基于NB-IoT的智慧路灯控制器设计

杨立宏 袁夫全

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.02.038

收稿日期：2023-03-18

基金项目：中山火炬职业技术学院2022年度校級产学研项目（2022CXY24）

摘  要：随着智慧城市建设步伐的加快，各大城市必然要对城市路灯照明系统进行节能化和智能化升级。文章针对传统路灯能耗大、人力维护成本高、智能化程度低等问题，设计一种基于NB-IoT的智慧路灯控制器。单灯控制器以微控制器STM32为控制核心，通过NB-IoT通信模组实现路灯与控制中心的组网，从而实现路灯的远程开关及调光控制、路灯数据采集、故障定位等功能。该路灯控制器以实际LED路灯进行测试验证，基于NB-IoT路灯控制器能够满足路灯照明系统的节能化和智能化以及集中管理的需求。

关键词：NB-IoT；智慧路灯；调光控制；数据采集；故障定位

中图分类号：TN929.5        文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2024）02-0177-05

Design of Intelligent Streetlight Controller Based on NB-IoT

YANG Lihong， YUAN Fuquan

（Zhongshan Torch Polytechnic， Zhongshan  528436， China）

Abstract： With the acceleration of the construction of smart cities， major cities are bound to upgrade their urban street lighting systems to energy conservation and intelligence. This paper designs an intelligent streetlight controller based on NB-IoT to address the issues of high energy consumption， high labor maintenance costs， and low level of intelligence in traditional street lights. The single light controller uses the microcontroller STM32 as the control core， and realizes the networking between the streetlights and the control center through the NB-IoT communication module， thereby achieving remote switching and dimming control of the streetlights， data collection of the streetlights， fault location and other functions. The streetlight controller has been tested and verified with actual LED streetlights. Based on NB-IoT streetlight controller， it can meet the requirements of energy-saving， intelligence， and centralized management of streetlight lighting systems.

Keywords： NB-IoT; intelligent streetlight; dimming control; data collection; fault location

0  引  言

目前大多数城市仍然采用传统路灯控制系统，管理人员对辖区内的路灯进行统一管理，定时开关或者通过传感器检测光线亮暗自动开关路灯。这种传统的路灯管理方式主要存在的问题是：一是能源消耗偏大，在深夜车辆和行人稀少时路灯依然全功率照明浪费了电能；二是运维效率低，路灯出现故障时不能够被及时维修，只能是有人报修或者人工定期排查才能发现；三是控制灵活性差，不能对临时活动的照明进行有效灵活控制，例如重大节日、举办大型活动等特殊情况下照明控制。随着物联网技术的发展，城市路灯的智能照明及集中化管理是必然发展趋势。文献[1]侧重于通信、调光和故障检测方面的研究，而对移动目标检测及故障定位未有提及；文献[2]侧重于通信、故障定位方面的研究，而对故障检测及移动目标检测未有提及。本文为解决传统路灯系统的弊端，研究设计一种城市智慧路灯控制器，采用NB-IoT技术和智能传感器技术实现路灯的智能化控制。智慧路灯控制器实现实时采集LED路灯的电流、电压等电气参数、路灯定位和故障诊断、LED路灯的远程开关、LED路灯远程调光、LED路灯的本地调光等功能。本文给出了智慧路灯控制器的主要硬件设计及软件控制流程，实验结果验证了NB-IoT智慧路灯的可行性。

1  NB-IoT智慧路灯系统组成

NB-IoT智慧路灯系统由感知层、网络层和应用层组成，系统总体架构如图1所示。

感知层是指安装在路灯上的NB-IoT智慧路灯控制器，控制器通过多种传感器检测路灯状态及周边环境状况，通过北斗定位模块实现路灯定位，并对路灯进行开关及调光控制。网络层包括NB-IoT基站和云平台，NB-IoT基站是路灯信息传输的中转站，云平台实现数据的存储和处理。应用层实现路灯的集中监控和管理，包括了移动设备以及监控中心。本文只研究感知层也即智慧路灯的控制器设计。

