智慧城市建設(shè)背景下路燈燈桿智能化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張衛(wèi)東

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司,武漢430064)

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的不斷推進(jìn)及城市基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善,路燈數(shù)量也在急劇增加,有必要借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)城市路燈的科學(xué)管理[1-2]。

LED光源具有壽命長(zhǎng)、易調(diào)色、控制方式多樣、種類(lèi)多的優(yōu)勢(shì),是目前最常用的路燈燈源[3]。但眾多的路燈需要統(tǒng)一的組織及維護(hù)難度較大,為此設(shè)計(jì)了多種多樣的監(jiān)控系統(tǒng),但這些系統(tǒng)或多或少存在以下問(wèn)題:能源浪費(fèi)嚴(yán)重,無(wú)法根據(jù)車(chē)流量及氣候來(lái)調(diào)節(jié)光照。定位不準(zhǔn)確,無(wú)法為維護(hù)人員提供故障路燈的準(zhǔn)確位置。狀態(tài)監(jiān)測(cè)困難,效率低下。自動(dòng)化程度低,很多控制命令仍需要進(jìn)行手動(dòng)控制,故有必要對(duì)現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)及優(yōu)化。近年來(lái),物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及信息技術(shù)得到了飛速發(fā)展,為智慧型城市建設(shè)提供了更多的技術(shù)支持[4]。窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)于2016年9月首次被提出,相比傳統(tǒng)的通信技術(shù),具有傳輸速率快、通信范圍廣、設(shè)備覆蓋量大、成本價(jià)格低等多種優(yōu)勢(shì)[5-8],如果能借助該技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)城市路燈的智能化高效管理,將為智慧城市建設(shè)注入新的活力。

基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)技術(shù)構(gòu)建城市路燈燈桿智能化監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)其硬件、軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)說(shuō)明,并對(duì)其相關(guān)性能進(jìn)行測(cè)試,以期為智慧城市建設(shè)提供借鑒。

1 NB-IoT技術(shù)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)技術(shù)是一種基于5G技術(shù),由GSM 技術(shù)與LTE技術(shù)優(yōu)化而來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)主流窄帶蜂窩技術(shù),主要技術(shù)參數(shù)包括頻譜范圍(800-900-1800 MHz)、傳輸速率(上行<250 Kbps,下行<226.7 Kbps)、通信距離(15 km)、連接數(shù)量(<50 000個(gè))、單個(gè)成本(<5美元)。與傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相比,具有覆蓋范圍廣、傳輸速率快、設(shè)備連接容量大、超低功耗、成本價(jià)格低、部署方式靈活(可獨(dú)立部署,也可保護(hù)帶部署,還可以待內(nèi)部署)等諸多優(yōu)點(diǎn),適用于城市路燈這種覆蓋范圍廣、數(shù)量眾多、規(guī)模大的監(jiān)測(cè)場(chǎng)景中。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 功能需求

為了滿(mǎn)足城市路燈燈桿日常監(jiān)控需要,監(jiān)控系統(tǒng)需具備以下功能:①對(duì)路燈燈桿設(shè)備的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集(如溫度、濕度等參數(shù)),通過(guò)溫度、濕度變化來(lái)對(duì)路燈使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè),實(shí)時(shí)收集路燈的照度,及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障路燈。②路燈狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè),通過(guò)One NET移動(dòng)云平臺(tái)對(duì)遠(yuǎn)程路燈參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)每一臺(tái)路燈的實(shí)時(shí)監(jiān)控。③單燈控制,不同季節(jié)及時(shí)間段的氣候條件差異較大,如霧霾天需要增加亮度,可通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)路燈的開(kāi)關(guān)指令實(shí)現(xiàn)靈活調(diào)節(jié),達(dá)到節(jié)能照明的效果。④定位故障路燈位置功能,通過(guò)引入全球定位系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)每一個(gè)故障路燈的準(zhǔn)確定位,從而達(dá)到定向維護(hù)、提高工作效率的目的,使城市路燈維護(hù)向智能化、精細(xì)化方向發(fā)展。

