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摘要：通过分析城市路灯监控系统的发展现状，对比目前基于电力载波、ZigBee等技术的路灯监控系统，设计了基于窄带物联网（NB-IoT）技术的路灯监控系统，系统的主控芯片是STM32，实现了采集的数据通过NB-IoT模块上传到云平台，用户通过小程序对路灯的管理和控制，达到了节能、规范化管理路灯的目的。
关键词：NB-IoT;STM32;云平台;智慧路灯监控系统
1 引言
随着物联网技术的发展，各地加强对智慧城市的研究力度，路灯作为智慧城市感知层的设施，可以作为传感器的天然载体、信息采集的来源，所以充分利用路灯资源能够更好的为智慧城市服务。
传统的路灯监控系统采用亮度控制和时间控制两种方式，前者通过光照来控制路灯的开或关，但是粉尘、雨雪污染等会影响灵敏度;后者通过提前设置好的开关时间实现开或关，但是季节更替时需要人工干预。上述两种方式都不能较及时的管理路灯状态、控制开关时间。
现有的智慧路灯监控系统多是基于电力载波通信（Power Liner Carrier Communication，PLC）系统和基于ZigBee的系统，基于PLC的管理系统利用现有的路灯线路实现对路灯的控制，成本较低，但是信号的稳定性低，可靠性较差;基于ZigBee的管理系统利用电磁波信号进行数字通信，需要部署大量的网关来实现对路灯的控制，系统的投入成本高。
本系统是基于NB-IoT技术的路灯监控系统，使用一系列传感器实时采集路灯终端信息，通过低功耗的NB-IoT无线通信模块实现采集信息的上传和管理平台命令的下发，用户可以在路灯管理平台查看路灯信息，实时监控和管理路灯，另外系统中加入了定位模块，方便维修人员查找故障路灯，缩短了故障路灯的维修时间，对推进路灯的智能化程度具有重要意义。
2 系统总体设计
系统需要实现对路灯终端的电压、电流及环境的光线亮度、温度、湿度等信息的采集，用户要能够可视化的采集的数据并对路灯的状态进行管理。根据系统的功能可将系统分为四个部分，分别为：路灯终端采集模块、无线通信模块、云平台和路灯管理平台，实现从路灯的信息采集到数据传输再到存储、监控和管理这一整个流程。
3 系統硬件设计
系统的路灯终端包括主控芯片、无线通信模块以及用于采集路灯信息的各类传感器，用于实现数据采集和数据上传到云平台这两个步骤。
3.1 主控芯片
终端主控芯片选择STM32系列的STM32L151RCT6，芯片基于Cor-tex-M3内核是一款功耗低、性能高的芯片，工作电压为3.3V。在本系统中主要功能是接收各个模块发送的信息，协调各个模块之间的工作。
3.2 电压/ 电流传感器
电压/电流传感器的型号为MAX471，工作的电压范围为3V～36V，由于其内含精密的检测电阻，可以监测充电和放电两种状态，工作范围内传感器的精度为2%。系统中传感器的电压检测引脚VT及电流检测引脚AT分别与MCU和GPIO对应引脚连接，可以较为精准的监测路灯终端的电压和电流情况。
3.3 光敏二极管传感器
光敏二极管传感器的工作电压为3.3V～5V，在无光或者光强达不到设定阈值时，模块的DO输出高电平，当外界环境光强超过阈值时，DO输出低电平，使用时传感器的AO接GPIO对应引脚来进行模拟量的输出。传感器可以根据采集的数据是否达到阈值控制继电器开关的闭合情况，实现对路灯的开关状态的控制。
3.4 温湿度传感器
温湿度传感器型号为DHT11，具有体积小、功耗低的特点，供电电压为3.3V，温度的精度为+-2℃，温度的量程为0～50℃，湿度的精度为+-5%RH，湿度的量程为20～90%RH，采集的温度、湿度数据的精确度较高。
