路燈智能控制與管理系統(tǒng)

李成竹

（北京創(chuàng)安利市政建設(shè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，北京 100012）

0 引 言

城市道路照明是方便城市居民出行活動(dòng)的必備條件，近年來全國(guó)大中城市格外重視道路照明和夜景照明工作。隨著LED燈、電力電子、無線通訊等技術(shù)的不斷發(fā)展，路燈照明系統(tǒng)在節(jié)能環(huán)保、形象美觀、智能控制等方面的要求不斷提升，并且路燈亮化作為城市形象工程的重要組成部分越來越受政府重視，不斷有大量的資金投入，進(jìn)行建設(shè)和改造，使得城市變得更加智能化以及絢麗多彩。但相關(guān)問題也隨之而來，能耗不斷攀升、維護(hù)工作量不斷加大、維修成本增加、光污染嚴(yán)重等，這是當(dāng)前碳中和下亟需解決的問題之一。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能路燈控制系統(tǒng)能夠在低功耗的情況下根據(jù)環(huán)境自動(dòng)光照調(diào)節(jié)，以及方便用戶對(duì)路燈系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架由感知層、通信層、服務(wù)層以及應(yīng)用層組成。感知層通過傳感器、核心控制器等實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈終端的實(shí)時(shí)控制；通信層主要是窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IOT）模塊與NB-IoT基站組成實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集上傳；服務(wù)層由服務(wù)器組成，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收和處理；應(yīng)用層為客戶端，用戶通過監(jiān)控平臺(tái)或應(yīng)用APP實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控[1]。

基于NB-IoT的低功耗智能路燈控制系統(tǒng)功能主要包含：路燈實(shí)時(shí)監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)路燈分時(shí)控制、自動(dòng)調(diào)光、經(jīng)緯自動(dòng)控制等；電子地圖路燈節(jié)點(diǎn)定位，每一個(gè)路燈節(jié)點(diǎn)顯示于監(jiān)控系統(tǒng)電子地圖內(nèi)，便于維修人員快速定位故障路燈位置；此外還可實(shí)現(xiàn)路燈節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)、電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)的采集監(jiān)控。基于以上功能，路燈控制終端節(jié)點(diǎn)硬件由ATMEGA32主控器、NB-IoT無線通信模塊、光照傳感器以及電能監(jiān)測(cè)模塊等組成。

1.1 NB-IoT無線通信模塊

當(dāng)前NB-IoT應(yīng)用中BC95和BC35-G通信模組使用較多，其中BC35-G為BC95增強(qiáng)型產(chǎn)品，優(yōu)化了定位、移動(dòng)性、功耗、數(shù)據(jù)傳輸速率等模組性能，具有高性能、低功耗、體積小、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，其尺寸大小為23.6 mm×19.9 mm×2.2 mm，僅相當(dāng)于一枚硬幣大小，廣泛應(yīng)用于尺寸要求小的終端產(chǎn)品之中，因此在此選用BC35-G通信模組[2]。

路燈節(jié)點(diǎn)無線傳輸方式由NB-IoT網(wǎng)絡(luò)與NB-IoT模塊進(jìn)行無線通信，NB-IoT模塊將主控芯片采集到的路燈數(shù)據(jù)信息上傳到NB-IoT基站，用戶調(diào)用基站數(shù)據(jù)應(yīng)用于監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)路燈節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。此外NB-IoT模塊接收用戶通過Intenet發(fā)送來的控制命令實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的開關(guān)控制、光亮調(diào)節(jié)等[3]。

