基于NB-IoT的智慧路燈控制器設計

楊立宏 袁夫全

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.02.038

收稿日期：2023-03-18

基金項目：中山火炬職業技術學院2022年度校級產學研項目（2022CXY24）

摘? 要：隨著智慧城市建設步伐的加快，各大城市必然要對城市路燈照明系統進行節能化和智能化升級。文章針對傳統路燈能耗大、人力維護成本高、智能化程度低等問題，設計一種基于NB-IoT的智慧路燈控制器。單燈控制器以微控制器STM32為控制核心，通過NB-IoT通信模組實現路燈與控制中心的組網，從而實現路燈的遠程開關及調光控制、路燈數據采集、故障定位等功能。該路燈控制器以實際LED路燈進行測試驗證，基于NB-IoT路燈控制器能夠滿足路燈照明系統的節能化和智能化以及集中管理的需求。

關鍵詞：NB-IoT；智慧路燈；調光控制；數據采集；故障定位

中圖分類號：TN929.5? ? ? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2024）02-0177-05

Design of Intelligent Streetlight Controller Based on NB-IoT

YANG Lihong， YUAN Fuquan

（Zhongshan Torch Polytechnic， Zhongshan? 528436， China）

Abstract： With the acceleration of the construction of smart cities， major cities are bound to upgrade their urban street lighting systems to energy conservation and intelligence. This paper designs an intelligent streetlight controller based on NB-IoT to address the issues of high energy consumption， high labor maintenance costs， and low level of intelligence in traditional street lights. The single light controller uses the microcontroller STM32 as the control core， and realizes the networking between the streetlights and the control center through the NB-IoT communication module， thereby achieving remote switching and dimming control of the streetlights， data collection of the streetlights， fault location and other functions. The streetlight controller has been tested and verified with actual LED streetlights. Based on NB-IoT streetlight controller， it can meet the requirements of energy-saving， intelligence， and centralized management of streetlight lighting systems.

Keywords： NB-IoT; intelligent streetlight; dimming control; data collection; fault location

0? 引? 言

目前大多數城市仍然采用傳統路燈控制系統，管理人員對轄區內的路燈進行統一管理，定時開關或者通過傳感器檢測光線亮暗自動開關路燈。這種傳統的路燈管理方式主要存在的問題是：一是能源消耗偏大，在深夜車輛和行人稀少時路燈依然全功率照明浪費了電能；二是運維效率低，路燈出現故障時不能夠被及時維修，只能是有人報修或者人工定期排查才能發現；三是控制靈活性差，不能對臨時活動的照明進行有效靈活控制，例如重大節日、舉辦大型活動等特殊情況下照明控制。隨著物聯網技術的發展，城市路燈的智能照明及集中化管理是必然發展趨勢。文獻[1]側重于通信、調光和故障檢測方面的研究，而對移動目標檢測及故障定位未有提及；文獻[2]側重于通信、故障定位方面的研究，而對故障檢測及移動目標檢測未有提及。本文為解決傳統路燈系統的弊端，研究設計一種城市智慧路燈控制器，采用NB-IoT技術和智能傳感器技術實現路燈的智能化控制。智慧路燈控制器實現實時采集LED路燈的電流、電壓等電氣參數、路燈定位和故障診斷、LED路燈的遠程開關、LED路燈遠程調光、LED路燈的本地調光等功能。本文給出了智慧路燈控制器的主要硬件設計及軟件控制流程，實驗結果驗證了NB-IoT智慧路燈的可行性。

1? NB-IoT智慧路燈系統組成

NB-IoT智慧路燈系統由感知層、網絡層和應用層組成，系統總體架構如圖1所示。

感知層是指安裝在路燈上的NB-IoT智慧路燈控制器，控制器通過多種傳感器檢測路燈狀態及周邊環境狀況，通過北斗定位模塊實現路燈定位，并對路燈進行開關及調光控制。網絡層包括NB-IoT基站和云平臺，NB-IoT基站是路燈信息傳輸的中轉站，云平臺實現數據的存儲和處理。應用層實現路燈的集中監控和管理，包括了移動設備以及監控中心。本文只研究感知層也即智慧路燈的控制器設計。