3.5 无线通信模块
为保障数据传输的稳定性，系统选择的无线通信模块是移远公司的BC20模块，它是一款多功能无线通信模块，具有LCC封装、超低功耗、超高灵敏度等优势，集成了高性能NB-IoT引擎和GNSS引擎。使用BC20模块实现实时上传路灯终端采集信息和下发路灯管理平台的控制命令，实现路灯终端模块与路灯管理平台之间的信息交互。
3.6 路灯定位模块
考虑到城市路灯的分布范围广，故障路灯的位置只能通过人力依次排查，路灯的管理较为被动，所以本系统在路灯终端添加了定位模块。系统选择的无线通信模块集成了定位这部分功能，天线与BC20集成的GNSS引擎连接后就可以进行高灵敏度、高精度的路灯定位。
4 系统软件设计
4.1 信息采集程序设计
在系统启动后，系统首先会判断传感器是否存在，返回值为1，表示传感器不存在，反之，则传感器存在。只有在检测到传感器的返回值为0 时才会执行后续的读取采集数据等操作，对于返回值为1 的情况需要复位硬件重新判断。
4.2 BC20模块开发
BC20模块的开发包括BC20与单片机、BC20与云平台建立连接。BC20模块接入云平台之前需要发送AT命令判断是否联网成功，当返回值为“OK”时才能进行与服务器的连接，反之就需要重启主板。在模块入网成功后使用“AT+CGATT？”和“AT+QICLOSE=0”查看注册上网信息和连接状态，随后使用TCP协议接入新大陆物联网云平台，随后模块可以正常的接收和发送数据。
4.3 新大陆物联网云平台 NLECloud的开发是整个智慧路灯监控系统中较为重要的一部分，它是路灯终端和路灯管理平台之间连接的枢纽，也是路灯智能化程度的关键，要实现终端上传数据的查看、存储以及路灯管理平台控制命令的下发。
4.4 路灯管理平台开发
系统的管理平台开发的是一款小程序，使用微信开发者工具进行，页面设计部分要设置显示数据的参数以及相应的数值范围，通过调用API获取上传到NLECloud的电压、电流、光线亮度等数据，并在页面进行数据的显示，用户可以通过扫描二维码进入小程序，对路灯进行查看和管理。
5 系统测试
搭建好硬件系统并为主板供电后，云平台可见设备在线，在系统测试的时间内设备无掉线、硬件无短路或者断路等异常情况，系统终端传感器采集的数据可以正常上传，用户可以通过小程序下发控制命令，云平台可以查看设备上传的历史信息，传感器采集到的数据在正常范围内，系统稳定性较有保障。
6 结语
基于NB-IoT技术的智慧路灯监控系统，实现了实时采集路灯终端信息，并通过NB-IoT无线通信模块将数据上传到NLECloud，便于用户监测路灯的状态，及时发现路灯故障，规范化路灯的管理，为未来智慧城市的建设打下了好的基础。
参考文献：
[1] 尹旭平，杜望.NB-IOT在道路照明智能控制系统中的应用研究[J].电气传动自动化，2018，40（05）：8-14.
[2] 成开元，廉小亲，周栋，张晓力.基于NB-IoT的城市智慧路灯监控系统设计[J].测控技术，2018，37（07）：19-22+77.
[3] 裴壮.基于蜂窝的窄带物联网（NB-IoT）技术性能及运用[J].中国新通信，2019，21（18）：10.
[4] 王世民，杨永杰.基于NB-IoT的智慧路灯管理系统[J].电视技术，2018，42（08）：143-146.
[5] 張红，尹椿荣，李伟.基于NB-IoT技术的太阳能-LED路灯照明监控管理系统[J].中国照明电器，2018（03）：34-37.
