基于窄带物联网技术的路灯监控系统的设计与实现

李艳娇 李莉 罗汉文 许晖

摘 要： 针对路灯集中控制不方便、信息监控不及时、人力巡检方式效率低等传统路灯系统在实际应用中存在的问题，提出了一种基于窄带物联网（NB-IoT）技术的路灯监控系统设计方案.该方案利用主控STM32L431 RCT6芯片，连接了华为物联网管理平台，在应用端开发了应用程序（APP）对路灯进行远程实时监控.实验结果显示：系统实现了对路灯的实时监控及智能化控制.

关键词： 窄带物联网（NB-IoT）; 路灯监控; STM32L431 RCT6芯片

中图分类号： TN 929.5文献标志码： A文章编号： 1000-5137（2019）01-0026-07

Abstract： For the application problems of traditional street light system，such as inconvenient centralized control，untimely information monitoring and low efficiency of human inspection，it proposed an improved street light monitoring design scheme based on narrow band internet of things （NB-IoT） technology.The solution was based on the main control chip STM32L431 RCT6，which was connected to the management platform of Huawei，and performed the real-time monitoring of street light remotely on the program of the application （APP）.The experimental results showed that the system fulfilled the real-time monitoring and intelligent control of street light.

Key words： narrow band internet of things （NB-IoT）; street light monitoring; STM32L431 RCT6 chip

0 引 言

路灯作為智慧城市建设必不可少的基础设施，直接反映一个城市建设的水平[1].传统的路灯监控系统一般采取线路集中控制、人力巡检、电脑端监控等方式，在实际应用中不能实现对路灯的精准化管理.刘凤霞等[2]提出了一种ZigBee结合通用分组无线服务（GPRS）技术的智能路灯控制系统，基于单片机，将传感器节点和物联网网关融合，实现了数据传输、电脑监控及实时查看等功能.但是这种方式需要部署网关控制路灯，成本高，组网难度高，操作、管理麻烦.王晓晖等[3]提出了一种基于远距离无线电（LoRa）技术的远距离智能照明系统，虽然解决了传输距离局限性问题，但延时较长，易受电波干扰，可靠性较差.

针对以上问题，本文作者提出了一种基于窄带物联网（NB-IoT）技术的路灯监控系统，该系统无需重新组网，射频和天线也基本都是复用，并且抗干扰性好，低功耗，低成本.通过连接华为物联网OceanConnect管理平台，连接路灯终端与监控中心，对系统内每一盏路灯进行管控、监测及故障定位，节省了运维成本，增加了经济效益，提升了路灯监控智能化管理的水平，满足了智慧城市设施智能化、治理精细化的要求.

1 基于NB-IoT技术的路灯监控系统

1.1 系统架构

NB-IoT路灯智能监控系统的组网架构图如图1所示，包括路灯终端、NB-IoT网络、OceanConnect平台和监控中心4个层次结构.

路灯终端集成了NB-IoT通信模组的单灯控制器装置.该装置包括路灯设备（内置传感器）、主控芯片、NB-IoT通信模组和电源模块.通过NB-IoT通信模组与无线网络通信，用以控制每盏路灯的开、关，以及采集路灯信息.

NB-IoT网络包括NB-IoT技术与核心网.该网络采用先进的NB-IoT低功耗广域通信技术，授权无线频谱资源，采用电信级端到端的安全技术，保障数据和接入方式的安全.

OceanConnect平台是华为的物联网管理平台.该平台拥有丰富的协议适配能力，支持海量多样化路灯设备接入，能实现不同类型路灯设备及不同监控中心的统一接入和管理，以确保互联互通.

监控中心包括手机应用程序（APP）和服务器.管理员可以通过服务器中心验证身份后，在手机APP端进行远程数据查询和监控，实现实时信息监测和存储.

1.2 NB-IoT网络

NB-IoT是一种新的窄带蜂窝通信低功耗广域网（LPWAN）技术，具有覆盖广、多连接、功耗低、成本低等特点[4].其与LoRa及ZigBee技术的性能特点对比如表1所示.

2 NB-IoT端到端集成开发

2.1 硬件结构设计

NB-IoT路灯监控系统的路灯终端由主控芯片（STM32L431 RCT6）、NB-IoT通信模组（BC35-G）、光照传感器（BH1750）、温湿度传感器（DHT11）、全球定位系统（GPS）传感器，以及电源模块构成，组成结构如图2所示.

2.2 软件设计

2.2.1 数据通信协议选择

路灯终端和OceanConnect平台之间采用受限制的应用协议 （CoAP）[8]，该协议是一种应用层通信协议，遵循客户端/服务器（C/S）架构，基于UDP传输，无需建立三次握手，即可接入互联网.协议最小数据包仅为4 B，可满足现在微型机之间的通信需求.

图1所示系统中，OceanConnect平台和监控中心之间的数据通信协议采用的是超文本传输协议（HTTP）[8]，该协议是一种应用层通信协议，包含命令和传输信息，遵循C/S架构，可以用于因特网应用系统之间的通信，从而实现各类应用资源超媒体访问的集成.

