基于NB-IoT的LED照明燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

楊佳卉，黃 浩，胡永明，顧豪爽

（湖北大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院 鐵電壓電材料與器件湖北重點實驗室，湖北 武漢 430062）

0 引 言

隨著半導(dǎo)體發(fā)光技術(shù)的高速發(fā)展，作為“第4代光源”而備受矚目的LED技術(shù)已廣泛應(yīng)用于手機屏幕背光源、交通信號燈、公共區(qū)域照明燈、汽車剎車燈等領(lǐng)域[1]。LED照明燈的使用范圍極廣，以一個城市的路燈為例，若以傳統(tǒng)的人力巡檢方式來監(jiān)控所有路燈的工作狀態(tài)，其監(jiān)管效率極低，且人力、物力、時間等綜合成本高昂[2]。

另一方面，LED照明燈的運行環(huán)境千差萬別，是否在額定工作參數(shù)條件下運行，以及運行環(huán)境中的溫度、濕度等的差異將導(dǎo)致LED照明燈的使用壽命不盡相同，若沒有長期、詳細記錄這些信息，將為燈具維護、保養(yǎng)、更換以及故障診斷等增加難度。

特別需要關(guān)注的是，對LED照明燈的故障診斷而言，在一定情況下，燈具制造廠家需要派人到現(xiàn)場進行故障分析，這樣的故障分析需耗費大量的人力、物力和時間成本，且因為歷史數(shù)據(jù)的缺失，無法保證故障診斷的精準性。另一方面，若發(fā)生了涉及用戶生命、財產(chǎn)安全的責任事故，歷史數(shù)據(jù)的缺失將無法有效開展對LED故障問題的根因分析。

隨著無線通信與遠程控制技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)已有諸如基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的LED照明控制系統(tǒng)[3]、3G技術(shù)在LED路燈照明智能監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[4]、基于GPRS的智能路燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究[5]等LED照明智能控制系統(tǒng)的文獻報道。

本文設(shè)計了一種基于NB-IoT的LED照明燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)，采用NB-IoT技術(shù)實現(xiàn)了低功耗、廣覆蓋、低資費的遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸，將LED的主要工作狀態(tài)信息發(fā)送到云端服務(wù)器，記錄并跟蹤LED的工作曲線，基于所記錄的數(shù)據(jù)可有效定位故障原因，并預(yù)測故障是否發(fā)生。

1 基于NB-IoT的LED照明燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)

基于NB-IoT的LED照明燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)由智能硬件終端、NB-IoT無線通信網(wǎng)絡(luò)以及云端服務(wù)器組成。

1.1 智能硬件終端

基于NB-IoT的LED照明燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)的智能硬件終端由信息采集模塊、主控芯片、NB-IoT通信模塊以及電源模塊構(gòu)成。硬件終端的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集模塊用于感知信息，并將感知到的信息發(fā)送給主控芯片。數(shù)據(jù)采集模塊包含了電流、電壓、溫度、濕度傳感器，且可拓展其他類型的傳感器。這些傳感器負責采集LED的電流、電壓以及所處環(huán)境的溫度、濕度信息，隨后傳送到主控芯片。

主控芯片具有數(shù)據(jù)處理和設(shè)備控制功能，用于對感知信息的處理和對電源模塊以及NB-IoT通信模塊的工作狀態(tài)控制。主控芯片將數(shù)據(jù)采集模塊中采集到的信息以一定的幀格式通過NB-IoT通信模塊發(fā)送到云端服務(wù)器。

通過NB-IoT通信模塊可實現(xiàn)終端與云服務(wù)器之間的互聯(lián)互通。其與主控芯片之間使用串口連接，雙向通信速率自適應(yīng)可調(diào)[6]。

電源模塊為這些硬件提供能源支撐。電源模塊中的電池為可充電式電池，并配置有充電電路。

1.2 NB-IoT無線通信網(wǎng)絡(luò)

采用NB-IoT無線通信網(wǎng)絡(luò)可實現(xiàn)LED監(jiān)控裝置與云端服務(wù)器之間的低成本、低功耗信息交互。

NB-IoT技術(shù)具有廣覆蓋[7]、低功耗、低成本、大聯(lián)接等特點[8]，基于運營商的投權(quán)頻譜，可廣泛應(yīng)用于不同的物聯(lián)網(wǎng)垂直行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域[9]。NB-IoT技術(shù)經(jīng)LTE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進[10]，使用現(xiàn)有的投權(quán)頻譜，信息的安全性和可靠性都有較大提升，且減少了許多不必要的干擾。NB-IoT支持待機時間短、對網(wǎng)絡(luò)連接要求較高的設(shè)備的高效連接。NB-IoT設(shè)備能在消耗較低電量下維持監(jiān)控裝置的正常運作，其電池壽命普遍在10年以上，適用于LED照明燈遠程監(jiān)控的無線通信技術(shù)。