1.2 ATMEGA32主控制器

路燈控制器需要具有低成本、低功耗以及實(shí)用性等功能，本系統(tǒng)中主控器選用超低功耗微控制器ATMEGA32單片機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制器。該控制器是集成足夠應(yīng)用于路燈控制的存儲(chǔ)器和硬件接口電路，是一款基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，具有2kB的SRAM與32kB的FlashROM，工作頻率達(dá)到1MIPS，擁有4路PWM通道以及8路A/D轉(zhuǎn)換通道。該控制器在空閑模式下CPU停止工作，而USART、兩線接口、A/D轉(zhuǎn)換器、SRAM、T/C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)將繼續(xù)工作，非常適用于路燈控制系統(tǒng)，具有顯著的高可靠性、低功耗以及成本低等特點(diǎn)。

2 NB-IoT路燈終端監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 單燈控制器程序開發(fā)

單燈控制器的核心控制器ATMEGA32具有6個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的不同工作狀態(tài)、不同的工作時(shí)間節(jié)點(diǎn)選擇不同的工作模式，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗應(yīng)用，亦可以通過編寫相關(guān)的功能代碼來降低系統(tǒng)的功耗。本系統(tǒng)中使用ATMEGA32和Keil4開發(fā)工具對(duì)核心控制器進(jìn)行開發(fā)，ATMEGA32負(fù)責(zé)對(duì)控制器的晶振、定時(shí)器、串口、PWM以及ADC接口等GPIO底層進(jìn)行配置，利用Keil4軟件進(jìn)行控制器的程序編寫，包括物聯(lián)網(wǎng)通信功能、光照亮度監(jiān)測(cè)、節(jié)點(diǎn)能耗檢測(cè)、路燈節(jié)點(diǎn)定位以及硬件基礎(chǔ)底層配置等[4]。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)

NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)可以為支持用戶實(shí)現(xiàn)終端應(yīng)用的快速接入提供開放的API接口，用戶可以在統(tǒng)一安全的環(huán)境下輕松地實(shí)現(xiàn)各種終端的接入、數(shù)據(jù)的采集分析等。該系統(tǒng)選用中國(guó)移動(dòng)OneNET開放平臺(tái)，OneNET平臺(tái)除了支持多樣化終端設(shè)備接入、具備豐富的協(xié)議適配能力之外還可進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)分析、歷史查詢等功能，是一個(gè)安全、穩(wěn)定并可快速搭建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與硬件設(shè)備的平臺(tái)。

2.3 OneNET平臺(tái)云端部署

OneNET云端搭建IoT平臺(tái)，通過在OneNET平臺(tái)注冊(cè)賬號(hào)后進(jìn)入開發(fā)者中心進(jìn)行產(chǎn)品的創(chuàng)建，產(chǎn)品的創(chuàng)建包括產(chǎn)品名稱、產(chǎn)品的所屬行業(yè)等信息，以及技術(shù)參數(shù)的設(shè)置，包括操作系統(tǒng)、設(shè)備接入?yún)f(xié)議等，在此選擇MQTT協(xié)議，此時(shí)創(chuàng)建了上傳數(shù)據(jù)的條件，擁有了設(shè)備ID和APIKey。之后采用SOCKET通信方式，向云平臺(tái)發(fā)送HTTP協(xié)議的數(shù)據(jù)上傳報(bào)文實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和接收[5]。

2.4 OneNET應(yīng)用設(shè)計(jì)

OneNET設(shè)備云平臺(tái)具備API調(diào)用和數(shù)據(jù)推送功能，可支持第三方應(yīng)用開發(fā)設(shè)計(jì)。在此為縮短設(shè)備開發(fā)周期，直接采用OneNET提供的應(yīng)用管理功能進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)。選擇在手機(jī)頁(yè)面的編輯區(qū)對(duì)應(yīng)用界面進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)完成后即可下載設(shè)備云APP，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端的實(shí)時(shí)監(jiān)控。此外還添加了觸發(fā)器功能，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)流都進(jìn)行警報(bào)功能設(shè)計(jì)。當(dāng)設(shè)備監(jiān)測(cè)到異常數(shù)據(jù)并上傳云端時(shí)會(huì)觸發(fā)警報(bào)，設(shè)備云平臺(tái)會(huì)將包含有異常數(shù)據(jù)流與設(shè)備的信息發(fā)送至用戶，用以提醒用戶設(shè)備異常。在應(yīng)用界面用戶可以通過數(shù)據(jù)流切換功能切換到其他設(shè)備，實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[6]。

