基于NB-IoT技術(shù)的交通燈監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁凱旋　郭翠娟　榮鋒　付華興

摘 要：交通燈是城市生活中不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)施之一，目前交通燈工作狀態(tài)主要通過人工巡檢獲取，效率低下。為了使人們可以更加簡便、高效的得知路面上交通燈的工作狀態(tài)，本文提供了一個基于NB-IoT技術(shù)的交通燈監(jiān)測系統(tǒng)。本系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測交通燈的電流、電壓、溫濕度等信息，并通過NB-IoT技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆破脚_，用戶可通過網(wǎng)頁遠(yuǎn)程了解交通燈的運(yùn)行狀態(tài)。該系統(tǒng)操作簡單、利于觀測，可提高故障處理效率，能為城市的智能交通系統(tǒng)提供有效的智能化服務(wù)。

關(guān)鍵詞：NB-IoT;交通燈;實(shí)時(shí)監(jiān)測;智能交通

引言

隨著城市道路交通的日益完善，各種交通設(shè)備的不斷增加，城市交通的客流量大大增加，其龐大的客流量體系相應(yīng)的帶來了復(fù)雜的交通系統(tǒng)[1]，這些設(shè)施設(shè)備分散在城市的各條道路上，數(shù)量數(shù)以萬計(jì)，傳統(tǒng)智能交通設(shè)備管理系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足運(yùn)維人員和業(yè)主的需求[2]。如何更好的對這些海量的設(shè)備進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)測和運(yùn)維和巡檢，如何及時(shí)將運(yùn)維情況反映到管理部門成為我們必須面臨的重要問題[3]。

為了解決這些問題，本文提供了一種基于NB-IoT技術(shù)的交通燈監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集交通燈的電流、電壓、溫濕度等信息，并通過NB-IoT技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆破脚_，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。該系統(tǒng)大大提高了交通燈的運(yùn)維效率，為運(yùn)維部門提供了巨大的便利而且為智能交通的發(fā)展提供了有效的服務(wù)。

一、系統(tǒng)方案

交通燈監(jiān)測系統(tǒng)主要由三個部分組成，采集終端、NB-IoT通信模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺。采集終端負(fù)責(zé)采集處理交通燈的狀態(tài)信息，并且將處理好的數(shù)據(jù)即時(shí)地交給NB-IoT通信模塊。NB-IoT通信模塊是系統(tǒng)的信息中轉(zhuǎn)站，負(fù)責(zé)連接到運(yùn)營商基站[4]，基站連接到核心網(wǎng)[5]。遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺負(fù)責(zé)匯聚接入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理，分析出交通燈的工作狀態(tài)并將信息實(shí)時(shí)顯示，用戶可通過瀏覽器登陸監(jiān)測平臺了解交通燈的工作信息，實(shí)現(xiàn)了交通燈工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示：

二、硬件設(shè)計(jì)

終端系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)，將傳感器采樣、過濾計(jì)算、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和通訊功能集成在一起，硬件部分由4個部分組成，包含有MCU模塊、傳感器模塊、NB-IoT通信模塊、電源模塊。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示：

（一） MCU模塊

本系統(tǒng)的MCU芯片采用的是ST公司的STM32F103VCT6芯片。芯片的主頻最高達(dá)72MHz，包含8個定時(shí)器、3個12位的ADC等豐富的內(nèi)部資源，常被用在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中[6]，能滿足本系統(tǒng)的運(yùn)行和運(yùn)算。

（二）傳感器模塊

傳感器模塊由溫濕度傳感器、采樣電路和計(jì)量電路組成。

（1） 溫濕度傳感器

系統(tǒng)使用的溫濕度傳感器為HTU21D，用于機(jī)殼內(nèi)的溫度和濕度的采樣。HTU21D的體積小，精度高，轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，使用方便，適合系統(tǒng)的應(yīng)用。系統(tǒng)中的MCU使用IIC方式與溫濕度傳感器通訊[7]，可在短時(shí)間內(nèi)采集到溫濕度數(shù)據(jù)。

（2） 采樣電路

由于交通燈采用220V交流電供電[8]，不能簡便的直接檢測[9]，因此電壓采樣電路首先使用電壓互感器降低電壓，再采用高精度的采樣電阻進(jìn)行分壓采樣。電壓采樣電路使用了電壓互感器，將芯片與電網(wǎng)隔離，進(jìn)而獲得了良好的抗干擾能力。

電流采樣電路由電流互感器和精密低阻值的電流采樣電阻組成。交通燈的工作電流先經(jīng)過電流互感器，之后與精密低阻值的電流采樣電阻串聯(lián)，其阻值為毫歐級高功率電阻，對原電路的影響極其微弱，滿足系統(tǒng)的對電流測量精度的需要。