2  智慧路灯控制器硬件组成

NB-IoT智慧路灯控制器功能包括：LED路灯电压、电流采集，获取路灯工作状态；光线传感器检测环境亮度，以进行开关控制及调光控制；采用毫米波雷达检测移动的车辆或人体，从而控制灯的亮度，达到节能目的；北斗定位模块实现路灯的定位，以便于快速确定需要维修的路灯具体位置；采用NB-IoT通信实现对路灯的远程监测和控制。基于以上的功能需求，NB-IoT智慧路灯系统硬件组成如图2所示。

NB-IoT智慧路灯控制器是如图2中的方框内部分，220 V市电经过AC-DC变换器将交流变换成路灯控制器所需的直流12 V、5 V和3.3 V；毫米波雷达采用HLR26K模块，用于侦测移动的车辆和行人；电量采集模块采用BL0942芯片实时采集路灯的电压、电量及电能信息，并通过USART将采集信息输入到STM32，以进行故障诊断和电能统计；采用北斗定位模块ATGM336H，该模块使用中科微第四代低功耗GNSS SOC单芯片AT6558，对路灯进行精准定位；光线传感器采用光敏电阻检测路灯周围环境亮度，以控制路灯的开关及亮度；STM32输出PWM控制LED驱动电源对LED路灯进行调光，继电器则作为路灯的开关；NB-IoT通信模组选择BC26，通过NB-IoT基站和云平台进行数据收发通信。

2.1  STM32和BC26接口电路

NB-IoT模组BC26和STM32以及SIM卡的接口电路如图3所示。RESET是BC26的复位管脚，PWRKEY是BC26的开机管脚，STM32的GPIO口通过三极管来控制这两个管脚，STM32的PB1管脚拉高800 ms就可以让BC26开机。

BC26和STM32通过USART进行通信，由于BC26的IO端口电平为1.8 V，STM32的GPIO端口电平为3.3 V，因此需要使用电平转换电路进行电压匹配。STM32发送数据到BC26时，三极管Q3的集电极经电阻R5连接到1.8 V电源，实现3.3 V到1.8 V的电平转换；STM32接收来自BC26的数据时，三极管Q4的集电极经电阻R8连接到3.3 V电源，实现1.8 V到3.3 V的电平转换。BC26模组和SIM卡座通过四根线连接。

2.2  电量采集电路

路灯电量采集电路采用电流互感器对电流进行采样，采用电压互感器对电压进行采样，通过电能测量芯片BL0942获取电流、电压及功率值并将电量参数通过串口传送到STM32，采集电路如圖4所示。

电流采样使用变比Rt为1 000：1的电流互感器CT1，其中R13为负载电阻，取3.3 Ω；电压采样使用变比为1：1的电压互感器PT1，其中R21为负载电阻，取24.9 Ω。根据BL0942的资料，I_RMS是电流有效值寄存器，地址为0x03；V_RMS是电压有效值寄存器，地址为0x04；WATT是有功功率寄存器，地址为0x06。路灯实际电流值Iin计算公式如式（1）所示，单位为A，其中Vref为1.218 V。

（1）

路灯实际电压值Vin计算公式如式（2）所示，单位为V。

（2）

路灯实际有功功率值Pin计算公式如式（3）所示，单位为W。

（3）

2.3  车辆检测和路灯定位电路

为了节省电能，在深夜没有车辆和路人经过路灯时，路灯亮度需要调暗，当检测到有车辆或者路人经过时，会自动调亮。毫米波雷达具有穿透能力强、不受烟、雾、灰尘等影响，可全天候使用，性能稳定，对于运动的人体和车辆检测毫米波雷达是比较好的选择。毫米波雷达是利用电磁波信号被其发射路径上的物体阻挡继而会发生反射，通过捕捉发射信号，来确定物体的距离、速度和角度。本文选用HLR26K毫米波雷达模块对运动人体和车辆进行检测，该模块探测距离可达10 m，探测角度水平120°，刷新率100 ms，完全可以满足测量需求，HLR26K模块与STM32的接口电路如图5所示。为了方便路灯检修，每个路灯装有北斗定位模块，可精确定位需要维修路灯位置。本文选用GPS和北斗双模模块ATGM336H，该模块基于中科微第四代低功耗SOC单芯片AT6558，支持多种卫星导航系统，其定位精度为2.5 m，可实现对路灯的精确定位，该模块与STM32的接口电路如图5所示。

