NB-IoT无线路灯控制器研究

孟志强 刘小可 周华安 童轩 郑瑶

摘   要：设计了一款高性能NB-IoT无线路灯控制器. 该路灯控制器使用M5311窄带物联网传输模块实现无线通信，使用嵌入式单片机STM8作为控制器，使用智能电量采集芯片HLW8112实时采集路灯的电压、电流、功率、电能、功率因数等电气参数，具有灯具故障诊断与报警、灯具远程或本地渐变与瞬时调光、灯具电源开关控制等功能. 分析与设计了路灯控制器的M5311与CPU接口电路、D/A调光电路、电气参数采集电路、主程序、定时器中断服务子程序、联网服务子程序、指令解析子程序、故障诊断子程序、路灯控制器与远程控制平台的通信协议. 路灯控制器测试平台的实验结果验证了NB-IoT无线路灯控制器的功能与性能，满足现代城市路灯智能控制的要求.

关键词：物联网;控制系统;无线网络;路灯控制器;调光

中图分类号：TM923                               文献标志码：A

Research on Wireless Street Lamp Controller Based on NB-IoT

MENG Zhiqiang1，LIU Xiaoke1†，ZHOU Huaan2，TONG Xuan1，ZHENG Yao1

（1. College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China;

2. College of Mechanical and Vehicle Engineering，Hunan University，Changsha  410082，China）

Abstract：A high-performance Narrow Band Internet of Things （NB-IoT） wireless street lamp controller is designed in this article. The wireless communication module of this street lamp controller is achieved by using the NB-IoT transmission module M5311， and the embedded single-chip STM8 is taken as the controller. Electrical parameters such as voltage， current， power， electrical energy， and power factor of street lamps can be measured in real time by the intelligent electrical energy collection chip HLW8112 in the designed street lamp controller， which has the functions of lamp fault diagnosis and alarm， remote or local gradation and instant dimming of lamps， power switch control and so on. The interface circuit between M5311 and CPU， D/A dimming circuit and electrical parameters acquisition circuit of wireless street lamp controller， the main program， timer interrupt service subroutine， networking service subroutine， instruction analysis subroutine， fault diagnosis subroutine of the control program and communication protocol between street lamp controller and remote control platform are analyzed and designed. The experimental results of the street lamp controller test platform verify the functions and performance of the NB-IoT wireless street lamp controller， which can meet the requirements of modern urban street lamp intelligent control.

Key words：internet of things;control systems;wireless networks;street lamp controller;dimming

隨着城市建设的高速发展，城市道路的数量及规模日益扩大，城市道路照明的能源消耗日益增多[1]. 为减少路灯照明的能源消耗，基于物联网技术的城市道路照明智能控制系统已成为一种必然，在城市道路照明建设中起着重要的作用. 在物联网城市路灯智能照明控制系统中，单灯控制器是控制并监测照明灯具的关键设备，主要的无线物联网通信方式有Zigbee、WIFI、LoRa和NB-IoT.

文献[2]设计了基于Zigbee和神经网络的照明控制系统，提升了Zigbee通信的稳定性，但Zigbee传输距离不远，易受道路障碍物的影响，且一个网络系统可控制的路灯数量较少. 文献[3]搭建了基于WIFI的路灯控制系统，其节点之间的最大通信距离为19 m，不适用于城市主要道路的照明应用. 文献[4]设计了一个基于LoRa的三级树结构智能路灯控制系统，实现了灯具有效调光和故障诊断，但需要自建基站，否则，像Zigbee网络一样易受道路障碍物的影响. 文献[5] 设计了LoRa无线照明设备测试系统，为LoRa无线路灯控制系统的建设提供了可靠的技术支持.

窄带物联网 （Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）已经由营运商建成了完全覆盖城市的无线传输网络，具有组网方便、传输距离远、功耗低等优点，用户不再需要建设基站或者网关等设施[6]. 因此，基于NB-IoT的城市路灯无线控制系统越来越受到业界和用户的青睐，也形成了许多研究成果和实用技术. 文献[7]应用NB-IoT通信实现网关与服务器间的数据交互;文献[8]通过NB-IoT技术实现路灯控制器与远程平台的通信;文献[9-10]设计的NB-IoT路灯控制器采用自动瞬时调光实现节能. 但是，很少有文献研究路灯控制器的设计技术.

本文研究与设计的NB-IoT路灯控制器可实现LED灯具电气参数的实时采集、灯具故障诊断和定位、灯具远程渐变调光与瞬时调光、灯具本地自动渐变调光与瞬时调光、灯具电源开关的远程控制和本地控制等功能，给出了路灯控制器主要硬件、控制程序和通信协议设计，实验结果验证了NB-IoT路灯控制器的有效性.

