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基于NB-IoT的路灯智能监控系统设计
摘要：本论文针对传统城市照明系统在实际应用中存在的路灯集中控制不方便、信息监控不及时、人工检测方法效率低等问题，提出了一种基于窄带物联网技术的路灯监控系统的设计方案。该方案采用stm32l431rct6芯片作为主控芯片，NB-IoT模块作为通信模块。接入华为物联网管理平台，在应用端开发应用程序，对路灯进行远程实时监控。实验结果表明，该系统实现了路灯的实时监控和智能控制。
I．引言
现代是人工智能的时代。人工智能已经渗透到人们生产生活的每一个角落。显然，与智能城市密切相关的路灯管理系统也不例外。传统的手动开启路灯和检查路灯的方式已经不能满足现代社会的要求。我们迫切需要将物联网技术与路灯管理系统相连接。城市路灯的管理对高数据传输速率的要求较低，操作也不复杂，但路灯的范围广、数量多、通信数据量大。这就需要一种低成本、宽覆盖、大容量、可靠传输的通信技术。窄带物联网NB-IoT技术很好地满足了这些要求。
本文设计了一种基于NB-IoT技术的路灯监控系统。实验表明，该系统能够实时监测环境亮度，并根据环境亮度自动控制路灯的启闭。显然，也可以通过应用程序进行手动遥控。并能记录所有与路灯有关的历史数据。
II. 路灯监控系统的设计
NB-IoT路灯智能监控系统网络架构图如图1所示，包括路灯终端、窄带物联网、华为管理平台（OceanConnect）和监控中心四个层次结构。
图1.路灯监控系统网络架构图
路灯终端将单个灯控制器设备与NB-IoT通信模块集成。该装置包括路灯设备（内置传感器）、主控芯片、NB-IoT通信模块和电源模块。通过NB-IoT通信模块与无线网络进行通信，控制每个路灯的开关，采集路灯信息。NB-IoT网络包括NB-IoT技术和核心网络。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，采用载波级端到端安全技术，保证数据和接入方式的安全。OceanConnect平台是华为的物联网管理平台。平台具有丰富的协议适配能力，支持大规模多样化的路灯设备接入，可实现不同类型路灯设备和不同监控中心的统一接入和管理，确保互联互通。监控中心包括应用程序和服务器。管理员通过服务器中心验证身份后，可以在应用端进行远程数据查询和监控，实现信息的实时监控和存储。
NB-IoT路灯监控系统的路灯终端由主控芯片STM32L431RCT6、NB-IoT通信模块BC35-G、光传感器BH1750、温湿度传感器DHT11、全球定位系统GPS传感器和电源模块组成，该系统的设计框图如图2所示。
图2.路灯监控系统终端结构框图
在图2中，光、温度、湿度和GPS等传感器可以实时收集光强度、温度、湿度和经纬度等数据。主控芯片通过串行通信将数据传输到NB-IoT通信模块，然后通过NB-IoT网络进行传输。去监控中心。同时通过NB-IoT通信模块的信号接收设备接收监控中心发出的指令，对路灯的运行状态进行监控。每个路灯终端都有唯一的通用身份识别模块，监控中心可以对每个路灯进行识别，从而实现单灯控制。此外，还可以扩展传感器功能，对路灯周围的环境信息进行监测，并将信息反馈给监控中心。监控中心可以根据数据信息对周围环境状况进行有效的分析和监控。
III．NB-IoT窄带物联网
NB-IoT是一种新型的窄带蜂窝通信低功耗广域网（LPWAN）技术，具有覆盖范围广、连接多、功耗低、成本低等特点。
NB-IoT使用授权频谱，通过独立模式、保护带模式和带内模式灵活部署。对于独立模式，NB IoT信号使用200kHz的独立窄带频谱。对于保护带模式，NB-IoT位于LTE载波的保护带中，不分配LTE资源并且避免可能的干扰。对于带内模式，NB-IoT位于共享LTE资源的LTE载波中。图3显示了三种操作模式的NB-IoT传输带宽配置。
图3.NB-IoT三种运营模式
独立模式是实际基站中最常用的工作方式。图4显示出了由实际基站发送的NB-IoT信号的频谱。在图中我们可以看到，NB-IoT信号在879.6MHz的频率下占据200kHz的带宽。
图4.NB-IoT信号的频谱
对于NB-IoT下行信道，有三个物理信道和两个物理信号。
三个物理信道是：NPBCH，窄带物理广播信道；NPDCCH，窄带物理下行链路控制信道；NPDSCH，窄带物理下行链路共享信道。
两个物理信号是NRS，窄带参考信号；NPSS和NSSS，一次和二次同步信号。NPBCH、NPDCCH和NPDSCH都使用QPSK调制方案。NPS和NSS使用Z-Chu调制。图5显示了NPSS信号的星座。
图5.NPSS星座
在同一频段内，NB-IoT的增益比GPRS网络高20dB，可以实现路灯监控的无缝覆盖。NB IoT可以在单个小区中支持50000到100000个连接。路灯终端数据传输速率低，对网络延时不敏感，可同时可靠连接更多路灯设备。NB IoT采用节电模式（PSM）和扩展不连续接收（eDRX）来降低路灯终端的功耗，并提供更长的待机和工作时间。NB-IoT的低带宽、低速率、低功耗带来了低成本的优势。基于以上特点，NB-IoT能够满足路灯实时监控的需要。例如，表1显示了LoRa和ZigBee技术的性能特征。
表1.主流物联网技术比较
|
索引 |
窄带物联网 |
劳拉 |
紫蜂 |
|
光谱 特点 |
经授权的 |
未经授权 |
未经授权 |
|
通信距离（km） |
15 |
15~20 |
0.01~0.1 |
|
传输速率（kbit/s） |