2? 智慧路燈控制器硬件組成

NB-IoT智慧路燈控制器功能包括：LED路燈電壓、電流采集，獲取路燈工作狀態；光線傳感器檢測環境亮度，以進行開關控制及調光控制；采用毫米波雷達檢測移動的車輛或人體，從而控制燈的亮度，達到節能目的；北斗定位模塊實現路燈的定位，以便于快速確定需要維修的路燈具體位置；采用NB-IoT通信實現對路燈的遠程監測和控制?；谝陨系墓δ苄枨?，NB-IoT智慧路燈系統硬件組成如圖2所示。

NB-IoT智慧路燈控制器是如圖2中的方框內部分，220 V市電經過AC-DC變換器將交流變換成路燈控制器所需的直流12 V、5 V和3.3 V；毫米波雷達采用HLR26K模塊，用于偵測移動的車輛和行人；電量采集模塊采用BL0942芯片實時采集路燈的電壓、電量及電能信息，并通過USART將采集信息輸入到STM32，以進行故障診斷和電能統計；采用北斗定位模塊ATGM336H，該模塊使用中科微第四代低功耗GNSS SOC單芯片AT6558，對路燈進行精準定位；光線傳感器采用光敏電阻檢測路燈周圍環境亮度，以控制路燈的開關及亮度；STM32輸出PWM控制LED驅動電源對LED路燈進行調光，繼電器則作為路燈的開關；NB-IoT通信模組選擇BC26，通過NB-IoT基站和云平臺進行數據收發通信。

2.1? STM32和BC26接口電路

NB-IoT模組BC26和STM32以及SIM卡的接口電路如圖3所示。RESET是BC26的復位管腳，PWRKEY是BC26的開機管腳，STM32的GPIO口通過三極管來控制這兩個管腳，STM32的PB1管腳拉高800 ms就可以讓BC26開機。

BC26和STM32通過USART進行通信，由于BC26的IO端口電平為1.8 V，STM32的GPIO端口電平為3.3 V，因此需要使用電平轉換電路進行電壓匹配。STM32發送數據到BC26時，三極管Q3的集電極經電阻R5連接到1.8 V電源，實現3.3 V到1.8 V的電平轉換；STM32接收來自BC26的數據時，三極管Q4的集電極經電阻R8連接到3.3 V電源，實現1.8 V到3.3 V的電平轉換。BC26模組和SIM卡座通過四根線連接。

2.2? 電量采集電路

路燈電量采集電路采用電流互感器對電流進行采樣，采用電壓互感器對電壓進行采樣，通過電能測量芯片BL0942獲取電流、電壓及功率值并將電量參數通過串口傳送到STM32，采集電路如圖4所示。

電流采樣使用變比Rt為1 000：1的電流互感器CT1，其中R13為負載電阻，取3.3 Ω；電壓采樣使用變比為1：1的電壓互感器PT1，其中R21為負載電阻，取24.9 Ω。根據BL0942的資料，I_RMS是電流有效值寄存器，地址為0x03；V_RMS是電壓有效值寄存器，地址為0x04；WATT是有功功率寄存器，地址為0x06。路燈實際電流值Iin計算公式如式（1）所示，單位為A，其中Vref為1.218 V。

（1）

路燈實際電壓值Vin計算公式如式（2）所示，單位為V。

（2）

路燈實際有功功率值Pin計算公式如式（3）所示，單位為W。

（3）

2.3? 車輛檢測和路燈定位電路

為了節省電能，在深夜沒有車輛和路人經過路燈時，路燈亮度需要調暗，當檢測到有車輛或者路人經過時，會自動調亮。毫米波雷達具有穿透能力強、不受煙、霧、灰塵等影響，可全天候使用，性能穩定，對于運動的人體和車輛檢測毫米波雷達是比較好的選擇。毫米波雷達是利用電磁波信號被其發射路徑上的物體阻擋繼而會發生反射，通過捕捉發射信號，來確定物體的距離、速度和角度。本文選用HLR26K毫米波雷達模塊對運動人體和車輛進行檢測，該模塊探測距離可達10 m，探測角度水平120°，刷新率100 ms，完全可以滿足測量需求，HLR26K模塊與STM32的接口電路如圖5所示。為了方便路燈檢修，每個路燈裝有北斗定位模塊，可精確定位需要維修路燈位置。本文選用GPS和北斗雙模模塊ATGM336H，該模塊基于中科微第四代低功耗SOC單芯片AT6558，支持多種衛星導航系統，其定位精度為2.5 m，可實現對路燈的精確定位，該模塊與STM32的接口電路如圖5所示。

