基于NB-IoT技術(shù)的LED路燈系統(tǒng)

唐寬

【摘 要】隨著國家對節(jié)能環(huán)保和綠色經(jīng)濟(jì)的要求越來越高，LED在城市路燈和鄉(xiāng)村太陽能路燈上正被廣泛地應(yīng)用。如何使LED路燈更節(jié)約電能及實(shí)現(xiàn)LED路燈的遠(yuǎn)距離監(jiān)控至關(guān)重要。文章闡述了一種基于NB-IoT技術(shù)的LED路燈系統(tǒng)，介紹了LED路燈的硬件系統(tǒng)組成和嵌入式軟件架構(gòu)。該系統(tǒng)采用MCU+NB模塊實(shí)現(xiàn)了對路燈系統(tǒng)的電壓電流采集、狀態(tài)定時(shí)上報(bào)、遠(yuǎn)程開關(guān)控制、定時(shí)開關(guān)路燈、多時(shí)段PWM調(diào)光等，較好地解決了LED路燈的遠(yuǎn)程監(jiān)控問題，在LED路燈產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】NB-IoT;LED路燈;PWM調(diào)光;數(shù)據(jù)采集

【中圖分類號】TM923.34 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）06-0055-03

近年來，國家對節(jié)約能源和綠色經(jīng)濟(jì)的要求越來越高，如何在公共照明領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)節(jié)能要求是政府部門的要求，也是企業(yè)實(shí)現(xiàn)科技創(chuàng)新的動力。LED照明作為新一代照明技術(shù)，因?yàn)長ED的高光效率，正逐步替代傳統(tǒng)城市照明的鈉燈。在中國的廣大鄉(xiāng)村，LED太陽能路燈正逐步興起，而廣大農(nóng)村因路燈安裝相對分散，給后續(xù)的運(yùn)維帶來了新的挑戰(zhàn)，如何監(jiān)控相對孤立的LED路燈并使其更節(jié)能是需要解決的問題。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）已經(jīng)成為3GPP LTE標(biāo)準(zhǔn)之一，用于提供多領(lǐng)域設(shè)備物聯(lián)，為萬物物聯(lián)提供了參考標(biāo)準(zhǔn)。NB-IoT技術(shù)具有低功耗、可定位、支持上下行傳輸、工作在授權(quán)頻段等特點(diǎn)。以上特點(diǎn)使NB-IoT技術(shù)可廣泛應(yīng)用于小設(shè)備、小數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)控設(shè)備及設(shè)備多而分散的監(jiān)控系統(tǒng)中。NB-IoT技術(shù)經(jīng)過幾年的發(fā)展，專用芯片已經(jīng)小型化，對應(yīng)的模塊已經(jīng)批量應(yīng)用。

基于LED路燈存在的問題和窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟，本文采用MCU+NB模塊實(shí)現(xiàn)了一種新的LED路燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電壓電流的采集，從而計(jì)算出系統(tǒng)的能耗、判斷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并通過NB模塊定時(shí)上報(bào)消息到服務(wù)器，運(yùn)維人員通過服務(wù)端能實(shí)時(shí)了解每個(gè)LED路燈的狀態(tài)。同時(shí)，通過服務(wù)器可以遠(yuǎn)程對LED路燈開關(guān)燈，遠(yuǎn)程配置LED路燈的開關(guān)燈時(shí)間，以及配置不同時(shí)段調(diào)整LED的亮度。

1 硬件框圖設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)采用MCU+NB模塊的主硬件架構(gòu)，MCU作為系統(tǒng)的核心，完成系統(tǒng)的各種數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算，從而得出系統(tǒng)的電量信息和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，最后通過NB模塊無線傳輸?shù)椒?wù)器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的上報(bào)，具體硬件框圖如圖1所示。