2.2 總體設(shè)計(jì)

基于NB-IoT的城市智慧路燈燈桿實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。主要由感知層、傳輸層、平臺(tái)層及應(yīng)用層四層結(jié)構(gòu)構(gòu)建。感知層主要由溫度傳感器、濕度傳感器、照度傳感器等諸多傳感器設(shè)備及NB-IoT終端設(shè)備組成,主要負(fù)責(zé)對(duì)環(huán)境參數(shù)及光照度參數(shù)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)及采集,監(jiān)控路燈所處的實(shí)時(shí)狀態(tài)。傳輸層主要由NB-IoT基站組成,與Lw M2M服務(wù)器連接,主要負(fù)責(zé)接收傳感器收集到的數(shù)據(jù),并傳遞給移動(dòng)平臺(tái)。平臺(tái)層主要使用One NET云平臺(tái),負(fù)責(zé)接入終端設(shè)備,對(duì)設(shè)備進(jìn)行管理及控制,接收傳輸層發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)信號(hào),將信號(hào)傳遞給應(yīng)用層。應(yīng)用層主要由PC端與移動(dòng)端組成,負(fù)責(zé)發(fā)出對(duì)應(yīng)的指令,對(duì)路燈狀態(tài)進(jìn)行掌握及控制。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall system architecture

2.3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要集中于系統(tǒng)感知層與傳輸層,滿(mǎn)足各類(lèi)參數(shù)的采集、故障路燈定位及方向控制等功能需求。在感知層中,需要定位模塊滿(mǎn)足定位功能需求,主控器設(shè)計(jì)時(shí)還需預(yù)留GPS定位端口,故感知層中主控制器的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。在傳輸層中,要實(shí)現(xiàn)反向控制功能需求,故通信模塊的設(shè)計(jì)是最為關(guān)鍵的。整個(gè)系統(tǒng)的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。硬件主要包括DHT11型溫濕度傳感器、BH1750型光照傳感器、GPS模塊、故障檢測(cè)模塊、通信模塊、主控制器(中央處理器)、SIM卡等設(shè)備。

圖2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.2 Hardware architecture design of monitoring system

通信模塊選用BC20型貼片式模塊,尺寸大小為長(zhǎng)×寬×高=18.7 mm×16.0 mm×2.1 mm。該型號(hào)支持定位功能的擴(kuò)展,內(nèi)置UFirebird衛(wèi)星定位芯片,供電電壓為2.1～3.63 V,最大休眠功耗為5 μA,串口波特率為115 200 bps,頻段為B5/B8,多頻傳輸速率為上行25.5 kbps、下行62.5 kbps。BC20共包括68個(gè)引腳數(shù),其中,起LCC的引腳個(gè)數(shù)為54個(gè),起LGA功能的引腳個(gè)數(shù)為14個(gè),為了降低功耗,停用NB-IoT模塊的網(wǎng)絡(luò)燈,加入電平轉(zhuǎn)換芯片TXB0104,將通信模塊中的電平由1.8 V轉(zhuǎn)換為3.3 V。BC20通過(guò)Lw M2M協(xié)議與平臺(tái)層中的One NET云平臺(tái)相連,從而將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給One NET云平臺(tái),反向接受平臺(tái)下達(dá)的控制指令并將其傳遞給主控制器。