（3）計(jì)量電路

本系統(tǒng)計(jì)量電路選取ATT7022EU三相計(jì)量芯片。芯片與MCU之間通過SPI通訊方式進(jìn)行計(jì)量及校表參數(shù)的傳遞，所有計(jì)量參數(shù)及校表參數(shù)均可通過SPI接口讀出，使用方便。并且通過芯片內(nèi)置的電壓監(jiān)測電路可以保證上電和斷電時(shí)正常工作，確保計(jì)量數(shù)據(jù)的可靠性，充分滿足系統(tǒng)的需要。

（三）電源模塊

本系統(tǒng)的電源模塊由220-12V電源模塊、DC-DC電源模塊和LDO電源模塊組成。系統(tǒng)的電源通常由交通燈的供電電源提供，為預(yù)防意外斷電等突發(fā)情況發(fā)生，加入備用的12V可充電鋰電池。使用交通燈的供電電源供電時(shí)，電源通過220-12V電源模塊將220V交流電轉(zhuǎn)換為12V直流電。意外斷電等情況下，由備用電池提供12V直流電。12V直流電經(jīng)由 DC-DC芯片LM2596組成的降壓電路降壓至5 V，提供給 NB-IoT通信模塊。之后，5 V電源經(jīng)由AMS1117-3.3芯片組成的LDO降壓電路降壓至3.3 V，為系統(tǒng)MCU和其他各模塊提供輸入電壓。電源模塊使用的電源芯片都可以輸出穩(wěn)定的電壓、滿足系統(tǒng)所需要的驅(qū)動電流。

（四） NB-IoT通信模塊

本系統(tǒng)采用的NB-IoT通信模塊為上海移遠(yuǎn)的BC95-B8模塊。BC95-B8模塊是一款高性能、低功耗的NB-IoT無線通信模塊，使用中國移動的SIM卡，中心頻段為900MHz。MCU通過串口與NB-IOT通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給NB-IOT通信模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

三、軟件設(shè)計(jì)

交通燈監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括終端軟件設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺設(shè)計(jì)。終端軟件設(shè)計(jì)就是采集終端MCU的驅(qū)動程序設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺使用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺完成開發(fā)。

（一）終端軟件設(shè)計(jì)

終端軟件設(shè)計(jì)就是采集終端MCU的驅(qū)動程序設(shè)計(jì)，其主程序主要包括采集數(shù)據(jù)、定時(shí)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽绦蛟O(shè)計(jì)如圖3所示。主程序的工作流程為：主程序首先進(jìn)行MCU的系統(tǒng)資源初始化，然后對終端系統(tǒng)的傳感器模塊和NB-IoT通信模塊的初始化，定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出后，在中斷程序中更新標(biāo)志位，主程序?qū)?biāo)志位判斷，如果計(jì)數(shù)時(shí)間到，就進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送，完成數(shù)據(jù)的采集和上傳。

（二） 遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺使用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺完成開發(fā)。本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺的主要功能包括數(shù)據(jù)解析和對異常狀態(tài)的報(bào)警，工作流程如圖4所示。設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)平臺后，進(jìn)入IoT Hub，IoT Hub幫助設(shè)備連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺的服務(wù)，是設(shè)備與云端安全通信的數(shù)據(jù)通道。之后利用物聯(lián)網(wǎng)平臺提高的設(shè)備管理服務(wù)管理設(shè)備，接收到的數(shù)據(jù)通過平臺提供的規(guī)則引擎后，根據(jù)協(xié)議格式解析出需要的四種狀態(tài)信息的數(shù)值，并根據(jù)數(shù)值判斷交通燈是否處于異常狀態(tài)。平臺根據(jù)這些信息生成巡檢報(bào)告，實(shí)現(xiàn)交通燈的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

四、遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺效果展示

在確保正確連接終端設(shè)備后，登錄遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺，交通燈工作時(shí)的數(shù)據(jù)被NB-IoT通信模塊實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器。遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，得到交通燈溫濕度、電壓、電流信息，根據(jù)這些信息判斷交通燈的工作狀態(tài)并生成巡檢報(bào)告，如圖5所示。

五、結(jié)束語

基于NB-IoT技術(shù)的交通燈監(jiān)測系統(tǒng)利用多種傳感器能夠可靠的測量交通燈工作時(shí)的溫濕度、電壓、電流等信息，并利用NB-IoT技術(shù)實(shí)時(shí)的將數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺，達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)測交通燈的目標(biāo)。

作者簡介：

丁凱旋（1998-），男，漢族，安徽宿州人，天津工業(yè)大學(xué)17級本科生，專業(yè)電子信息工程。

郭翠娟（1975-），女，漢族，河北任丘人，博士、副教授，主要研究方向?yàn)殡姶艂鞲屑夹g(shù)研究、旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷和通信設(shè)備設(shè)計(jì)等。

榮鋒（1979-），男，漢族，山東日照人，副教授， 博士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)闊o損檢測、信號采集與分析、故障監(jiān)測。

基金項(xiàng)目：本文系2018年度天津工業(yè)大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：520432