圖1為LED路燈系統(tǒng)的硬件框圖，在完成所有功能基礎(chǔ)之上，考慮到LED路燈安裝在戶外，且路燈作為一種金屬桿，是很容易引發(fā)雷擊的。因此，本系統(tǒng)專門增加防雷電路，按照LED路燈累計(jì)浪涌技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)成可防6 kV浪涌抗擾。電源轉(zhuǎn)換主要提供系統(tǒng)要求的電壓，在城市照明路燈中，本電源轉(zhuǎn)換模塊主要實(shí)現(xiàn)AC到DC轉(zhuǎn)換，把市電220 V電壓轉(zhuǎn)換到直流12 V，以及把直流12 V再轉(zhuǎn)換到3.3 V等;而在農(nóng)村太陽能路燈中，本電源轉(zhuǎn)換模塊主要實(shí)現(xiàn)太陽能板對電池的充電，以及把電池電壓轉(zhuǎn)換到12 V和3.3 V給系統(tǒng)各模塊供電。微處理器（MCU）為系統(tǒng)核心，一是需要完成對NB模塊的初始化，控制其在NB-IoT網(wǎng)絡(luò)中注冊，接收來自服務(wù)器的控制數(shù)據(jù)，通過NB模塊上報(bào)數(shù)據(jù)到服務(wù)器;二是需要采集系統(tǒng)的電壓、電流和系統(tǒng)溫度等，按照服務(wù)器下發(fā)的控制策略，通過繼電器控制路燈的開關(guān)，也可以按照服務(wù)器下發(fā)的調(diào)光策略，通過PWM調(diào)光模塊實(shí)現(xiàn)路燈的亮度控制;三是把采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，定時(shí)上報(bào)到服務(wù)器。

2 器件選型及外圍實(shí)現(xiàn)

本文所設(shè)計(jì)的LED路燈系統(tǒng)，需要完成系統(tǒng)的電壓采樣和電流采樣，因此至少需要2路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。而在不同的產(chǎn)品應(yīng)用中，電壓采樣還包括對電池的電壓檢測，電流采樣還包括對電池的放電電流和充電電流的雙向檢測，以及對電池溫度的監(jiān)控都需要電壓采樣后進(jìn)行計(jì)算完成，因此本系統(tǒng)的ADC通路數(shù)至少需要2通道，最多達(dá)5通道。

數(shù)據(jù)存儲模塊主要實(shí)現(xiàn)對采集到的異常數(shù)據(jù)和計(jì)算所得數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，比如計(jì)算所得出的系統(tǒng)功率值、系統(tǒng)累計(jì)電量值;還包括在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程升級時(shí)，用于存儲來自服務(wù)器的系統(tǒng)升級文件，因此存儲容量需求大于64 KB。本系統(tǒng)中選用一片SPI Flash作為數(shù)據(jù)存儲芯片，型號為GD25Q80，其容量為1 MB，在其上建立FAT文件系統(tǒng)，完全滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲的需求。

繼電器模塊主要實(shí)現(xiàn)路燈電源的通斷控制，其主要指標(biāo)是最大驅(qū)動負(fù)載電流和工作電壓。在本系統(tǒng)中，LED路燈功率最大可達(dá)150 W，因此對應(yīng)的驅(qū)動負(fù)載電流約1 A，系統(tǒng)最大工作電壓為220 V。本系統(tǒng)選用歐姆龍的繼電器型號G5LE-14，其可穩(wěn)定工作在5 A 250 V AC的系統(tǒng)中，完全滿足系統(tǒng)要求。

要實(shí)現(xiàn)LED的調(diào)光，一種方式是采用輸出PWM波直接對LED燈進(jìn)行調(diào)光控制，這種調(diào)光方式會使路燈發(fā)出的光存在頻閃問題，雖然在提高PWM輸出頻率后，頻閃用人眼很難分辨，但從系統(tǒng)穩(wěn)定性考慮，仍然存在穩(wěn)定性差的特點(diǎn);另一種方式為對PWM波先進(jìn)行RC濾波，再通過運(yùn)算放大器對線性電壓進(jìn)行放大，從而得到一個(gè)寬范圍的線性調(diào)光電壓，該調(diào)光方式在系統(tǒng)測試對比中最穩(wěn)定且輸出光不存在頻閃問題。

如圖2所示，來自MCU輸出的PWM信號，先經(jīng)過R1、C1進(jìn)行一次RC濾波，調(diào)整R1、C1的值，可以適配不同PWM輸出頻率，使運(yùn)放的輸入電壓紋波在20 mV以內(nèi)。圖2中通過調(diào)節(jié)R3、R4的值，可以改變運(yùn)放的放大倍數(shù)，從而滿足驅(qū)動LED路燈的調(diào)壓范圍。圖2中可實(shí)現(xiàn)在MCU輸出3.3 V的PWM脈沖時(shí)，得到0～10 V的線性調(diào)節(jié)范圍的可調(diào)電壓值。

