型贴片式模块,尺寸大小为长×宽×高=18.7 mm×16.0 mm×2.1 mm。该型号支持定位功能的扩展,内置UFirebird卫星定位芯片,供电电压为2.1～3.63 V,最大休眠功耗为5 μA,串口波特率为115 200 bps,频段为B5/B8,多频传输速率为上行25.5 kbps、下行62.5 kbps。BC20共包括68个引脚数,其中,起LCC的引脚个数为54个,起LGA功能的引脚个数为14个,为了降低功耗,停用NB-IoT模块的网络灯,加入电平转换芯片TXB0104,将通信模块中的电平由1.8 V转换为3.3 V。BC20通过Lw M2M协议与平台层中的One NET云平台相连,从而将监测数据传输给One NET云平台,反向接受平台下达的控制指令并将其传递给主控制器。

主控制器(中央处理器)选用STM32L151RCT6型处理器,该型号处理器的工作频率为32 MHz,包含多种通信接口、设备接口及接收/发送器接口等。处理器中的单片机具有定时唤醒功能,可以使处理器在不工作时处于休眠状态,休眠状态下的电流<1 μA,达到最大程度的节能降耗。电源模块的工作电压为5 V,而STM32L151RCT6型处理器的工作电压为3.3 V,故需要在主控制器中加入RT8059降压转换器,以实现5 V与3.3 V电压的相互转换。

2.4 软件设计

系统软件开发过程中,主要利用Keil u Vision 4.72对城市路灯终端软件程序进行开发,Keil u Vision 4.72基于C语言,可实现程序的编译、链接、调试与调用,发现错误并提出警告。其他辅助开发软件还包括STM32Cube MX、ST-LINK串口编译器、QCOM串口调试工具、Socket Tool网络调试助手等。在监控系统中,软件设计主要集中于平台层与应用层。

平台层主要以One NET平台为基础,通过ID、IMEI、API等设备识别信息,实现与NB通信模组的相互链接及交互通信,总体架构如图3所示。通过Lw M2M协议将NB-loT客户端接入到Lw M2M服务器中,在One NET云平台中依次完成用户的登陆注册→新建项目→新增设备→添加数据流→设计应用等一系列操作。调用NB-loT模块中的AT指令,实现NB-loT模块与One NET平台数据信息的交互连接。通过One NET平台中的API实现数据流与One NET平台的相互对接,可在移动终端界面接收并显示相应权限的监控数据。

图3 平台层One NET平台架构Fig.3 Structure Platform layer One NET platform

应用层的软件开发基于B/S架构,B/S架构具有设备的高度适用性、系统的易扩展性、数据可实时刷新、开发成本低廉等优势。通过HTTP 协议实现服务器与浏览器之间的数据交互共享,工作原理如图4所示。通过浏览器端向服务器端发送HTTP 协议请求,服务器端在接收到HTTP请求后,依次做出允许连接→解析出参数数据→生成HTML文件等操作,再通过HTTP 协议将生成的HTML文件返回给浏览器端。浏览器端在收到HTML文件后,再对文件中的数据进行解析,向用户呈现路灯灯杆的实时状态参数。应用层与平台层通过PAI接口进行连接,实现两者之间的应用接入、设备管理、批量处理、规则管理、订阅管理、消息推送、信令传送、数据采集等功能。

图4 应用层B/S架构Fig.4 Application layer B/S architecture

3 系统功能的实现与测试

3.1 定位功能测试

为了实现故障路灯的准确定位,除了在系统中安装GPS定位模块外,还增加了我国自主研制的北斗定位模块,即采用北斗+GPS的双模块定位技术来提高系统的定位速度及准确度。通过测试得出,系统的平均定位速度可达0.1 m/s,定位精度达5 m,满足系统的定位功能性要求。

3.2 功耗测试

系统在设计之初为了降低功耗,主要从两个方面进行优化,一方面是从通信模块入手,选用BC20这一超低功耗的通信芯片,另一方面是从主控制器入手,选用STM32L151RCT6型处理器,处理器中的单片机具有定时唤醒功能,可实现休眠、停止、待机3种模式下的工作状态。利用万用表测量系统的工作电压,再利用电源分析仪测量终端设备的电流参数,每0.2 s采集一组数据,共采集60组电压、电流数据,对系统处于初始状态、停止模式、加延迟模式及双控模式下的功耗进行计算分析,结果如图5所示。从图5可知,系统功率呈动态波动的变化特征,在初始状态下,系统功率最高,最大功率达到0.61 W,最小功率为0.2 W,平均功率为0.31 W,当系统处于停止模式或加大数据上发延迟时间状态时,功率相比初始状态有较大幅度的降低,当采用双控模式时,系统的功耗进一步降低,平均功率仅为0.2 W,相比初始状态降低35.5%,可最大程度实现节能降耗的目的。

图5 不同模式下系统功耗测试结果Fig.5 System power consumption test results under different modes

3.3 系统稳定性测试

系统平台层与应用层在接收数据及发送控制指令时,可能会出现数据丢包或网络延迟等情况,故有必要对系统的稳定性进行测试,结果见表1、表2。从表1可知,对于平台层,3个终端设备共向平台发送了600个数据,平台共接收到598个数据,数据接收成功率为99.9%,平台下发开启及关闭成功次数分别为590次、592次,成功率分别为98.3%、98.7%,相比数据接收成功率略低,这主要是因为存在网络延迟的缘故。应用层共成功接收到592个数据,数据接收成功率为98.7%,相比平台层略低,表明存在一定的数据丢包现象,但占比很小,应用层下发开启及关闭成功次数分别为584次、590次,成功率分别为97.3%、98.3%,成功率依然大于97%,由此可见,系统数据经过平台层与应用层传输后的稳定性是比较好的,可满足日常监控要求。

表1 平台层稳定性测试结果

表2 应用层稳定性测试结果

4 结论

基于NB-IoT技术构建包含感知层、传输层、平台层及应用层的城市智慧路灯灯杆实时监控系统。为了达到节能降耗的目的,在通信模块硬件配置中选用了低功耗的BC20通信芯片,主控制选用了STM32L151R

CT6型处理器,可实现定时唤醒功能。系统平台层选用移动One NET平台,应用层基于B/S架构实现数据采集、设备管理、规则管理、批量处理、信令推送等功能。系统平均定位速度可达0.1 m/s,定位精度达5 m,当采用双控模式时,系统平均功率仅为0.2 W,数据传输成功率>97%,具有低功耗、良好的定位及稳定性能,可满足城市路灯灯杆实时监控的需求。