冯志斌，江华丽

（1.闽南科技学院，福建 泉州 362332； 2.厦门理工学院 光电与通信工程学院，福建 厦门 361024）

1 引言

路灯是城市道路亮化工程和新农村建设的基础设施，传统的路灯存在布线复杂，能源浪费及难以维护和管理等诸多问题[1-3]。随着新能源技术的发展，太阳能LED路灯以其免布线、安装灵活、节能、环保等优点得到了广泛的应用。但灵活的安装方式也使得太阳能LED路灯的维护和管理增加了难度[4-5]。

近年来，物联网技术在各行业都得到了广泛的应用，已有万物互联的趋势，其中低功耗广域网（LPWAN）技术[6]是近年来国际上一项物联网接入的革命性技术，该技术具有远距离、低功耗、低运维等特点，在低比特率远距离通信中得到了广泛关注，与现有的WiFi、蓝牙、ZigBee等技术相比，具有更广阔的发展和覆盖率。当前市场常用的LPWAN技术有LoRa、SigFox和NB-IoT等技术，其中LoRa[7]和SigFox[8]技术采用免授权频谱通信，同频信号干扰大，且需要自建基站以接入以太网，因而成本高，覆盖率受限；而NB-IoT技术[9]采用现有的移动通信网络实现通信传输，虽要收取少量的费用，但不需要自建基站和运维网络，综合考虑，NB-IoT技术更有优势。2017年6月6日，国家工业与信息化部下发的《关于全面推进移动物联网建设发展的通知》[10]中明确了建设和发展NB-IoT网络的意义和战略部署。

针对上述问题，本文研制了一种抗干扰能力强、功耗低、可靠性高的基于NB-IoT技术的太阳能LED路灯监控系统，系统可实现对系统内每一盏路灯进行单独控制，并及时将每盏路灯状态信息上传至云服务器，用户可通过网页和微信小程序访问云服务器进行查阅，使管理和维护更加便捷，节约运营成本，也提高了工作效率。

2 系统总体设计

基于NB-IoT物联网技术的太阳能LED路灯监控系统总体架构可分为感知层、网络层和应用层[11]，如图1所示。

图1 太阳能LED路灯监控系统架构图

感知层由安装于太阳能LED路灯上的传感器和NB-IoT无线通信终端组成，可实现路灯参数的采集和路灯状态的监控。网络层由传输层和平台层组成，传输层采用NB-IoT无线通信技术实现太阳能路灯的联网，将感知层采集的信息传递给NB-IoT基站，平台层采用电信IoT平台，虽然在IP访问上有所限制，但覆盖面广，规模大，网络质量更稳定，确保设备的互联互通。应用层即为客户端，包括微信小程序和PC端网页界面，用户可通过客户端实时查看路灯状态和相关参数，或操控路灯状态。

本系统通过路灯上的传感器对温度、湿度、光照度、路灯状态等参数进行采集，定时唤醒NB-IoT模块对采集数据进行接收和转换，并将数据利用NB-IoT无线通信技术上传至云服务器，用户可以通过微信小程序和PC端网页界面访问云服务器监控路灯参数和状态。

3 系统监控终端硬件设计

系统监控终端硬件由微处理器模块、LED光源、温湿度传感器模块、光照度传感器模块、电压与电流检测模块、故障检测模块、NB-IoT通信模块和电源模块组成，设计框图如图2所示。系统可实时采集路灯的电压、电流、温度、湿度和光照度等环境参数，监测参数可以通过NB-IoT通信模块定时上传至云平台，并根据环境参数调节LED驱动模块控制灯的状态，终端设有故障检测电路，当系统过热、过流或短路时，能够自我保护，并通过NB-IoT通信模块上报故障信息，而当故障解除时，又能自动恢复；电源采用锂电池供电，由太阳能电池板充电。

图2 监控终端硬件设计框图

3.1 核心芯片的选择

系统终端采用STM32F103RCT6为主控芯片，是一款基于CortexTM-M3内核设计的32位微处理器（单片机），工作频率可达72MHz，片内集成256K FLASH和48KSRAM存储器，还具有多个12位A/D转换器、PWM定时器、SPI和USART等资源，满足系统设计需求。NB-IoT模块选用稳恒电子公司的WH-NB73物联网模块，为海思Hi2115芯片方案，采用UART串行通信方式连接，AT指令操控，支持UDP （User Datagram Protocol）、CoAP（Constrained Application Protocol）、TCP （Transmission Control Protocol）等多种协议通信，支持国内三大运营商的物联网云平台。

