基于NB-IoT的LED照明灯远程监控系统设计与实现

杨佳卉，黄 浩，胡永明，顾豪爽

（湖北大学 物理与电子科学学院 铁电压电材料与器件湖北重点实验室，湖北 武汉 430062）

0 引 言

随着半导体发光技术的高速发展，作为“第4代光源”而备受瞩目的LED技术已广泛应用于手机屏幕背光源、交通信号灯、公共区域照明灯、汽车刹车灯等领域[1]。LED照明灯的使用范围极广，以一个城市的路灯为例，若以传统的人力巡检方式来监控所有路灯的工作状态，其监管效率极低，且人力、物力、时间等综合成本高昂[2]。

另一方面，LED照明灯的运行环境千差万别，是否在额定工作参数条件下运行，以及运行环境中的温度、湿度等的差异将导致LED照明灯的使用寿命不尽相同，若没有长期、详细记录这些信息，将为灯具维护、保养、更换以及故障诊断等增加难度。

特别需要关注的是，对LED照明灯的故障诊断而言，在一定情况下，灯具制造厂家需要派人到现场进行故障分析，这样的故障分析需耗费大量的人力、物力和时间成本，且因为历史数据的缺失，无法保证故障诊断的精准性。另一方面，若发生了涉及用户生命、财产安全的责任事故，历史数据的缺失将无法有效开展对LED故障问题的根因分析。

随着无线通信与远程控制技术的发展，国内已有诸如基于ZigBee无线传感网络的LED照明控制系统[3]、3G技术在LED路灯照明智能监控系统中的应用[4]、基于GPRS的智能路灯远程监控系统的研究[5]等LED照明智能控制系统的文献报道。

本文设计了一种基于NB-IoT的LED照明灯远程监控系统，采用NB-IoT技术实现了低功耗、广覆盖、低资费的远程监控数据传输，将LED的主要工作状态信息发送到云端服务器，记录并跟踪LED的工作曲线，基于所记录的数据可有效定位故障原因，并预测故障是否发生。

1 基于NB-IoT的LED照明灯远程监控系统

基于NB-IoT的LED照明灯远程监控系统由智能硬件终端、NB-IoT无线通信网络以及云端服务器组成。

1.1 智能硬件终端

基于NB-IoT的LED照明灯远程监控系统的智能硬件终端由信息采集模块、主控芯片、NB-IoT通信模块以及电源模块构成。硬件终端的组成结构如图1所示。

数据采集模块用于感知信息，并将感知到的信息发送给主控芯片。数据采集模块包含了电流、电压、温度、湿度传感器，且可拓展其他类型的传感器。这些传感器负责采集LED的电流、电压以及所处环境的温度、湿度信息，随后传送到主控芯片。

主控芯片具有数据处理和设备控制功能，用于对感知信息的处理和对电源模块以及NB-IoT通信模块的工作状态控制。主控芯片将数据采集模块中采集到的信息以一定的帧格式通过NB-IoT通信模块发送到云端服务器。

通过NB-IoT通信模块可实现终端与云服务器之间的互联互通。其与主控芯片之间使用串口连接，双向通信速率自适应可调[6]。

电源模块为这些硬件提供能源支撑。电源模块中的电池为可充电式电池，并配置有充电电路。

1.2 NB-IoT无线通信网络

采用NB-IoT无线通信网络可实现LED监控装置与云端服务器之间的低成本、低功耗信息交互。

NB-IoT技术具有广覆盖[7]、低功耗、低成本、大联接等特点[8]，基于运营商的投权频谱，可广泛应用于不同的物联网垂直行业应用领域[9]。NB-IoT技术经LTE网络架构演进[10]，使用现有的投权频谱，信息的安全性和可靠性都有较大提升，且减少了许多不必要的干扰。NB-IoT支持待机时间短、对网络连接要求较高的设备的高效连接。NB-IoT设备能在消耗较低电量下维持监控装置的正常运作，其电池寿命普遍在10年以上，适用于LED照明灯远程监控的无线通信技术。

1.3 云端服务器

云端服务器接收终端传输的数据帧，解析、分类并储存在数据库系统中，随后采用算法进行分析和管理。云端服务器将数据分析结果发布在Web网页和APP上，面向用户展示。

1.4 系统流程图

系统运行流程如图2所示。

图2 系统运行流程图

系统通过数据分析、计算，向用户提供LED的工作年限、工作状态、工作环境以及故障提示。LED生产厂家可通过此系统对产品进行跟踪调查，以便后续的技术升级和工艺改进。终端用户可通过手机APP或登录Web网站实时查看LED照明灯具的运行状态及环境信息。当LED出现故障时，系统即时提醒并告知用户。

