基于NB-IoT的路灯物联网控制系统

工作人员调控亮度，基于NB-IoT技术设计一个路灯调光物联网控制系统，采用Arduino和NB模块组合的控制板，搭建网络通信协议，实现网络对灯光亮度的控制，解决智能调光与远程控制的问题，保证夜晚路灯有效管理。

关键词：NB-IoT;物联网;智能调光;路灯;远程控制;Arduino

中图分类号：TP277文献标识码：A文章编号：2095-1302（2019）12-00-04

0 引 言

低碳和节能都是智慧城市[1]发展的目标。作为城市最重要基础设施之一的路灯，其安全节能对于建设资源节约型[2]、环境友好型社会具有重要意义。因此，路灯的智能调光是智慧城市不可或缺的一部分。然而，目前的路灯缺乏智能特性，晚上保持常亮，浪费了大量资源。为了解决这些问题，本文提出并设计一种基于NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）的路灯调光物联网控制系统，该系统符合5G发展趋势。整个系统的优点如下。

（1）精细管理：每个路灯可以独立控制。

（2）动态亮度调节：可以实现将路灯亮度从0～100%调控。

（3）NB-IoT通信技术：低功耗，速度快，可连接数目多，更稳定。

1 研究背景

智慧城市的主要目标是实现更安全、更方便、更舒适的运营，以及更好的能源保护。因此，城市基础设施更加智能化是促进智慧城市发展的必要条件。路灯是城市基础设施的重要组成部分，与安全和能源效率密切相关。由于每天电量的高能耗，有必要优化目前的路灯管理。建设路灯管理平台不仅是智慧城市的重要组成部分，而且可以促进“智慧市政”[3]在城市照明业务方面的落实。

传统的路灯控制[4]主要采用手动管理或光感控制，维修期太长[5]，很难做到远程及实时控制。此外，当前路灯只有开、关两种状态，无法调整亮度，造成了一定程度的资源浪费。因此有必要采取新的方式实现对路灯的控制。

传统的通信技术多基于GPRS或ZigBee[6]，但两者都存在丢包的情况，运营成本高，而且ZigBee传输距离短[7]，不适合远距离传输。因此，本文设计一种基于NB-IoT窄带物联网技术的城市智能路灯调光系统，可以在不同时段控制路灯使其呈现不同亮度，并且可以通过网络平台实现亮暗调节，减少能量损失，还可随时查询历史操作数据，使路灯成为智慧城市的一部分。

2 需求分析与系统总体方案设计

2.1 需求分析

以往的路灯管理大多是相关人员巡查、维护，当路灯发生故障时，检修人员无法精确定位，路灯夜晚处于常亮状态，不节能。针对存在的问题，本文系统做出如下改进。

（1）智能调光：每盏路灯独立控制，可根据需要调节亮度，减少能源消耗，低碳环保，所有路灯一直受到控制。

（2）NB-IoT网络协议[8]：在空旷的地区，5G网络环境和互联网协议可以拥有更好的通信信号。

（3）平台可视化：工作人员可以在Web上实现远程调控，可随时调节任何路灯信息。

2.2 NB-IoT技术

物联网通信[9]的发展促进了智能路灯的建设。例如，GPRS，3G/4G等远距离通信;ZigBee，蓝牙，WiFi等近距离通信;适用于工业数据采集或智能家居的局域网络等。各种无线通信技术有不同的特点与优势，远距离通信适用于传输距离长、速度快的场合，但其消耗流量大、功耗高，在非实时通信领域有较多弊端。短距离通信功耗小、成本低，但涉及长距离传输时，需要部署多个中间节点，使得网络节点复杂化，降低了稳定性。不同无线通信技术在传输速率和覆盖范围方面的特点如图1所示。

近年来出现的低功耗广域网[10]（LPWA）技术旨在满足物联网中长距离与低功耗的要求。其覆盖面广，成本低，功耗低，连接大，速率快，可靠性高。LPWA包括NB-IoT，LTEeMTC，LoRa，SigFox等多项技术。

其中，NB-IoT技术是3GPP引入的一种新无线电接入网络技术[11]，使用200 kHz的载波技术。NB-IoT中的不连续接收基于周期性唤醒，可以使用睡眠模式，节省电量发送数据。许多用户设备（UE）可以由单个NB-IoT支持，每个NB-IoT频道可支持超过10万个用户设备。因此，数十亿的连接可以通过NB-IoT添加额外载波支持到网络。

2.3 系统总体设计方案

智能路灯控制平台基于NB-IoT技术，由数据采集层、通信层、应用服务层和用户层组成。智慧路灯总体构架如图2所示。

首先进行数据获取，路灯上的传感器将当前路灯亮度的数据存储于控制器，并利用NB-IoT模块将获得的数据发送至NB-IoT基站;然后基站将从控制器里获取的数据发送至“有人云”平台，“有人云”平台将数据与所搭建的服务器进行连接，接入传输来的底层数据，并将其储存在云端，方便用户随时调用;最后为用户调节，管理员可以通过本地网络访问Web控制页面，对路灯进行相应的控制操作，并能实现任意路灯智能调光。本文设计方案主要有以下优点。