NB模塊作為遠(yuǎn)程無線通信基礎(chǔ)，目前已經(jīng)有多家模塊供應(yīng)商可選擇，本系統(tǒng)中選擇了“上海移遠(yuǎn)”的BC95模塊和“利爾達(dá)科技”NB05-01模塊進(jìn)行測試和驗(yàn)證，測試發(fā)現(xiàn)兩個(gè)模塊在AT指令集方面基本一致，而BC95模塊在接收信號靈敏度方面優(yōu)于NB05-01模塊，最后選擇BC95模塊作為量產(chǎn)型號。NB05-01模塊在體積上明顯小于BC95模塊，因此在一些體積有要求的路燈系統(tǒng)上，只能選擇NB05-01模塊。

結(jié)合以上系統(tǒng)要求，本系統(tǒng)選用STM32F103C8T6作為主控MCU，該芯片具有最多16個(gè)通道的ADC，滿足本系統(tǒng)最多5路ADC需求。該芯片具有最多7個(gè)定時(shí)器，可以產(chǎn)生PWM信號，滿足本系統(tǒng)的1路PWM需求。該芯片具有2路獨(dú)立的SPI驅(qū)動器，滿足本系統(tǒng)1路數(shù)據(jù)存儲flash芯片要求。該芯片具有3路串行通信USART口，滿足本系統(tǒng)所要求的1路串口與NB模塊進(jìn)行通信的需求。

3 嵌入式軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

嵌入式軟件是讓MCU按照設(shè)計(jì)意圖，按照程序流程順序執(zhí)行，控制設(shè)備外設(shè)和外圍電路實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求。本系統(tǒng)中的嵌入式軟件主要實(shí)現(xiàn)軟件升級、NB模塊的通信、數(shù)據(jù)采集、開關(guān)控制、調(diào)光控制和定時(shí)上報(bào)系統(tǒng)狀態(tài)（如圖3所示）。

如圖3所示，系統(tǒng)在上電后，程序從開始處開始運(yùn)行，其先進(jìn)行系統(tǒng)升級檢測，即讀取外置數(shù)據(jù)存儲器，看是否存在升級文件，如果沒有則執(zhí)行下一步，否則按照如下步驟對MCU進(jìn)行程序升級：{1}檢測升級文件的有效性和完整性;{2}檢測升級文件的版本是否高于當(dāng)前運(yùn)行軟件版本;{3}關(guān)閉flash程序區(qū)寫保護(hù);{4}擦除flash;{5}把升級文件寫入對應(yīng)的flash扇區(qū);{6}對寫入的flash區(qū)域進(jìn)行校驗(yàn);{7}開啟flash程序區(qū)寫保護(hù);{8}系統(tǒng)復(fù)位，升級完成。

以上程序升級步驟，如果執(zhí)行過程中任何步驟出現(xiàn)錯(cuò)誤，則依據(jù)錯(cuò)誤退出升級或者回退版本。如果在以上步驟{4}之后出現(xiàn)錯(cuò)誤，則程序切換回上一版本已經(jīng)驗(yàn)證正確的程序，繼續(xù)執(zhí)行下一步操作，即開始初始NB模塊，在初始NB模塊時(shí)，按照以下步驟進(jìn)行：{1}發(fā)送AT測試指令，判斷是否有“OK”返回;{2}發(fā)送錯(cuò)誤值返回開指令;{3}獲取頻段號，根據(jù)模塊選擇電信和移動工作頻段;{4}獲取卡號，判斷卡是否插好;{5}激活NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，并獲取激活狀態(tài);{6}獲取信號質(zhì)量;{7}向運(yùn)營商注冊，并判斷系統(tǒng)注冊狀態(tài);{8}打開接收到數(shù)據(jù)提示。

以上初始化NB模塊步驟中，任何一步出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，對當(dāng)前步驟進(jìn)行重試3次，如果3次仍然無法通過，則返回到步驟{1}重新初始化;直到整個(gè)NB模塊初始化通過再執(zhí)行下一步操作。

數(shù)據(jù)采集主要完成對路燈系統(tǒng)中各電壓電流參數(shù)進(jìn)行采樣，采樣后再進(jìn)行計(jì)算得出電池容量、電量等信息。本系統(tǒng)中需要完成的采樣包括輸入電壓、輸入電流、電池電壓、電池電流、系統(tǒng)溫度5個(gè)參數(shù)。其中，根據(jù)輸入電壓和輸入電流值進(jìn)行計(jì)算，可得到輸入功率，輸入功率與時(shí)間乘積可得到電量值;同樣，電池電壓和電池電流可得到電池充放電容量;系統(tǒng)溫度的采集用于控制電池充放電的電流，以及監(jiān)測系統(tǒng)的異常狀態(tài)。本系統(tǒng)首先把以上5個(gè)參數(shù)轉(zhuǎn)換到電壓，然后通過MCU的5個(gè)ADC通道輪流切換來完成對5個(gè)參數(shù)的電壓采集;采集到的電壓值再經(jīng)過內(nèi)部查表操作轉(zhuǎn)換到對應(yīng)的原始電壓、電流、溫度值。