3.2 终端硬件电路的设计

系统硬件检测电路包括温度、湿度、位置信息、光照度、电压与电流等参数检测和故障检测电路。选用DHT11温湿度传感器采集温度和湿度，采用单总线串行通信方式与微处理器IO口连接；位置信息的采集选用中科微ATGM332D卫星导航模块，与微处理器采用USART串行通信方式连接；光照度采集选用有集成运算放大器的OPT101光照度传感器，其输出端与微处理器ADC外设接口连接；电压检测选用两高精度定值电阻，经串联分压后，结点与微处理器ADC外设接口连接；电流检测选用10mΩ康铜电阻实现电流采样，经LM358构造的差分放大电路后接入微处理器ADC外设接口；故障检测电路则在检测电路的基础上接入电压比较器，一旦电路发生故障则停止输出，同时电压比较电路将故障信息发送至微处理器。电源由80NF70场效应管构造的功率传输电路，微处理器根据光照检测电路和电流检测电路的测量参数调控输出PWM的占空比，实现数控光源的功率输出。

4 系统软件设计

4.1 主程序设计

系统上电后，首先对微处理器及外设资源、传感器和NB-IoT模块等进行初始化操作，然后开启定时器中断和串口中断。系统实时对路灯数据进行采集，若数据正常，则定时通过串口发送数据至NB-IoT模块；若数据异常，则立即通过串口发送数据至NB-IoT模块。NB-IoT模块按照设定通信协议将数据经基站上传至云平台，云平台也可以通过通信协议下发控制信号至路灯终端设备，串口接收后经微处理器解析后调控终端设备。路灯终端主流程图如图3所示。

图3 路灯终端主流程图

4.2 数据采集与传输程序设计

路灯参数为模拟信号，通过微处理器AD采集其离散值，为避免采集数据在小范围的扰动，每采集50个离散点进行计算，取其平均值，并分成3个数据包分时发送，其中温湿度、光照度、电压、电流等参数为一个数据包，定位信息为一个数据包，故障信息为一个数据包。

WH-NB73模块可通过多种协议联网，系统选用CoAP协议将数据发送至电信云平台，选择CoAP透传模式，该模式是一种固定的收发机制，可避免频繁地操作AT指令，只需简单配置服务器地址和端口号，即可实现NB-IoT模块与电信云平台的链接和数据的互传；再通过HTTP协议实现电信云平台与客户端（PC端网页和微信小程序）之间数据和命令的互传。数据和命令传输采用工业中常用的ModbusRTU协议，数据格式为16进制HEX格式，信息传输为异步方式，以字节为单位，分为独立的信息头，数据编码和CRC校验码。信息头用于区分信息的来源和作用，数据编码为实际的数据或执行的动作信息，支持多个数据打包同时发送，CRC校验是为了避免数据在传输过程中出错，保障数据的准确性。温湿度等数据发送代码如下：

4.3 客户端程序设计

客户端在有人穿透云平台的开源服务中根据实际需求进行二次开发，以缩短开发周期。登入并注册平台账户后，根据平台标准进行创建项目和添加设备，包括填写设备名称、位置信息、SN码和IMEI码；依照数据协议添加数据流，客户端即可在相应位置查看上传数据。

5 系统调试

5.1 定位调试

ATGM332D模块是一款中国北斗卫星导航系统（BDS）+美国GPS双模定位模块，定位精度可达2m范围内。系统选用北斗（BDS）技术获取位置的经纬度信息，单片机通过ModbusRTU协议将信息传递给NB模块，NB模块再将信息上传至云端，应用层PC端网页界面内嵌百度地图，使得路灯位置信息能够在地图上直观展示，以便于客户的管理、维护，如图4所示。

图4 位置定位图

5.2 数据传输调试

NB-IoT模块与云平台连接成功后，即可实现数据的互传。感知层终端硬件采集电压、电流、光照度、温湿度等信息后，通过单片机串口以Modbus RTU协议将数据传递给NB-IoT模块，串口波特率设置为9600bit/s，NB-IoT模块可自动上传相关数据至云服务器。应用层的PC端网页和微信小程序可通过HTTP协议访问云服务器，从而查阅终端上传的数据和路灯设备的状态，如图5所示为应用层数据显示效果图。

图5 应用层数据显示效果图

6 结语

本文依据智慧城市的发展和新农村建设的需求，研制了一种基于窄带物联网技术的LED路灯监控系统，实现了路灯所处环境参数和路灯状态的监控。系统采用电信云平台的NB-IoT无线通信技术，可广泛地用于市郊、乡村等基础设施较弱的区域。温度和湿度的监测有利于了解路灯所处环境的气候状态，全面掌握路灯的工作状态。光照传感器的接入，与传统的太阳能电池电压检测相比，既可以与路灯构成闭环反馈，也避免了因灰尘覆盖而影响对光照强度的判断。故障检测与定位技术的结合，有利于提高路灯的维修效率。PC端和微信小程序的接入也使得运维方式更加灵活。该系统降低了路灯管理的运维成本，提升了整体的社会效益，有助于智慧城市的发展和新农村建设。