1   NB-IoT路灯控制器电路

NB-IoT路灯控制器在城市路灯控制系统中，通过NB-IoT通信接收监控平台控制命令，实现灯具用电信息采集、故障诊断、远程0～10 V或者PWM调光和电源开关控制，实时向监控平台返回灯具的电气参数、故障和运行状态等信息，实现城市路灯智能监控与管理.

NB-IoT路灯控制器电路构成如图1所示.

路灯控制器CPU（Central Processing Unit）采用STM8s003f3p6单片机，NB-IoT无线通信模块选用尺寸小、功耗低、性能优、成本低的M5311双频模组，配置SIM识别卡;复位、开机和串口电平转换电路构成STM8与M5311之间的接口电路，实现M5311的可靠复位、开机和串行通信;D/A调光模块将CPU提供的0～100%占空比可调的PWM调光信号转化为0～10 V的调光信号;继电器模块实现路灯电源的接通或关断;电量采集模块采用HLW8112电气参数采集芯片，实时采集路灯电流、电压、功率、电能以及功率因数，并通过SPI通信传输至CPU处理，实现路灯故障诊断.

1.1   M5311与CPU接口电路

M5311与STM8的接口电路如图2所示.

复位和开机电路是由STM8提供脉冲控制信号的两个三极管反相开关电路.

串口通信电路由两个射级控制三极管开关电路组成，实现STM8与M5311之间的3.3～1.8 V电平转换和数据传输. 例如，STM8按照通信规程及其波特率向M5311发送数据1时，其UART_TX引脚输出高电平1，QM1截止，使得M5311的RXD引脚被上拉为1.8 V的高电平1;STM8发送数据0时，UART_TX引脚输出电平0，QM1导通，使得M5311的RXD引脚被下拉为低电平0.

1.2   D/A调光电路

LED灯具电源一般使用0～10 V的调光控制信号调节照明亮度，而路灯控制器通过无线网络接收的调光信息是百分比数据，因此，需要用转换电路实现数字调光量到模拟调光控制信号的转换. D/A调光电路如图3所示.

PWM是STM8将百分比调光数据转换成的1 kHz、变占空比d、幅值3.3 V方波信号，三极管QD1和电压基准TLD1将PWM的幅值转化为2.5 V，RD4、CD1低通滤波电路将PWM信号转换为0 ～ 2.5 V的直流电压，经4倍运算放大器放大为0 ～ 10 V的调光信号.

1.3   电气参数采集电路

电气参数采集电路如图4所示，由电流、电压采集通道和HLW8112电气参数采集芯片构成. 电流采样使用变比n1为1 000 ∶ 1的电流互感器TQ1，RQ8为电流采样电阻;电压采样使用电阻网络和变比n2为1的电流型互感器TQ2 .

定义HLW8112芯片的电流、电压、有功功率有效值寄存器值分别为Ia、Ua、Pa，对应的有效值系数寄存器值分別为Iε、Uε、Pε . 由《HLW8112 用户手册REV 1.19》可知，电流、电压的转换系数K1、K2分别为：

K1 =        （1）

K2 =        （2）

路灯电流Iin（单位：A）、电压Uin（单位：V）、有功功率Pin（单位：W）分别为：

Iin =        （3）

Uin =        （4）

Pin =          （5）

2   NB-IoT路灯控制器程序

NB无线路灯控制器的程序有主程序、定时器中断服务子程序、串口接收中断服务子程序三部分. 主程序完成控制器的初始化、远程NB指令解析;定时器中断服务子程序完成灯具调光、开关灯控制和本地时间处理;串口接收中断服务子程序完成STM8对M5311模块数据的读取，并置串口接收指令标志位为1.

2.1   主程序

NB路灯控制器主程序流程图如图5所示. NB路灯控制器上电后，初始化串口、定时器、看门狗、M5311，使能串口接收中断;调用联网子程序进行联网操作，使能与NB-IoT基站的连接，实现与远程控制平台的通信;在看门狗循环喂狗操作中，查询串口接收指令标志位状态，若已接收到M5311的通信数据，则调用指令解析子程序并执行指令功能;根据指令功能要求向远程控制平台返回相应信息，清空串口缓存数组. 因此，联网服务子程序、指令解析子程序是主程序的重要组成部分.

2.1.1   联网服务子程序

联网服务子程序的功能是实现路灯控制器与图1所示城市路灯无线控制系统中远程控制平台之间的连接，流程图如图6所示. STM8程序控制M5311模块开机，通过串口读取并识别SIM卡卡号，通過配置M5311的频带使其快速链接到NB-IoT网络;读取NB-IoT基站的实时时间校准路灯控制器的本地时间变量;创建相应的TCP Socket，实现与路灯远程控制平台的连接，并将SIM卡号发送给远程控制平台.

