路灯智能控制与管理系统

李成竹

（北京创安利市政建设（集团）有限责任公司，北京 100012）

0 引 言

城市道路照明是方便城市居民出行活动的必备条件，近年来全国大中城市格外重视道路照明和夜景照明工作。随着LED灯、电力电子、无线通讯等技术的不断发展，路灯照明系统在节能环保、形象美观、智能控制等方面的要求不断提升，并且路灯亮化作为城市形象工程的重要组成部分越来越受政府重视，不断有大量的资金投入，进行建设和改造，使得城市变得更加智能化以及绚丽多彩。但相关问题也随之而来，能耗不断攀升、维护工作量不断加大、维修成本增加、光污染严重等，这是当前碳中和下亟需解决的问题之一。

1 系统硬件设计

智能路灯控制系统能够在低功耗的情况下根据环境自动光照调节，以及方便用户对路灯系统的实时控制。本系统总体设计框架由感知层、通信层、服务层以及应用层组成。感知层通过传感器、核心控制器等实现对路灯终端的实时控制；通信层主要是窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IOT）模块与NB-IoT基站组成实现数据的采集上传；服务层由服务器组成，负责数据的接收和处理；应用层为客户端，用户通过监控平台或应用APP实现对路灯系统的远程监控[1]。

基于NB-IoT的低功耗智能路灯控制系统功能主要包含：路灯实时监控，可实现路灯分时控制、自动调光、经纬自动控制等；电子地图路灯节点定位，每一个路灯节点显示于监控系统电子地图内，便于维修人员快速定位故障路灯位置；此外还可实现路灯节点的工作状态、电压、电流、功率等数据的采集监控。基于以上功能，路灯控制终端节点硬件由ATMEGA32主控器、NB-IoT无线通信模块、光照传感器以及电能监测模块等组成。

1.1 NB-IoT无线通信模块

当前NB-IoT应用中BC95和BC35-G通信模组使用较多，其中BC35-G为BC95增强型产品，优化了定位、移动性、功耗、数据传输速率等模组性能，具有高性能、低功耗、体积小、价格低廉等特点，其尺寸大小为23.6 mm×19.9 mm×2.2 mm，仅相当于一枚硬币大小，广泛应用于尺寸要求小的终端产品之中，因此在此选用BC35-G通信模组[2]。

路灯节点无线传输方式由NB-IoT网络与NB-IoT模块进行无线通信，NB-IoT模块将主控芯片采集到的路灯数据信息上传到NB-IoT基站，用户调用基站数据应用于监控平台，实现路灯节点数据的实时监控。此外NB-IoT模块接收用户通过Intenet发送来的控制命令实现对路灯的开关控制、光亮调节等[3]。

1.2 ATMEGA32主控制器

路灯控制器需要具有低成本、低功耗以及实用性等功能，本系统中主控器选用超低功耗微控制器ATMEGA32单片机作为系统的核心控制器。该控制器是集成足够应用于路灯控制的存储器和硬件接口电路，是一款基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，具有2kB的SRAM与32kB的FlashROM，工作频率达到1MIPS，拥有4路PWM通道以及8路A/D转换通道。该控制器在空闲模式下CPU停止工作，而USART、两线接口、A/D转换器、SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统将继续工作，非常适用于路灯控制系统，具有显著的高可靠性、低功耗以及成本低等特点。

2 NB-IoT路灯终端监控平台设计

2.1 单灯控制器程序开发

单灯控制器的核心控制器ATMEGA32具有6个可以通过软件进行选择的省电模式，用户可以根据系统的不同工作状态、不同的工作时间节点选择不同的工作模式，从而实现系统的低功耗应用，亦可以通过编写相关的功能代码来降低系统的功耗。本系统中使用ATMEGA32和Keil4开发工具对核心控制器进行开发，ATMEGA32负责对控制器的晶振、定时器、串口、PWM以及ADC接口等GPIO底层进行配置，利用Keil4软件进行控制器的程序编写，包括物联网通信功能、光照亮度监测、节点能耗检测、路灯节点定位以及硬件基础底层配置等[4]。