主控制器(中央處理器)選用STM32L151RCT6型處理器,該型號(hào)處理器的工作頻率為32 MHz,包含多種通信接口、設(shè)備接口及接收/發(fā)送器接口等。處理器中的單片機(jī)具有定時(shí)喚醒功能,可以使處理器在不工作時(shí)處于休眠狀態(tài),休眠狀態(tài)下的電流<1 μA,達(dá)到最大程度的節(jié)能降耗。電源模塊的工作電壓為5 V,而STM32L151RCT6型處理器的工作電壓為3.3 V,故需要在主控制器中加入RT8059降壓轉(zhuǎn)換器,以實(shí)現(xiàn)5 V與3.3 V電壓的相互轉(zhuǎn)換。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中,主要利用Keil u Vision 4.72對(duì)城市路燈終端軟件程序進(jìn)行開(kāi)發(fā),Keil u Vision 4.72基于C語(yǔ)言,可實(shí)現(xiàn)程序的編譯、鏈接、調(diào)試與調(diào)用,發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并提出警告。其他輔助開(kāi)發(fā)軟件還包括STM32Cube MX、ST-LINK串口編譯器、QCOM串口調(diào)試工具、Socket Tool網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手等。在監(jiān)控系統(tǒng)中,軟件設(shè)計(jì)主要集中于平臺(tái)層與應(yīng)用層。

平臺(tái)層主要以O(shè)ne NET平臺(tái)為基礎(chǔ),通過(guò)ID、IMEI、API等設(shè)備識(shí)別信息,實(shí)現(xiàn)與NB通信模組的相互鏈接及交互通信,總體架構(gòu)如圖3所示。通過(guò)Lw M2M協(xié)議將NB-loT客戶(hù)端接入到Lw M2M服務(wù)器中,在One NET云平臺(tái)中依次完成用戶(hù)的登陸注冊(cè)→新建項(xiàng)目→新增設(shè)備→添加數(shù)據(jù)流→設(shè)計(jì)應(yīng)用等一系列操作。調(diào)用NB-loT模塊中的AT指令,實(shí)現(xiàn)NB-loT模塊與One NET平臺(tái)數(shù)據(jù)信息的交互連接。通過(guò)One NET平臺(tái)中的API實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流與One NET平臺(tái)的相互對(duì)接,可在移動(dòng)終端界面接收并顯示相應(yīng)權(quán)限的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

圖3 平臺(tái)層One NET平臺(tái)架構(gòu)Fig.3 Structure Platform layer One NET platform

應(yīng)用層的軟件開(kāi)發(fā)基于B/S架構(gòu),B/S架構(gòu)具有設(shè)備的高度適用性、系統(tǒng)的易擴(kuò)展性、數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)刷新、開(kāi)發(fā)成本低廉等優(yōu)勢(shì)。通過(guò)HTTP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與瀏覽器之間的數(shù)據(jù)交互共享,工作原理如圖4所示。通過(guò)瀏覽器端向服務(wù)器端發(fā)送HTTP 協(xié)議請(qǐng)求,服務(wù)器端在接收到HTTP請(qǐng)求后,依次做出允許連接→解析出參數(shù)數(shù)據(jù)→生成HTML文件等操作,再通過(guò)HTTP 協(xié)議將生成的HTML文件返回給瀏覽器端。瀏覽器端在收到HTML文件后,再對(duì)文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,向用戶(hù)呈現(xiàn)路燈燈桿的實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)。應(yīng)用層與平臺(tái)層通過(guò)PAI接口進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)兩者之間的應(yīng)用接入、設(shè)備管理、批量處理、規(guī)則管理、訂閱管理、消息推送、信令傳送、數(shù)據(jù)采集等功能。

圖4 應(yīng)用層B/S架構(gòu)Fig.4 Application layer B/S architecture

3 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

3.1 定位功能測(cè)試

為了實(shí)現(xiàn)故障路燈的準(zhǔn)確定位,除了在系統(tǒng)中安裝GPS定位模塊外,還增加了我國(guó)自主研制的北斗定位模塊,即采用北斗+GPS的雙模塊定位技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的定位速度及準(zhǔn)確度。通過(guò)測(cè)試得出,系統(tǒng)的平均定位速度可達(dá)0.1 m/s,定位精度達(dá)5 m,滿(mǎn)足系統(tǒng)的定位功能性要求。