（1）智能路灯亮度控制：采用分时段控制策略，可实现不同时间控制道路两旁路灯亮度变化，在人流量少的区域适当降低亮度，隔杆亮灯，满足照明需求的同时达到节能的目的。

（2）通信方式采用NB-IoT网络，顺应5G时代大潮：NB-IoT成本低，拓扑结构简单，可以实现实时通信，适合静止和低移动性且需要发送信息的场合。

（3）灵活的平台管理：管理平台可以通过网址访问，实现轻松、高度自动化的控制。

3 硬件终端设计开发

硬件终端由LED阵列调光模块、Arduino控制板、NB-IoT通信模塊组成。NB-IoT模块用于接收云端发送的信息，通过串口将信息传输至Arduino控制板，Arduino内部写入的程序会进行相应的运行，最终得到一个PWM波的输出，使LED灯列的电压产生相应变化，改变灯的亮度。

3.1 调光模块

路灯的LED灯列模块采用可调光LED灯控制板，电路内部芯片原理如图3所示。其中，芯片采用PT4115，其DIM端可外接PWM脉或根据电压调光。采用Arduino模块录入调光程序，产生PWM波，输出到DIM端实现控制。在电源的输入端，二极管构成整流电路，整流电路将交流电整流成直流电，并对直流电进行极性转换效应。IC输入电压为5～24 V，最大输出电流为0.7 A。

3.2 NB-IoT模块

NB-IoT无线通信模块包括NB73模组，内置SIM卡座、串口电路、滤波天线、复位电路，并通过外接电源供电。NB73模块的推荐工作电压为3.8 V。由于不能直接使用5 V电源，本文设计一个电压调节模块，利用MP1482芯片将电压调整为3.8 V再传至NB73模块。NB73模块样品如图4所示。NB73模块将主控制板传输的路灯实时亮度信息通过Internet发送至“有人云”云端（且不需要用AT指令发送数据），再通过自己设计的网络接收端得到数据，并存储在数据库中，同时还可接收用户通过Internet发送的控制指令，并将用户发送的指令通过串口传输到Arduino开发板。

3.3 控制板

整个控制板包括Arduino-MEGA2560模块、NB-IoT模块与调光模块。控制板硬件终端设计如图5所示。其中，DC供电接口单元与12 V锂电池相连供电;LED灯列与LED接口单元相连;PWM调光单元用来调节灯光亮度;NB73电源单元将12 V直流供电电压转换为3.8 V，用于NB73模块的供电;NB73模块中包含内置SIM卡与天线部分;按键与指示灯单元用于控制板运行的检测与调试。同时，将NB-IoT模块作为拓展板放在控制板上，与控制板共用电源。用户在网页发送的信息经过云平台进入NB-IoT模块，NB模块通过串口将信息传输至Arduino，最终反馈到灯列上，LED的亮度发生相应变化。

4 控制器软件设计

智慧路灯调光平台软件设计主要包括路灯控制终端控制程序，IoT云平台以及网络客户端页面设计。

4.1 路灯控制终端软件设计

路灯控制终端与IoT云平台之间通过CoAP进行通信。主控制器上的相关数据通过串口发送至NB-IoT模块。NB-IoT模块通过基站将数据传送至“有人云”平台。有人云平台与搭建的网络接收器进行数据传输，利用REST-API存入数据库中，从而最终呈现在网页上供管理者查阅。

控制终端的软件实现流程如图6所示，在主程序中设定一个全局变量loop_flag，当没有命令传输时，变量始终为0，程序处在一个死循环中。当用户发送指令时，子程序中会给变量赋予特殊值，返回进入主程序的循环中并执行，当命令执行完成后，变量的值重新变为0，主程序回到死循环，防止产生错误信息，当下一个指令到来时再执行相应步骤。此协议中设定了多重控制语句，可用于多项功能的执行，不断丰富智能路灯的智能程度。

路灯控制流程主要利用搭建的网络平台实现。首先，用户可以通过网址访问页面完成登录。然后，用户可以选择需要获取的信息进入相应页面，平台将用户的命令发送至“有人云”平台，从中获取数据;“有人云”平台将所需数据的软件开发包发送至网络平台，平台将数据呈现给用户。最后，将网络平台获取的数据与REST API进行交互，并将数据存储在自己的数据库中。当用户希望再次查询历史记录时，可直接通过平台的数据库进行查询而不需要经过云端。路灯控制流程如图7所示。