3? NB-IoT路燈控制器程序設計

NB-IoT路燈控制器程序主要包含主程序、定時器定時中斷服務程序和串口接收中斷服務程序。主程序在初始化階段完成各個子模塊的初始化，在主循環進行各子模塊數據處理、LED調光以及NB-IoT數據發送等；定時器定時中斷服務程序主要實現子程序定時巡檢及定時任務；三個串口接收中斷服務程序分別完成NB-IoT、北斗定位、毫米波雷達數據的讀取。

3.1? 主程序設計

NB-IoT路燈控制器主程序流程圖如圖6所示。在初始化階段完成電量采集、北斗定位、光強檢測、毫米波雷達、NB-IoT聯網等部件的初始化，然后進入主循環。在主循環通過定時器定時巡檢各子模塊，到達定時時間后，進行電量采集，北斗定位坐標獲取，人體和車輛運動檢測、光強檢測，如果NB-IoT接收到數據，需要對NB-IoT的數據進行處理，數據處理完成后根據NB-IoT接收到的數據進行LED調光，最后NB-IoT發送路燈控制器采集的數據到云平臺，如此循環。

3.2? NB-IoT通信程序設計

NB-IoT通信程序包含NB-IoT聯網初始化、上行發送數據和下行接收命令程序，各部分程序流程圖如圖7所示。NB-IoT聯網初始化程序首先對BC26和STM32連接的串口2進行初始化，然后獲取BC26模塊的SIM卡卡號、連接NB-IoT網絡，如果連接成功網絡則查詢IP、IMEI等信息，最后實現OneNET云平臺注冊，完成聯網初始化。上行發送數據程序完成路燈控制器向云平臺發送數據的功能，首先開辟一段數據區用于存儲要發送的數據，接著發布消息到MQTT服務器，判斷數據發送是否準備好，如果已經準備好可以發送數據，則將要發送的數據封裝為JSON格式數據發送，如果發送成功或者超時則結束本次數據發送。下行接收命令程序完成路燈控制器接收云平臺下發的命令或數據，首先通過串口中斷接收數據并存入緩沖區，如果串口數據接收完成，則對接收的數據進行處理，從而完成一幀數據的接收處理過程。

3.3? 路燈故障診斷程序

路燈故障診斷程序用來判斷路燈是否故障，以便能夠得到及時維修，程序流程圖如圖8所示。程序首先讀取電能測量芯片BL0942的電壓、電流和功率寄存器的值，并將電流值、電壓值和功率值分別代入式（1）、式（2）和式（3）計算出實際電流值、電壓值和功率值。將路燈正常工作時的電流值、功率值的上限值和下限值作為比較用的標準值，如果實際電流值或者功率值大于上限值或者小于下限值則認為路燈故障，如果在標準值范圍內認為路燈無故障，最后上傳路燈當前狀態即可。

4? 結果分析

本文采用額定功率為150 W的LED路燈進行測試，在無行人或車輛經過路燈時，LED路燈的功率設定為額定功率的30%，進入低功耗狀態。將路燈及控制器置于8 m高位置，路燈控制器上電后，從PC端的云平臺或者移動端的APP發送路燈開和關控制命令。在路燈開啟狀態下，通過毫米波雷達自動檢測其周圍是否有行人或車輛通過，檢測到無行人或者車輛通過，開始計時，1 min后路燈自動進入到低功耗狀態，路燈變暗。人為設置路燈故障情況下，能夠將故障狀態發送到云平臺并在云平臺進行報警提示。移動端顯示的路燈狀態及位置信息如圖9所示。

5? 結? 論

基于物聯網技術的智慧路燈控制系統逐漸成為城市路燈照明控制的必然趨勢。本文研制了一種基于NB-IoT通信技術的智慧路燈控制器，依賴于毫米波雷達技術，通過檢測有無行人及車輛通過進行路燈亮度調節，節省了電能；應用北斗定位系統，準確、快速的確定故障路燈的位置，大大降低了路燈維護的時間和人力成本。路燈控制器結合云平臺的數據存儲及處理，構成完整的智慧路燈照明控制系統，該系統能夠有效節省電能，具有廣闊的應用前景。

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作者簡介：楊立宏（1980.04—），男，漢族，河北滄州人，副教授，碩士研究生，研究方向：測試計量技術。