2.2 物联网开发平台设计

NB-IoT物联网开发平台可以为支持用户实现终端应用的快速接入提供开放的API接口，用户可以在统一安全的环境下轻松地实现各种终端的接入、数据的采集分析等。该系统选用中国移动OneNET开放平台，OneNET平台除了支持多样化终端设备接入、具备丰富的协议适配能力之外还可进行数据存储、数据显示、数据分析、历史查询等功能，是一个安全、稳定并可快速搭建物联网应用与硬件设备的平台。

2.3 OneNET平台云端部署

OneNET云端搭建IoT平台，通过在OneNET平台注册账号后进入开发者中心进行产品的创建，产品的创建包括产品名称、产品的所属行业等信息，以及技术参数的设置，包括操作系统、设备接入协议等，在此选择MQTT协议，此时创建了上传数据的条件，拥有了设备ID和APIKey。之后采用SOCKET通信方式，向云平台发送HTTP协议的数据上传报文实现数据上传和接收[5]。

2.4 OneNET应用设计

OneNET设备云平台具备API调用和数据推送功能，可支持第三方应用开发设计。在此为缩短设备开发周期，直接采用OneNET提供的应用管理功能进行应用设计。选择在手机页面的编辑区对应用界面进行开发，开发完成后即可下载设备云APP，实现手机端的实时监控。此外还添加了触发器功能，对每个数据流都进行警报功能设计。当设备监测到异常数据并上传云端时会触发警报，设备云平台会将包含有异常数据流与设备的信息发送至用户，用以提醒用户设备异常。在应用界面用户可以通过数据流切换功能切换到其他设备，实现所有设备的实时监测[6]。

3 应用APP开发

为方便实时监控，系统配置手机监控端APP，通过手机端可以实现对路灯节点的实时监控，方便用户对路灯系统的维护与保养，实现管理更加便捷和智能。路灯监控APP的主要功能包含：路灯的实时控制、路灯光亮度调节、路灯的位置信息、路灯的故障报警，同时可以通过设备信息界面进行控制系统时间校准、电参数校准以及针对节假日设定特殊开关时间等。APP使用java语言进行开发，开发环境为AndroidStudio3.0，JDK8.0，使用HTML搭配CSS技术设计美观的用户界面，采用第三方高德地图SDK进行路灯位置定位开发，数据采集方面采用HTTP和OkHttp3协议实现了数据的完整性和实时性[7]。

4 节能测试效果

测试过程使用的设备包括一台配备测试APP的手机终端和PC软件监控端，采用4套单灯控制器实现4盏路灯的控制。

4.1 应用APP监控效果

通过应用APP监控端可以实现对灯具的实时控制、定时控制、自动控制等，并可以通过传感器监测灯光周围环境，从而实现灯具的实时监控、自动上报灯具故障、自动调光等功能，节约了照明资源、降低了管理维护成本，提高了路灯监控系统智能化的管理水平[8]。

4.2 PC端监控效果

PC端监控软件亦可实现APP监控所有功能，在经过用户登录信息验证成功后，系统启动首先进入的就是控制中心的主界面，通过监控界面可以监测灯具的各种状态信息[9]。

4.3 节能效果测算

对4盏试验灯具进行终端能耗策略，依据输出功率测量值，在半节能方式（50%额定功率）下对实验灯实测功率约为非节能方式（正常输出额定功率）下的54%，在忽略电量测量计算误差的情况下，理论上使用半节能方式的路灯节能率约为46%，节能效果显著[10]。

5 结 论

本文基于NB-IoT技术设计单灯控制器并结合系统低功耗优化设计实现了灯具的实时控制，通过监控终端可实现手动远程控制、系统自动控制、故障报警以及环境监测等功能，达到了实时监控、方便管理的效果，同时还具备了根据时间节点、车流量等不同环境下自动调光功能。根据灯具终端功耗测算较全功率工作情况下可节约46%能耗，节能效果理想，在碳中和背景下具有实际的应用价值。