4.2 PoleCloud平台

PoleCloud平台系统是本文自行设计和开发的物联网管理平台，支持NB-IoT模块“WH-NB73”（山东有人信息技术有限公司生产）的接入。平台提供Web服务和REST API服务，具有用户交互、远程终端控制、数据存储、数据显示、数据分析、数据查询等功能。该平台通过”WH-NB73”模块厂商的API接口（“有人云”）与模块通信，进而实现与终端各个硬件组件的互联。用户通过访问平台Web服务器，在网页界面执行控制操作和数据访问。RESTful API服务器部署MySQL数据库，提供数据写入、读取、修改及删除操作的程序接口。

5 系统测试

5.1 Web交互界面

用户输入网址后进入登录界面。登录后，可看到当前基站所部署的位置，如图8所示。其标记便是当前使用的NB-IoT基站所在之处。另外，还可在不同地点设定观测点，方便测量其他信息，丰富智能城市的理念。点击想了解的观测点（此处以LED智能调光为例）可进入控制界面，控制界面如图9所示。

页面上方显示当前点开的是第几个NB-IoT模块及其编号。点击“connect”，打开要控制的模块（此处为LED模块）后便可以开始调控。调控方式有两种。

（1）在“info of node”模块，用户可以通过代码实现灯光亮度的调节，所用的命令语句是设置好的编译格式。管理员还可通过查看Arduino串口接收器判断命令是否成功发送。

（2）除了代码控制，本文还设置了0～100%的进度条，方便管理人员进行调控，拖动进度条便可改变灯的亮度。调光完成后，点击“disconnect”就可以退出网络与NB-IoT模块的连接。

5.2 调光测试

本文以庭院灯作为测试工具，测试实物如图10所示。通过Web端发送指令，观察0，25%，50%，75%，100%时的亮度变化（定义灯的亮度从0～100%表示从关到全亮）。数据发送至REST API平台，按照事先设定好的协议解析接收的信息，通过NB-IoT模块最终到达灯列。通过对灯实际亮度的比较，发现其基本与上传的数据相符。庭院灯测试实际亮度如图11所示。

6 结 语

为了顺应5G时代的到来，建设智慧型城市，践行可持续发展原则，本文设计了一个基于NB-IoT的路灯调光物联网控制系统，主要通过LED灯列硬件电路模块的实现和NB-IoT通信、网络平台的搭建，最终实现了通过IoT云平台对灯的亮度数据进行传输，并通过Web界面将路灯的亮度信息呈现给用户，用户还可通过网页实时对灯光进行可控调节，并可获取以往调节的历史记录。实验结果显示，调光系统可以高效精确地实现用户指令，且未出現延迟效果。虽然本文仅使用一个庭院灯作为实验对象，但整体技术已经较为完备，实现原理与路灯并无较多差异。在建设智慧城市的道路上，智慧路灯将会是非常重要的一部分，未来，还可从以下方面考虑：

（1）实现对多个路灯的实时控制;

（2）在路灯中添加一些传感器模块（如定位[12]、故障检测及报警），将智慧路灯系统做得更加完善;

（3）实现太阳能供电，减少能源消耗。

因此，基于NB-IoT的智能路灯控制系统可以为城市生活提供更多便利，有助于可持续发展的实践。

参 考 文 献

[1]曾力.一种智慧城市路灯系统设计[J].数码世界，2016（10）：132.

[2]刘敏层，张峰.基于STM32的智能照明监控系统的设计与实现[J].自动化仪表，2018（7）：43-46.

[3]杨丁，陈剑.基于智慧城市模型的城市路灯构建探讨[J].冶金丛刊，2017（5）：205-206.

[4]韩中华.城市路灯智能远程监控管理的实现分析[J]. 科学技术创新，2018（26）：164-165.

[5]王园，姚颖洲.浅谈LED路灯GPRS智能监控系统[J].中国科技纵横，2014（9）：40.

[6]陈琦，韩冰，秦伟俊，等.基于ZigBee/GPRS物联网网关系统的设计与实现[J].计算机研究与发展，2011，48（z2）：367-372.

[7]董玉荣，聂云峰.基于NB-IoT的智慧停车系统研究与设计[J].南昌航空大学学报（自然科学版），2017（3）：95-99.

[8]邓小龙，李奇富，陆锦军.基于ARM的城市照明智能监控网络网关设计[J].测控技术， 2017（1）：85-88.

[9]李俊画.浅析物联网通信技术[J].现代传输，2017（5）：57-60.

[10]田敬波. LPWA物联网技术发展研究[J].通信技术，2017，50（8）：1747-1751.

[11]严益强. NB-IoT技术简介及其在智慧城市中应用研究[J]. 广东通信技术，2016， 36（11）：6-8.

[12]吴玉鹏，张侃健，魏海坤，等.高杆灯照明系统智能监控终端的硬件设计[J].工业控制计算机，2017，30（4）：139-141.

推荐访问:联网 控制系统 路灯 NB IoT