2.2.2 OceanConnect平台集成开发

在图1所示的OceanConnect平台上，通过编写profile文件来描述路灯设备的类型和服务能力，如图3所示.devicetype-capability.json程序描述的是路灯设备的能力特征，包括厂商（manufacturerName）、型号（model）、协议类型（protocolType）、设备类型（deviceType）以及提供的服务类型（serviceTypeCapabilities），servicetype-capability.json程序还提供了路灯设备的温度（Temperature）、湿度（Humidity）、光照强度（Light）、经度（Longitude）及纬度（Latitude）等服务类型的具体信息.

编写对应profile文件的编解码插件后，OceanConnect平台负责调用该编解码插件，实现二进制消息转json格式的功能，从而完成路灯终端和OceanConnect平台之间数据上报和命令下发的双向通信，对路灯设备进行高效、可视化的管理.

2.3 系统上下行消息传递流程

在上行方向上，先采集路灯设备数据，将数据按自定义规则进行编码，并通过串口以AT命令形式发送已编码的数据给NB-IoT通信模组.NB-IoT通信模组接收到AT命令后，自动将命令封装为CoAP协议的消息，并发送给配置好的OceanConnect平台.OceanConnect平台收到数据后，自动解析CoAP协议包，根据路灯设备profile文件，找到匹配的编解码插件，将数据解析为与路灯设备profile中匹配的json数据，并存于OceanConnect平台.最后，监控中心通过数据查询接口（RESTful）获取OceanConnect平台上的数据.

在下行方向上，监控中心先调用RESTful接口向OceanConnect平台发送异步命令（json数据）.如果OceanConnect平台判断路灯设备在线，则立即下发命令;若路灯设备离线，则将命令缓存于OceanConnect平台的数据库中.然后，路灯设备在某时刻上报数据，OceanConnect平台收到数据后，检索对应路灯设备在数据库中是否存在有效而未下发的命令，如有，则下发该命令.最后，命令通过编解码插件进行编码，并被发送到路灯设备，路灯设备收到命令，执行命令，并返回执行结果至OceanConnect平台.根据命令执行结果，OceanConnect平台修改对应的命令状态.

3 实验结果

3.1 系统搭建

把光照、温湿度、GPS传感器等模块与主板相连，通过USB或者3.7 V锂电池给主板供电，然后采用串口调试工具QCOM，设置比特率为9600 bit·s-1，将路灯终端与OceanConnect平台进行绑定，如图4，5所示.本实验基于EVB_M1开发板和传感器，测试模拟2个路灯设备，LED 2为主路灯，LED 1为辅道灯，F1，F2，F3，F4为控制LED 1路灯的4个手动开关.

3.2 数据上传下发测试

设置LED 2固定开灯时间为当天18：00至次日早晨06：30.当监测的光照强度达到阈值时，通过OceanConnect平台或者监控中心及时下发命令，根据“夏季早上可适当提前关灯，冬季早上应适当延后关灯”“主路灯亮”“开关辅道灯”等控制方式，在保证照明质量的前提下进行灵活的单灯节能调控，有效降低路灯照明用电量，实现节能减排.

在不同光照强度的环境下，路灯终端实时向OceanConnect平台上传数据.依照设定好的协议，OceanConnect平台将收到的数据解析并显示.

命令下发测试与数据上传测试保持相同条件，由OceanConnect平台向路灯终端发送开灯、关灯指令.如图6所示，显示命令已成功送达，从第二个大括号开始，“ON”“OFF”分别代表开、关LED 2主路灯，“LED_ON”“LED_OFF”分别代表开、关LED 1辅道灯.

3.3 APP功能实现

手机APP通过蓝牙、WiFi等无线技术实现对路灯的远程监控.通过OceanConnect平台的RESTFUL_API接口进行数据提取和命令下发，实现对路燈的监测、控制和数据的上传下发，如图7所示.通过借助GPS传感器和分析OceanConnect平台的设备记录日志，可对路灯故障进行精准定位，指导运维人员定向维修，改变以前主要依靠人工巡检、热线报修的运维方式，实现了精细化管理.

4 结 论

设计了一种基于NB-IoT技术的路灯监控系统，实现了对路灯所处环境的温度、湿度、光照强度及经纬度等状态信息的实时采集，并通过NB-IoT网络远程将信息传输到监控中心的手机APP端，从而为用户提供路灯工作状态的远程网络监控服务，便于用户及时获知路灯感知信息，并进行相关任务的部署.通过路灯的温度信息，可预测路灯的使用寿命;通过路灯环境湿度的数据，可提供灯具ingress protection（IP）防水等级的优化设计;通过光照、GPS传感器的检测数据，可实现对路灯的开关控制及故障定位.还可通过多种传感器的数据采集、上报及存储，对周围环境的温度、湿度、光照强度等因素进行在线环境质量监测.

本文作者主要研究了光照强度值对于路灯监控系统的影响，但没有结合考虑红外线条件等其他因素，NB-IoT自身具有低功耗特性，但本研究所采用的开发板存在功耗偏高问题，这些都有待进一步的研究和改进.

参考文献：

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（责任编辑：包震宇，顾浩然）