1.3 云端服務(wù)器

云端服務(wù)器接收終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀，解析、分類并儲存在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，隨后采用算法進行分析和管理。云端服務(wù)器將數(shù)據(jù)分析結(jié)果發(fā)布在Web網(wǎng)頁和APP上，面向用戶展示。

1.4 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)運行流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)運行流程圖

系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)分析、計算，向用戶提供LED的工作年限、工作狀態(tài)、工作環(huán)境以及故障提示。LED生產(chǎn)廠家可通過此系統(tǒng)對產(chǎn)品進行跟蹤調(diào)查，以便后續(xù)的技術(shù)升級和工藝改進。終端用戶可通過手機APP或登錄Web網(wǎng)站實時查看LED照明燈具的運行狀態(tài)及環(huán)境信息。當LED出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)即時提醒并告知用戶。

2 LED智能監(jiān)控裝置

LED智能監(jiān)控裝置基于STM32主控芯片設(shè)計，實現(xiàn)了LED運行狀態(tài)及環(huán)境等關(guān)鍵信息的感知，通信模式的優(yōu)化，終端與云端信息交互的規(guī)范，信息幀結(jié)構(gòu)的定義等。

2.1 智能監(jiān)控裝置的硬件連接

智能監(jiān)控裝置的硬件連接如圖3所示。主控芯片型號為STM32F103VCT6，溫度傳感器型號為MVH340，兩者通過I2C接口通信。電壓傳感器和電流傳感器分別連接到主控芯片的AD2和AD1接口。NB-IoT通信模塊與主控芯片采用串口連接。

圖3 智能監(jiān)控裝置的硬件連接示意圖

2.2 智能終端與云端服務(wù)器的信息交互

主控芯片是整個裝置的控制中心，從原始信息采集到通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器之間的整個流程均由其控制完成。

在LED運行狀態(tài)監(jiān)控過程中，采集模塊將采集到的信息傳送到主控芯片。主控芯片將LED的實時電壓和電流信息以及LED的編號（與采集模塊編號一一對應(yīng)）按固定的格式打包，再通過NB-IoT通信模塊進行傳輸。

具體的數(shù)據(jù)幀格式為：

# LEDDAT$ID0010V15.0A5.0T26H30

數(shù)據(jù)幀中字符串的定義及其所表示的具體信息如下：

（1）ID = LED編號

（2）V = LED電壓（單位：V）

（3）A = LED電流（單位：A）

（4）T = LED所處環(huán)境的溫度（單位：℃）

（5）H = LED所處環(huán)境的濕度（單位：%RH）

云端服務(wù)器接收到數(shù)據(jù)幀之后，按照其格式定義進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)解析。

3 云端服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

基于JSP和MySQL開發(fā)了云端Web服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實現(xiàn)了LED的運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息在云端的接收、保存、管理和顯示。

MySQL數(shù)據(jù)庫是一種關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)保存在不同的表中，而非將所有數(shù)據(jù)放在一起管理，增加了速度并提高了靈活性。利用JavaScript連接數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)庫進行讀寫。監(jiān)控系統(tǒng)軟件平臺所需數(shù)據(jù)可用4個信息表進行存儲。t_idinf為LED燈額定信息表，記錄LED燈身份唯一識別碼，描述LED燈的編號、電流、電壓、溫度、濕度上下限狀態(tài)或者額定數(shù)值等相關(guān)信息；t_linf為LED燈實時信息表，記錄LED燈編號，實時電流、實時電壓、實時溫度、實時濕度、亮度等相關(guān)信息；t_aveinf 為LED燈平均信息表，記錄LED燈編號、平均電流、平均電壓、平均溫度、平均濕度等相關(guān)信息；t_uinf為用戶信息表，記錄已授權(quán)用戶的用戶名、用戶密碼。

云端服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可支持對某一時段的LED狀態(tài)進行查詢，具體數(shù)據(jù)以曲線或者表格的形式顯示。LED監(jiān)控系統(tǒng)也可以一段時間內(nèi)（如所示數(shù)據(jù)上一個月或者上一個星期）信息的平均值作為基準，在曲線圖中顯示一條基準線。手機APP與Web服務(wù)器共享數(shù)據(jù)庫信息。

4 結(jié) 語

文中設(shè)計了一種基于NB-IoT的LED照明燈遠程監(jiān)控裝置及系統(tǒng)，實現(xiàn)了實時采集LED照明燈等工作電壓、電流以及LED燈所處環(huán)境的溫度、濕度等信息，并通過NB-IoT無線通信網(wǎng)絡(luò)遠程傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，從而為用戶提供LED照明燈工作狀態(tài)的遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控服務(wù)，便于用戶及時獲知LED照明燈感知信息并進行相關(guān)任務(wù)的部署。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)具有低成本、高效傳輸?shù)葍?yōu)勢，可被廣泛應(yīng)用于車輛燈光系統(tǒng)監(jiān)控，交通燈監(jiān)控，家庭或者企業(yè)燈光監(jiān)控系統(tǒng)等方面，具有應(yīng)用范圍廣，實用性強等優(yōu)點。

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