3 應(yīng)用APP開發(fā)

為方便實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)配置手機(jī)監(jiān)控端APP，通過手機(jī)端可以實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，方便用戶對(duì)路燈系統(tǒng)的維護(hù)與保養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)管理更加便捷和智能。路燈監(jiān)控APP的主要功能包含：路燈的實(shí)時(shí)控制、路燈光亮度調(diào)節(jié)、路燈的位置信息、路燈的故障報(bào)警，同時(shí)可以通過設(shè)備信息界面進(jìn)行控制系統(tǒng)時(shí)間校準(zhǔn)、電參數(shù)校準(zhǔn)以及針對(duì)節(jié)假日設(shè)定特殊開關(guān)時(shí)間等。APP使用java語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)環(huán)境為AndroidStudio3.0，JDK8.0，使用HTML搭配CSS技術(shù)設(shè)計(jì)美觀的用戶界面，采用第三方高德地圖SDK進(jìn)行路燈位置定位開發(fā)，數(shù)據(jù)采集方面采用HTTP和OkHttp3協(xié)議實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的完整性和實(shí)時(shí)性[7]。

4 節(jié)能測(cè)試效果

測(cè)試過程使用的設(shè)備包括一臺(tái)配備測(cè)試APP的手機(jī)終端和PC軟件監(jiān)控端，采用4套單燈控制器實(shí)現(xiàn)4盞路燈的控制。

4.1 應(yīng)用APP監(jiān)控效果

通過應(yīng)用APP監(jiān)控端可以實(shí)現(xiàn)對(duì)燈具的實(shí)時(shí)控制、定時(shí)控制、自動(dòng)控制等，并可以通過傳感器監(jiān)測(cè)燈光周圍環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)燈具的實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)上報(bào)燈具故障、自動(dòng)調(diào)光等功能，節(jié)約了照明資源、降低了管理維護(hù)成本，提高了路燈監(jiān)控系統(tǒng)智能化的管理水平[8]。

4.2 PC端監(jiān)控效果

PC端監(jiān)控軟件亦可實(shí)現(xiàn)APP監(jiān)控所有功能，在經(jīng)過用戶登錄信息驗(yàn)證成功后，系統(tǒng)啟動(dòng)首先進(jìn)入的就是控制中心的主界面，通過監(jiān)控界面可以監(jiān)測(cè)燈具的各種狀態(tài)信息[9]。

4.3 節(jié)能效果測(cè)算

對(duì)4盞試驗(yàn)燈具進(jìn)行終端能耗策略，依據(jù)輸出功率測(cè)量值，在半節(jié)能方式（50%額定功率）下對(duì)實(shí)驗(yàn)燈實(shí)測(cè)功率約為非節(jié)能方式（正常輸出額定功率）下的54%，在忽略電量測(cè)量計(jì)算誤差的情況下，理論上使用半節(jié)能方式的路燈節(jié)能率約為46%，節(jié)能效果顯著[10]。

5 結(jié) 論

本文基于NB-IoT技術(shù)設(shè)計(jì)單燈控制器并結(jié)合系統(tǒng)低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了燈具的實(shí)時(shí)控制，通過監(jiān)控終端可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)遠(yuǎn)程控制、系統(tǒng)自動(dòng)控制、故障報(bào)警以及環(huán)境監(jiān)測(cè)等功能，達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)控、方便管理的效果，同時(shí)還具備了根據(jù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)、車流量等不同環(huán)境下自動(dòng)調(diào)光功能。根據(jù)燈具終端功耗測(cè)算較全功率工作情況下可節(jié)約46%能耗，節(jié)能效果理想，在碳中和背景下具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。