開關(guān)控制用于控制LED燈及降壓電路是否開啟。一般情況下，系統(tǒng)按照設(shè)定的開關(guān)時(shí)間策略，在對應(yīng)時(shí)間點(diǎn)上開啟或者關(guān)閉LED，對應(yīng)LED路燈系統(tǒng)最簡單的就是白天需要關(guān)閉LED燈，而晚上需要開啟LED燈。相對復(fù)雜的路燈系統(tǒng)，會引入月歷和系統(tǒng)的經(jīng)緯度，計(jì)算可得到當(dāng)?shù)孛刻焯旌诘臏?zhǔn)確時(shí)間，從而智能調(diào)整每天的開關(guān)燈時(shí)間。服務(wù)器在任何時(shí)候都可以通過NB-IoT無線通信，發(fā)送開啟或者關(guān)閉LED燈指令，從而控制LED路燈實(shí)時(shí)開關(guān)，即本系統(tǒng)手動控制有最高優(yōu)先級。

調(diào)光控制是本系統(tǒng)中用于執(zhí)行多種控制策略而達(dá)到省電目的的關(guān)鍵方法。通過設(shè)置靈活的調(diào)光策略，在不同時(shí)間設(shè)置不同的LED亮度，從而可以最大限度地實(shí)現(xiàn)節(jié)能。在路燈系統(tǒng)上，晚上0點(diǎn)后，路上行人活動變少，這時(shí)可以通過調(diào)光策略進(jìn)行調(diào)光控制，使LED工作在50%亮度或者更低亮度下，從而達(dá)到節(jié)約能源目的。服務(wù)器在任何時(shí)候都可以通過NB-IoT無線通信，下發(fā)新的調(diào)光策略到LED路燈，新策略立即生效并保存，后續(xù)都按照新的調(diào)光策略進(jìn)行調(diào)光控制。

定時(shí)上報(bào)用于把LED路燈的狀態(tài)信息通過NB-IoT無線通信上傳到服務(wù)器，所設(shè)定的定時(shí)時(shí)間也可以通過服務(wù)器動態(tài)設(shè)置。定時(shí)上報(bào)狀態(tài)是為了讓服務(wù)器知曉每個(gè)LED路燈的運(yùn)行狀態(tài)，一旦LED路燈系統(tǒng)參數(shù)出現(xiàn)異常，則通過NB模塊信息與地理位置信息對應(yīng)，可快速得出是哪個(gè)LED路燈出現(xiàn)異常，方便維修人員快速檢修。

數(shù)據(jù)交換主要是MCU與NB模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，首先通過AT指令查詢NB模塊是否接收到來自服務(wù)器的下行數(shù)據(jù)，如果有則進(jìn)行接收數(shù)據(jù)并按照預(yù)定協(xié)議格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，找到命令類型并執(zhí)行對應(yīng)操作;其次打包需要上傳的狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過AT指令發(fā)送到NB模塊，并等待服務(wù)器的返回結(jié)果，如果NB模塊返回“OK”則認(rèn)為上傳成功，否則根據(jù)NB模塊返回的錯(cuò)誤值進(jìn)行處理，重新發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

本文主要闡述了一種基于NB-IoT的LED路燈系統(tǒng)。通過系統(tǒng)的硬件框圖介紹了系統(tǒng)硬件組成，重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)在戶外使用時(shí)的防雷要求和電壓要求。通過器件選型和外圍實(shí)現(xiàn)的介紹，依據(jù)系統(tǒng)硬件要求確定了芯片類型，依據(jù)系統(tǒng)功能要求確定了MCU與外置芯片數(shù)據(jù)通信接口類型。以嵌入式軟件流程圖展開說明了本系統(tǒng)軟件組成，重點(diǎn)介紹了軟件如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程升級和NB模塊的初始化數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)交換方法。該系統(tǒng)已經(jīng)在本公司城市路燈改造工程和鄉(xiāng)村太陽能LED路燈上得到了廣泛的應(yīng)用。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：鐘聲賢]