作者简介：
徐歌星（1997-），女，山东临沂人，学生，本科，主要研究方向为物联网技术。
李慧莹（1998-），女，河南驻马店人，学生，本科，主要研究方向为传感器技术。
岳秀明（1983-），女，山东威海人，讲师，硕士，主要研究方向为嵌入式系统设计、物联网技术，通讯作者。
关键词：NB-IoT;STM32;云平台;智慧路灯监控系统
1 引言
随着物联网技术的发展，各地加强对智慧城市的研究力度，路灯作为智慧城市感知层的设施，可以作为传感器的天然载体、信息采集的来源，所以充分利用路灯资源能够更好的为智慧城市服务。
传统的路灯监控系统采用亮度控制和时间控制两种方式，前者通过光照来控制路灯的开或关，但是粉尘、雨雪污染等会影响灵敏度;后者通过提前设置好的开关时间实现开或关，但是季节更替时需要人工干预。上述两种方式都不能较及时的管理路灯状态、控制开关时间。
现有的智慧路灯监控系统多是基于电力载波通信（Power Liner Carrier Communication，PLC）系统和基于ZigBee的系统，基于PLC的管理系统利用现有的路灯线路实现对路灯的控制，成本较低，但是信号的稳定性低，可靠性较差;基于ZigBee的管理系统利用电磁波信号进行数字通信，需要部署大量的网关来实现对路灯的控制，系统的投入成本高。
本系统是基于NB-IoT技术的路灯监控系统，使用一系列传感器实时采集路灯终端信息，通过低功耗的NB-IoT无线通信模块实现采集信息的上传和管理平台命令的下发，用户可以在路灯管理平台查看路灯信息，实时监控和管理路灯，另外系统中加入了定位模块，方便维修人员查找故障路灯，缩短了故障路灯的维修时间，对推进路灯的智能化程度具有重要意义。
2 系统总体设计
系统需要实现对路灯终端的电压、电流及环境的光线亮度、温度、湿度等信息的采集，用户要能够可视化的采集的数据并对路灯的状态进行管理。根据系统的功能可将系统分为四个部分，分别为：路灯终端采集模块、无线通信模块、云平台和路灯管理平台，实现从路灯的信息采集到数据传输再到存储、监控和管理这一整个流程。
3 系統硬件设计
系统的路灯终端包括主控芯片、无线通信模块以及用于采集路灯信息的各类传感器，用于实现数据采集和数据上传到云平台这两个步骤。
3.1 主控芯片
终端主控芯片选择STM32系列的STM32L151RCT6，芯片基于Cor-tex-M3内核是一款功耗低、性能高的芯片，工作电压为3.3V。在本系统中主要功能是接收各个模块发送的信息，协调各个模块之间的工作。
3.2 电压/ 电流传感器
电压/电流传感器的型号为MAX471，工作的电压范围为3V～36V，由于其内含精密的检测电阻，可以监测充电和放电两种状态，工作范围内传感器的精度为2%。系统中传感器的电压检测引脚VT及电流检测引脚AT分别与MCU和GPIO对应引脚连接，可以较为精准的监测路灯终端的电压和电流情况。
3.3 光敏二极管传感器
光敏二极管传感器的工作电压为3.3V～5V，在无光或者光强达不到设定阈值时，模块的DO输出高电平，当外界环境光强超过阈值时，DO输出低电平，使用时传感器的AO接GPIO对应引脚来进行模拟量的输出。传感器可以根据采集的数据是否达到阈值控制继电器开关的闭合情况，实现对路灯的开关状态的控制。
3.4 温湿度传感器
温湿度传感器型号为DHT11，具有体积小、功耗低的特点，供电电压为3.3V，温度的精度为+-2℃，温度的量程为0～50℃，湿度的精度为+-5%RH，湿度的量程为20～90%RH，采集的温度、湿度数据的精确度较高。
3.5 无线通信模块