2.1.2   指令解析子程序

指令解析子程序分析并执行远程控制平台指令，流程图如图7所示.

在完成接收数据CRC校验和ID号核对后，解析功能码并执行相应功能，如配置平台IP和端口、故障阈值、开关灯时间、调光时间及调光值等.

若指令为故障及电气参数采集指令，则运行故障及信息处理子程序，如图8所示. 对比实时电流与电流阈值判断故障状态. 读取HLW8112的电流寄存器值，代入式（3）计算实时电流Iin，与电流故障阈值IO比较. 若Iin < IO，则灯具发生故障.

2.2   定时器中断服务子程序

定时器设置为1 ms定时中断模式，中断服务子程序流程图如图9所示.

路灯开灯与关灯是定时进行的，且季节不同、天气状态均影响开关灯时间，车流量和人流量在夜间不同时间段的变化很大，所需要的照明亮度不同，也需要按时间进行亮度调节，故需要建立路灯控制器的本地时钟. 因此，路灯调光、开关灯控制和本地时钟均在定时器中断服务子程序中完成.

在1 ms的定时器中断服务子程序中，首先通过时钟处理子程序段建立控制器本地时钟，并在每天凌晨与NB基站进行对时. 本地时钟变量包括s（秒）、min（分钟）、h（小时）. 然后，将本地时钟变量分别与调光配置的10个时间参数比较，对应完成调光和开关灯控制.

路灯调光采用8个可配置的分时段调光策略，因此，调光和开关灯控制有10个时间点需要检测判断. 路灯控制器按照远程控制平台发送的调光配置参数：分时段调光百分比和调光时间和开关灯时刻进行调光和开关灯控制.

远程控制平台下发至路灯控制器和路灯控制器回复远程控制平台的数据格式均由功能码、ID号、数据和CRC校验组成，下发和回复指令中的数据及CRC校验部分不同，不同的功能具有不同的功能码和不同长度的数据信息. 由图8可知，NB-IoT路灯控制器共设计了8条不同的功能，每个功能对应一个通信协议. 每个NB-IoT路灯控制器的SIM卡具有唯一的卡号，可作为路灯控制器的ID识别号，长度固定为15位.

例如：故障及电气参数采集功能协议如表2所示，其功能码为0×33. 当接收到该功能码，控制器比较电气参数采集芯片采集的实时电流与设置的电流故障阈值，判断灯具是否发生故障，若发生故障，则同时将故障信息和采集到的所有电气参数回复给远程控制平台，可以实现灯具的故障定位检测.

4   实验验证

本文搭建的NB-IoT路灯控制器样机测试平台如图10所示.

路灯控制器上电后，自动打开LED灯，将调光值设置为100%;由远程控制平台依次发送50%、30%、关灯的瞬时调光值指令，使用泰克示波器实录图4中控制器的输出调光信号如图11所示，远程控制平台读取的控制器对应交流输入电流、功率曲线如图12所示.

路灯控制器未上电时，控制器输出的调光控制信号为0 V，电气参数采集芯片HLW8112不工作;路灯控制器上电后自动打开LED灯具满功率运行，然后远程控制平台依次发送50%、30%调光指令和关灯指令. 由图12可知，灯具控制器的输出调光信号依次输出10.5 V、4.7 V、2.5 V、299 mV的调光控制信号，远程控制平台采集到路灯控制器的负载电流依次为0.27 A、0.15 A、0.10 A、0 A，功率为63 W、33 W、18 W、0 W.

5   结   论

基于各种物联网技术的智能路灯控制系统已经成为现代城市道路照明的主流装备，其中，采用NB-IoT窄带物联网的系统越来越显生命力. 本文采用M5311无线传输模块、嵌入式单片机STM8、智能电量采集芯片HLW8112设计的NB-IoT路灯控制器，为NB-IoT智能路灯控制系统提供了路灯控制与管理的有效装备. 采集的灯具电流、电压、功率和功率因数等实时数据有利于城市路灯智能控制平台进行数据分析;设计的平滑与瞬时调光功能可适应不同场景的调光需求，提高了路灯控制器的灵活性;在控制器与平台断网条件下，可基于自身时钟执行本地开关控制与调光策略，实现对灯具的稳定控制. 测试实验平台的实验结果验证了NB- IoT无线路灯控制器在上电、调光值和关灯等工作状态下，均能可靠实现各种控制功能，输出的调光电压值精度满足灯具控制要求，通信可靠稳定，具有良好的应用价值.

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收稿日期：2020-11-03

基金项目：湖南省交通运输厅2019年度科技计划资助项目（201922），Hunan Transportation Department 2019 Science and Technology Program Funded Projects（201922）

作者简介：孟志强（1964—），男，湖南益阳人，湖南大学教授，博士生导师

通信联系人，E-mail：lxk13308452121@163.com