2 LED智能监控装置

LED智能监控装置基于STM32主控芯片设计，实现了LED运行状态及环境等关键信息的感知，通信模式的优化，终端与云端信息交互的规范，信息帧结构的定义等。

2.1 智能监控装置的硬件连接

智能监控装置的硬件连接如图3所示。主控芯片型号为STM32F103VCT6，温度传感器型号为MVH340，两者通过I2C接口通信。电压传感器和电流传感器分别连接到主控芯片的AD2和AD1接口。NB-IoT通信模块与主控芯片采用串口连接。

图3 智能监控装置的硬件连接示意图

2.2 智能终端与云端服务器的信息交互

主控芯片是整个装置的控制中心，从原始信息采集到通过NB-IoT网络传输到云端服务器之间的整个流程均由其控制完成。

在LED运行状态监控过程中，采集模块将采集到的信息传送到主控芯片。主控芯片将LED的实时电压和电流信息以及LED的编号（与采集模块编号一一对应）按固定的格式打包，再通过NB-IoT通信模块进行传输。

具体的数据帧格式为：

# LEDDAT$ID0010V15.0A5.0T26H30

数据帧中字符串的定义及其所表示的具体信息如下：

（1）ID = LED编号

（2）V = LED电压（单位：V）

（3）A = LED电流（单位：A）

（4）T = LED所处环境的温度（单位：℃）

（5）H = LED所处环境的湿度（单位：%RH）

云端服务器接收到数据帧之后，按照其格式定义进行相应的数据解析。

3 云端服务器及数据库系统

基于JSP和MySQL开发了云端Web服务器及数据库系统，实现了LED的运行状态等数据信息在云端的接收、保存、管理和显示。

MySQL数据库是一种关系数据库管理系统，关系数据库将数据保存在不同的表中，而非将所有数据放在一起管理，增加了速度并提高了灵活性。利用JavaScript连接数据库，对数据库进行读写。监控系统软件平台所需数据可用4个信息表进行存储。t_idinf为LED灯额定信息表，记录LED灯身份唯一识别码，描述LED灯的编号、电流、电压、温度、湿度上下限状态或者额定数值等相关信息；t_linf为LED灯实时信息表，记录LED灯编号，实时电流、实时电压、实时温度、实时湿度、亮度等相关信息；t_aveinf 为LED灯平均信息表，记录LED灯编号、平均电流、平均电压、平均温度、平均湿度等相关信息；t_uinf为用户信息表，记录已授权用户的用户名、用户密码。

云端服务器的数据库系统可支持对某一时段的LED状态进行查询，具体数据以曲线或者表格的形式显示。LED监控系统也可以一段时间内（如所示数据上一个月或者上一个星期）信息的平均值作为基准，在曲线图中显示一条基准线。手机APP与Web服务器共享数据库信息。

4 结 语

文中设计了一种基于NB-IoT的LED照明灯远程监控装置及系统，实现了实时采集LED照明灯等工作电压、电流以及LED灯所处环境的温度、湿度等信息，并通过NB-IoT无线通信网络远程传输到云端服务器，从而为用户提供LED照明灯工作状态的远程网络监控服务，便于用户及时获知LED照明灯感知信息并进行相关任务的部署。NB-IoT网络具有低成本、高效传输等优势，可被广泛应用于车辆灯光系统监控，交通灯监控，家庭或者企业灯光监控系统等方面，具有应用范围广，实用性强等优点。

[1]大谷义彦，夏晨.LED照明现状与未来展望[J].中国照明电器，2007 （6）： 20-24.

[2]陈晓艳，高伟，秦欢，等.基于GPRS与ZigBee的LED路灯智能监控系统设计[J].电子测量技术， 2013， 36（10）： 62-66.

[3]俞建，刘红.基于ZigBee无线传感网络的LED照明控制系统[J].机电工程， 2012， 29（11）： 1333-1336，1344.

[4]汪义旺，张波，吴铄.3G技术在LED路灯照明智能监控系统中的应用[J]. 照明工程学报， 2012， 23（5）： 92-95.

[5]张伟，王宏刚，程培温.基于GPRS的智能路灯远程监控系统的研究[J].计算机测量与控制， 2010， 18（9）： 2104-2106.

[6]张建国.中国移动NB-IoT部署策略研究[J].移动通信， 2017， 41（1）： 25-30.

[7] HOGLUND A， LIN X， LIBERG O， et al. Overview of 3GPP Release 14 Enhanced NB-IoT [J].IEEE Network， 2017， 31（6）： 16-22.

[8] 佘莎， 黄嘉铭. 基于理论和实测的NB-IoT覆盖分析[J]. 移动信息，2016（12）：72-74.

[9]曲井致. NB-IoT低速率窄带物联网通信技术现状及发展趋势[J].科技创新与应用， 2016（31）： 115.

[10] ZHANG H， LI J， WEN B， XUN Y， et al. Connecting intelligent things in smart hospitals using NB-IoT [J].IEEE Internet of Things Journal， 2018 （99）： 1.