基于NB-IoT的智慧路灯检测系统.pdf
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1、收稿日期:2022-12-07基金项目:安徽省高校自然科学重点项目(2022AH052740);安徽省自然科学研究重点项目(KJ2021A1483);安徽省教研重点项目(2021jyxm0461);安徽省重点实验室开放课题(OMST201901);安徽省职业与成人教育学会科研规划课题项目(Azcj2021123);安徽省质量工程项目(2020jyxm0638,2020mooc143,2019mooc497);安徽省高等学校省级双基示范课程(2020sjsfkc47,2020sjsfkc15);安徽商贸职业技术学院“双高计划”项目(2020sgxm06-1,2020sgxm06-2);安徽商贸职
2、业技术学院自然科学研究项目(2021KYZ03).作者简介:1.罗青青,女,安徽芜湖人,安徽商贸职业技术学院讲师;周正贵,方银银,安徽商贸职业技术学院(安徽 芜湖241002).2.罗青青,光电材料科学与技术安徽省重点实验室.罗青青,等:基于NB-IoT的智慧路灯检测系统2023 年第 8 期第 44 卷总第 341 期学 报基于 NB-IoT 的智慧路灯检测系统罗青青1,2,周正贵1,方银银1摘要:随着城市建设的飞速发展,城市道路需求量及规模不断增大,城市路灯照明的能源消耗也不断增多,而传统路灯照明主要采用手动、定时控制等方式,存在智能化低、浪费电等缺点.因此,该文提出了一种基于 NB-Io
3、T 的路灯检测系统方案.首先,系统可实时检测路灯状态和环境信息并将准确的信息传送至云平台;其次,系统根据采集的信息,自动调节路灯亮灭,并且用户可通过电脑和手机等远程查询路灯状态和环境信息.实验表明:该系统容易组网,能准确采集和传送数据至云平台,实现了路灯采集节点、NB-IoT 基站、EPC 核心网及云平台之间的实时通信,系统运行效果良好,可为智慧路灯远程检测提供部分数据支持.关键词:NB-IoT;智慧路灯;检测系统;云平台中图分类号:TP277文献标志码:A文章编号:1008-7974(2023)08-0001-08DOI:10.13877/22-1284.2023.08.001传统路灯照明存
4、在智能化低、浪费电等缺点1-2.为降低照明能源消耗,基于物联网技术的智慧路灯检测系统设计迫在眉睫.物联网的无线通信方式主要有 ZigBee、Wi-Fi、NB-IoT和 LoRa,但 ZigBee 具有易受障碍物的影响、传输距离较短,且网络系统可控路灯数量少的缺点3;Wi-Fi 技术的最大通信距离更短,仅为 19 m;而 LoRa 技术需要自建基站,否则,容易受道路障碍物的干扰4.NB-IoT 是能够在全球范围内广泛部署的低功耗广域网,可以直接部署在现有运营商网络,消耗约 180 KHz 的带宽,且低成本和低功耗2,还可将采集的数据上传至云端,直接部署在 GSM 网络、UMTS 网络或 LTE
5、网络5-9.12023 年第 8 期学 报但 是 当 路 段 较 长、较 远 距 离 传 输 时,传 统NB-IoT 的智慧路灯系统所传输的数据不够稳定.本文设计了基于NB-IoT的路灯检测系统,系统可实现实时检测路灯状态和环境信息,并结合 BP 神经网络具有可预测、自学习等特点3,可及时改正传感器模块传输的错误数据帧,将准确的信息传送至云平台;系统可根据采集的信息,自动调节路灯亮灭;用户也可通过访问云平台远程查询路灯状态和环境信息.1系统总体设计本系统包括路灯采集节点、NB-IoT 基站、EPC 核心网及云平台.路灯采集节点包括传感器模块和控制模块.传感器模块用于采集路灯状态及周围环境的信息
6、,如路灯温度、环境光亮度等;控制模块可控制路灯亮灭.NB-IoT基站传输云平台与路灯采集节点之间的数据.一个 NB-IoT 基站覆盖一个路段的路灯采集节点,一个云平台连接多个 NB-IoT 基站,实现智慧路灯检测系统对多路段路灯的统一管理1.系统框架图如图 1 所示.图 1系统框架图传感器模块检测的信息通过 NB-IoT 网络发送到 NB-IoT 基站,基站通过 S1-lite 接口与EPC 核心网连接,EPC 核心网将信息发送至云平台,用户可以通过电脑或手机访问云平台远程查询路灯的状态及环境的信息,利用云平台发送指令控制路灯的亮灭.2系统硬件设计系统的硬件设计是在每个路灯采集节点安装了传感器
7、模块、控制模块,并在附近设有NB-IoT 基站.如图 2 所示,传感器模块硬件设计包括:主控制器、光照传感器、声音传感器、电压电流传感器、温度传感器、NB-IoT 模块及驱动模块.如图 3 所示,控制模块由主控制器、NB-IoT 模块及驱动模块构成;驱动模块用于驱动 LED 灯,系统可实时检测路灯状态和环境信息并传送至云平台;系统可根据采集的信息,自动调节路灯亮灭,用户可远程查询路灯状态和环境信息.图 2传感器模块硬件结构图图 3控制模块硬件结构图2.1主控制器电路设计如图 4 所示,STM32L151CCT6 是 STM32 系列低功耗主控制器,是 ARM Cortex-M3 内核,具有 3