为保障数据传输的稳定性，系统选择的无线通信模块是移远公司的BC20模块，它是一款多功能无线通信模块，具有LCC封装、超低功耗、超高灵敏度等优势，集成了高性能NB-IoT引擎和GNSS引擎。使用BC20模块实现实时上传路灯终端采集信息和下发路灯管理平台的控制命令，实现路灯终端模块与路灯管理平台之间的信息交互。
3.6 路灯定位模块
考虑到城市路灯的分布范围广，故障路灯的位置只能通过人力依次排查，路灯的管理较为被动，所以本系统在路灯终端添加了定位模块。系统选择的无线通信模块集成了定位这部分功能，天线与BC20集成的GNSS引擎连接后就可以进行高灵敏度、高精度的路灯定位。
4 系统软件设计
4.1 信息采集程序设计
在系统启动后，系统首先会判断传感器是否存在，返回值为1，表示传感器不存在，反之，则传感器存在。只有在检测到传感器的返回值为0 时才会执行后续的读取采集数据等操作，对于返回值为1 的情况需要复位硬件重新判断。
4.2 BC20模块开发
BC20模块的开发包括BC20与单片机、BC20与云平台建立连接。BC20模块接入云平台之前需要发送AT命令判断是否联网成功，当返回值为“OK”时才能进行与服务器的连接，反之就需要重启主板。在模块入网成功后使用“AT+CGATT？”和“AT+QICLOSE=0”查看注册上网信息和连接状态，随后使用TCP协议接入新大陆物联网云平台，随后模块可以正常的接收和发送数据。
4.3 新大陆物联网云平台 NLECloud的开发是整个智慧路灯监控系统中较为重要的一部分，它是路灯终端和路灯管理平台之间连接的枢纽，也是路灯智能化程度的关键，要实现终端上传数据的查看、存储以及路灯管理平台控制命令的下发。
4.4 路灯管理平台开发
系统的管理平台开发的是一款小程序，使用微信开发者工具进行，页面设计部分要设置显示数据的参数以及相应的数值范围，通过调用API获取上传到NLECloud的电压、电流、光线亮度等数据，并在页面进行数据的显示，用户可以通过扫描二维码进入小程序，对路灯进行查看和管理。
5 系统测试
搭建好硬件系统并为主板供电后，云平台可见设备在线，在系统测试的时间内设备无掉线、硬件无短路或者断路等异常情况，系统终端传感器采集的数据可以正常上传，用户可以通过小程序下发控制命令，云平台可以查看设备上传的历史信息，传感器采集到的数据在正常范围内，系统稳定性较有保障。
6 结语
基于NB-IoT技术的智慧路灯监控系统，实现了实时采集路灯终端信息，并通过NB-IoT无线通信模块将数据上传到NLECloud，便于用户监测路灯的状态，及时发现路灯故障，规范化路灯的管理，为未来智慧城市的建设打下了好的基础。
参考文献：
[1] 尹旭平，杜望.NB-IOT在道路照明智能控制系统中的应用研究[J].电气传动自动化，2018，40（05）：8-14.
[2] 成开元，廉小亲，周栋，张晓力.基于NB-IoT的城市智慧路灯监控系统设计[J].测控技术，2018，37（07）：19-22+77.
[3] 裴壮.基于蜂窝的窄带物联网（NB-IoT）技术性能及运用[J].中国新通信，2019，21（18）：10.
[4] 王世民，杨永杰.基于NB-IoT的智慧路灯管理系统[J].电视技术，2018，42（08）：143-146.
[5] 張红，尹椿荣，李伟.基于NB-IoT技术的太阳能-LED路灯照明监控管理系统[J].中国照明电器，2018（03）：34-37.
作者简介：
徐歌星（1997-），女，山东临沂人，学生，本科，主要研究方向为物联网技术。
李慧莹（1998-），女，河南驻马店人，学生，本科，主要研究方向为传感器技术。
岳秀明（1983-），女，山东威海人，讲师，硕士，主要研究方向为嵌入式系统设计、物联网技术，通讯作者。