3  NB-IoT路灯控制器程序设计

NB-IoT路灯控制器程序主要包含主程序、定时器定时中断服务程序和串口接收中断服务程序。主程序在初始化阶段完成各个子模块的初始化，在主循环进行各子模块数据处理、LED调光以及NB-IoT数据发送等；定时器定时中断服务程序主要实现子程序定时巡检及定时任务；三个串口接收中断服务程序分别完成NB-IoT、北斗定位、毫米波雷达数据的读取。

3.1  主程序设计

NB-IoT路灯控制器主程序流程图如图6所示。在初始化阶段完成电量采集、北斗定位、光强检测、毫米波雷达、NB-IoT联网等部件的初始化，然后进入主循环。在主循环通过定时器定时巡检各子模块，到达定时时间后，进行电量采集，北斗定位坐标获取，人体和车辆运动检测、光强检测，如果NB-IoT接收到数据，需要对NB-IoT的数据进行处理，数据处理完成后根据NB-IoT接收到的数据进行LED调光，最后NB-IoT发送路灯控制器采集的数据到云平台，如此循环。

3.2  NB-IoT通信程序设计

NB-IoT通信程序包含NB-IoT联网初始化、上行发送数据和下行接收命令程序，各部分程序流程图如图7所示。NB-IoT联网初始化程序首先对BC26和STM32连接的串口2进行初始化，然后获取BC26模块的SIM卡卡号、连接NB-IoT网络，如果连接成功网络则查询IP、IMEI等信息，最后实现OneNET云平台注册，完成联网初始化。上行发送数据程序完成路灯控制器向云平台发送数据的功能，首先开辟一段数据区用于存储要发送的数据，接着发布消息到MQTT服务器，判断数据发送是否准备好，如果已经准备好可以发送数据，则将要发送的数据封装为JSON格式数据发送，如果发送成功或者超时则结束本次数据发送。下行接收命令程序完成路灯控制器接收云平台下发的命令或数据，首先通过串口中断接收数据并存入缓冲区，如果串口数据接收完成，则对接收的数据进行处理，从而完成一帧数据的接收处理过程。

3.3  路灯故障诊断程序

路灯故障诊断程序用来判断路灯是否故障，以便能够得到及时维修，程序流程图如图8所示。程序首先读取电能测量芯片BL0942的电压、电流和功率寄存器的值，并将电流值、电压值和功率值分别代入式（1）、式（2）和式（3）计算出实际电流值、电压值和功率值。将路灯正常工作时的电流值、功率值的上限值和下限值作为比较用的标准值，如果实际电流值或者功率值大于上限值或者小于下限值则认为路灯故障，如果在标准值范围内认为路灯无故障，最后上传路灯当前状态即可。

4  结果分析

本文采用额定功率为150 W的LED路灯进行测试，在无行人或车辆经过路灯时，LED路灯的功率设定为额定功率的30%，进入低功耗状态。将路灯及控制器置于8 m高位置，路灯控制器上电后，从PC端的云平台或者移动端的APP发送路灯开和关控制命令。在路灯开启状态下，通过毫米波雷达自动检测其周围是否有行人或车辆通过，检测到无行人或者车辆通过，开始计时，1 min后路灯自动进入到低功耗状态，路灯变暗。人为设置路灯故障情况下，能够将故障状态发送到云平台并在云平台进行报警提示。移动端显示的路灯状态及位置信息如图9所示。

5  结  论

基于物联网技术的智慧路灯控制系统逐渐成为城市路灯照明控制的必然趋势。本文研制了一种基于NB-IoT通信技術的智慧路灯控制器，依赖于毫米波雷达技术，通过检测有无行人及车辆通过进行路灯亮度调节，节省了电能；应用北斗定位系统，准确、快速的确定故障路灯的位置，大大降低了路灯维护的时间和人力成本。路灯控制器结合云平台的数据存储及处理，构成完整的智慧路灯照明控制系统，该系统能够有效节省电能，具有广阔的应用前景。

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作者简介：杨立宏（1980.04—），男，汉族，河北沧州人，副教授，硕士研究生，研究方向：测试计量技术。