3.2 功耗測(cè)試

系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初為了降低功耗,主要從兩個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化,一方面是從通信模塊入手,選用BC20這一超低功耗的通信芯片,另一方面是從主控制器入手,選用STM32L151RCT6型處理器,處理器中的單片機(jī)具有定時(shí)喚醒功能,可實(shí)現(xiàn)休眠、停止、待機(jī)3種模式下的工作狀態(tài)。利用萬(wàn)用表測(cè)量系統(tǒng)的工作電壓,再利用電源分析儀測(cè)量終端設(shè)備的電流參數(shù),每0.2 s采集一組數(shù)據(jù),共采集60組電壓、電流數(shù)據(jù),對(duì)系統(tǒng)處于初始狀態(tài)、停止模式、加延遲模式及雙控模式下的功耗進(jìn)行計(jì)算分析,結(jié)果如圖5所示。從圖5可知,系統(tǒng)功率呈動(dòng)態(tài)波動(dòng)的變化特征,在初始狀態(tài)下,系統(tǒng)功率最高,最大功率達(dá)到0.61 W,最小功率為0.2 W,平均功率為0.31 W,當(dāng)系統(tǒng)處于停止模式或加大數(shù)據(jù)上發(fā)延遲時(shí)間狀態(tài)時(shí),功率相比初始狀態(tài)有較大幅度的降低,當(dāng)采用雙控模式時(shí),系統(tǒng)的功耗進(jìn)一步降低,平均功率僅為0.2 W,相比初始狀態(tài)降低35.5%,可最大程度實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

圖5 不同模式下系統(tǒng)功耗測(cè)試結(jié)果Fig.5 System power consumption test results under different modes

3.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

系統(tǒng)平臺(tái)層與應(yīng)用層在接收數(shù)據(jù)及發(fā)送控制指令時(shí),可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟包或網(wǎng)絡(luò)延遲等情況,故有必要對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果見(jiàn)表1、表2。從表1可知,對(duì)于平臺(tái)層,3個(gè)終端設(shè)備共向平臺(tái)發(fā)送了600個(gè)數(shù)據(jù),平臺(tái)共接收到598個(gè)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)接收成功率為99.9%,平臺(tái)下發(fā)開(kāi)啟及關(guān)閉成功次數(shù)分別為590次、592次,成功率分別為98.3%、98.7%,相比數(shù)據(jù)接收成功率略低,這主要是因?yàn)榇嬖诰W(wǎng)絡(luò)延遲的緣故。應(yīng)用層共成功接收到592個(gè)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)接收成功率為98.7%,相比平臺(tái)層略低,表明存在一定的數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象,但占比很小,應(yīng)用層下發(fā)開(kāi)啟及關(guān)閉成功次數(shù)分別為584次、590次,成功率分別為97.3%、98.3%,成功率依然大于97%,由此可見(jiàn),系統(tǒng)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)平臺(tái)層與應(yīng)用層傳輸后的穩(wěn)定性是比較好的,可滿(mǎn)足日常監(jiān)控要求。

表1 平臺(tái)層穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

表2 應(yīng)用層穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

基于NB-IoT技術(shù)構(gòu)建包含感知層、傳輸層、平臺(tái)層及應(yīng)用層的城市智慧路燈燈桿實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。為了達(dá)到節(jié)能降耗的目的,在通信模塊硬件配置中選用了低功耗的BC20通信芯片,主控制選用了STM32L151R

CT6型處理器,可實(shí)現(xiàn)定時(shí)喚醒功能。系統(tǒng)平臺(tái)層選用移動(dòng)One NET平臺(tái),應(yīng)用層基于B/S架構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備管理、規(guī)則管理、批量處理、信令推送等功能。系統(tǒng)平均定位速度可達(dá)0.1 m/s,定位精度達(dá)5 m,當(dāng)采用雙控模式時(shí),系統(tǒng)平均功率僅為0.2 W,數(shù)據(jù)傳輸成功率>97%,具有低功耗、良好的定位及穩(wěn)定性能,可滿(mǎn)足城市路燈燈桿實(shí)時(shí)監(jiān)控的需求。