160~250 |
0.3~50 |
lt;250 |
|
组网方式 |
基于现有蜂窝网络 |
基于LoRa网关 |
基于ZigBee网关 |
|
成本（美元） |
lt;5 |
asymp;5 |
1~2 |
|
典型应用 |
水表、车联网、路灯等。 |
智慧农业、物流跟踪 |
智能家居 |
IV．硬件解决方案
系统主控芯片选用STM32L431RCT6。MCU开发板具有80MHz的工作频率、256k的Flash和64KB的SRAM，具有3个UART通用接口、2个SPI和I2C通用接口和1个ADC转换接口。最小系统的原理图如图6所示。系统的电源电压为3.3V，有64个引脚。单片机主板采用的外围接口有：4线SPI接口、SDMMC接口、QSPI接口、UART接口和几种GPIO配置。
图6.最小系统原理图
通信模块在数据传输过程中起着至关重要的作用，是数据传输和信息交互的桥梁。本设计采用了NB35-A通信模块。系统使用NB-IoT通过本系统的通信扩展板进行数据传输。扩展板的板载通信模块BC35-G采用华为海思Boudica150系列，支持多种物联网通信协议。通信模块的物理图和原理图如图7所示。
- 物理图 （b）原理图
图7.通信模块
本设计的传感器部分采用了BH1750光传感器与发光二极管相结合的集成电路板。BH1750是一种用于二线制串行总线接口的数字光强集成电路。可以检测到大范围的光强度变化（1lx-65535lx）。其特点是可控性强，支持I2C总线接口，光谱灵敏度特性接近视觉灵敏度，输出亮度对应的数字值，支持1.8V逻辑输入接口，对光源依赖性弱，最小误差变化约plusmn;20%。该部分的物理图和原理图如图8所示。
（a）物理图 （b）原理图
图8.传感器模块
V．软件设计
本设计的实现主要是通过软硬件对设备进行云控制，并在物联网云平台上对设备进行控制。软件主要是驱动光传感器驱动I2C驱动光强度数值转换的算法程序的开发和计算以及通信接口初始化、时钟初始化、通信模块使用UART和AT命令进行设备网络配置和云操作等在命令调用代码开发，和云平台通信程序开发，最后重点开发了LED灯驱动程序。物联网平台也需要平台开发和应用开发。物联网平台的开发主要是定义设备配置文件和编解码器插件操作。应用开发可以使用华为物联网助推器进行应用软件的可视化开发。此外，还编写了一个应用程序，可以在监控终端上进行可视化操作。经过联合调试，各软硬件模块可以完成相应的功能。
路灯终端和OceanConnect平台之间使用有限应用协议（CoAP）。该协议是应用层通信协议，遵循客户机/服务器（C/S）体系结构，基于UDP传输，不需要建立三次握手接入Internet。该协议的最小数据包仅为4B，可以满足微机间的通信要求。OceanConnect平台与监控中心之间的数据通信协议采用超文本传输协议（HTTP），它是一种包含命令和传输信息的应用层通信协议，遵循C/S架构，可用于Internet应用系统之间的通信，因此从而实现对各种应用资源的超媒体访问的集成。
数据采集终端的主要功能主要是进行硬件初始化：LED对应的GPIO初始化、BH1750光传感器对应的IIC初始化、串口打印与NB IoT模块通信对应的UART初始化、屏幕显示等SPI初始化，Lite操作系统内核初始化、任务初始化和启动任务调度、Lite操作系统开始执行工作等。
应用程序主要在OceanConnect平台上完成，概要文件用于描述路灯设备的类型和服务能力。概要文件是一个json格式的程序。该程序描述路灯设备的功能，包括制造商（制造商名称）、型号（模型）、协议类型（协议类型）、设备类型（设备类型）和提供的服务。温度、湿度、光照、经度和纬度服务特定信息。profile文件对应的编解码器插件编写完成后，OceanConnect平台负责调用编解码器插件，实现将二进制消息转换为json格式的功能，从而完成路灯终端与OceanConnect平台之间的数据上报和命令传递的双向通信。进行有效的可视化管理。OceanConnect平台的运行背景如图9所示。
图9.华为管理平台（OceanConnect平台）
在上行方向，首先采集路灯设备的数据，根据自定义规则对数据进行编码，编码后的数据通过串口以AT命令的形式发送给NB-IoT通信模块。在接收到AT命令后，NB-IoT通信模块自动将该命令封装为CoAP协议的消息，并将其发送到配置的OceanConnect平台。接收到数据后，OceanConnect平台自动解析CoAP协议包，根据路灯设备配置文件找到匹配的编解码器插件，将数据解析成与路灯设备配置文件匹配的json数据，存储在OceanConnect平台上。最后，监控中心通过数据查询接口（RESTful）在OceanConnect平台上获取数据。
在下行方向，监控中心首先调用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，则立即发出命令；如果路灯设备离线，则将命令缓存在OceanConnect平台的数据库中。然后，路灯设备在某一时刻上报数据。OceanConnect平台接收到数据后，检索对应路灯设备在数据库中是否有有效但未发布的命令。最后，该命令由编解码器插件编码并发送到路灯设备。路灯设备接收命令，执行命令，并将执行结果返回给OceanConnect平台。OceanConnect平台根据命令执行结果修改相应的命令状态。
除了手动发送路灯开关命令外，还可以在OceanConnect
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