8、2 KB 的 RAM 和 256 KB 的 Flash,最高主 2罗青青,等:基于NB-IoT的智慧路灯检测系统频达到 32 MHz6,可完成与传感器进行数据传输,并满足系统功能的要求.以 STM32L151CCT6 为主控制器的智慧路灯检测系统主要完成以下功能:数据的采集.接收光照传感器监测环境光的亮度值,声音传感器通过采集周围的声音信号强弱判断是否有车辆或人通过.数据检测及修正.系统可校验路灯采集节点所接收的数据是否准确,及时修正错误的传感器模块数据帧.数据的传输.系统将传感器采集到的经过系统数据检测及修正的数据发送至 NB-IoT 模块,NB-IoT 模块进入连接状态,并将采集的数据经
9、NB-IoT 基站发送至云平台.接收云平台发送的数据,控制发送路灯是否打开的数据.路灯异常检测,如温度过高、功率过大,云平台控制路灯关闭.图 4STM32L151CCT6 芯片2.2NB-IoT 模块NB-IoT 适用于远距离、低频率传输,且丢包率非常低,因此非常适用于智慧路灯检测系统数据的远程传输.系统NB-IoT模块采用移远的芯片BC260Y,它是一款高性能、低功耗且多频段的 LTE CatNB2 无线通信模块.BC260Y 可提供丰富的外部接口和协议栈,可支持中国电信物联网开放平台、中国移动物联网开放平台等多个平台,用户使用极为方便.该系统中 NB-IoT 的电信运营商是中国电信,而目前
10、中国电信的 NB-IoT 云平台只支持CoAP 接入,因此,使用 AT 命令对 NB-IoT 模块控制.AT 命令的结构为 AT+控制语句,通过串口向终端设备发送相关指令即可实现控制模块执行相应功能,再对 AT 指令进行封装,构成功能函数,如接收数据、发送数据函数等5.STM32L151CCT6 芯片通过串口与 BC260Y芯 片 通 信,使 用 BC260Y 芯 片 的 RXD 端 和STM32L151CCT6 的 TX 端相连接,BC260Y 芯片的 TXD 端和 STM32L151CCT6 的 RX 端相连接,如图 5 所示.图 5STM32L151CCT6 与 BC260Y 芯片连接电
11、路图2.3电压电流传感器电压电流传感器电路用于检测电流,其连接方式如图 6 所示.采用电流检测放大器芯片 MAX471,该芯片是美国 MAXIM 公司生产的双向、精密电流传感放大器,内置 35 m 电阻,精度可达2%,测量电流的上下限为3 A10.输入接线:RS+接被检测电路的正极,RS-接被检测电路的负极,GND 接电源或者负载的负极,OUT 输出端与单片机的 AD 输入端 PA0电连接.图 6电压电流传感器电路图2.4光照传感器光照传感器用于检测光照,电路连接方 32023 年第 8 期学 报式如图 7 所示.电路由 LM393 构成双电压比较运放电路11,两个电压信号分别通过 2、3 脚
12、输入比较运放器,1 脚与单片机 PF7 电连接,根据两脚的电源情况,输出相应的高电平或低电平.其中 2 脚输入电压为比较基准电压,可以通过调节 VR1 改变基准电压.3 脚输入电压受光敏电阻影响,当正常光照时,亮度较大,光敏电阻阻值小,则 RT 电压小于基准电压,1 脚输出为低电平.当亮度变暗时,光敏电阻阻值变大,RT 电压增大,当 RT 电压大于基准电压,1 脚输出为高电平.图 7光照传感器电路图2.5声音传感器声音传感器用于检测周围环境的声音情况,电路连接方式如图8所示,电路采用MP9767P,用于采集声音信号,输出信号与单片机 PF6 电连接.图 8声音传感器电路图2.6温度传感器温度传
13、感器电路连接方式如图 9 所示,电路采用 DS18B20,该芯片可输出数字形式,无须进行大量的温度分析与处理,电路构造简单,使温度数据采集更加省时省力,可用于检测系统,DS18B20 的第 2 引脚与单片机 PB9 电连接,用于检测路灯的温度.图 9温度传感器电路图2.7LED 驱动电路LED 驱动电路连接方式如图 10 所示,电路采用 DD313,DD313 用于驱动大功率 LED 的恒流驱动芯片.具有三个恒流驱动通道(第 6、11、13 引脚),每个通道通过外挂一个电阻来设置输出的恒定电流值,并通过三个使能端(第 3、4、5 引脚)独立控制三个电流输出通道的 开 关 时 间,开 关 切 换
14、 频 率 最 高 能 达 到 1MHz.芯片内置过热断电和过电流保护功能,因此适用于大功率的路灯使用.DD313 的第3、4 引脚通过电阻 R24 与单片机 PA8 电连接,第 6、11、13 分别与 LED 电连接.图 10LED 驱动电路图 4罗青青,等:基于NB-IoT的智慧路灯检测系统3系统软件设计软件设计分为智慧路灯检测系统主程序软件设计、BP 神经网络优化路灯采集节点设计和智慧路灯检测系统云平台设计.智慧路灯检测系统主程序软件设计主要作用是通过主控制器控制光照传感器、声音传感器、NB-IoT 模块实现数据采集与数据上报功能;利用 BP 神经网络比较传感器模块数据帧发送的神经元输入值
15、与控制模块数据帧接收神经元的输出值是否相等,进而判定数据的准确性;通过正确配置云平台,将传感器采集到的数据显示给用户,为用户提供远程实时、准确的数据信息.3.1通信协议的设计为了保证数据传输的准确性与可靠性,根据需求,系统设计了一种通用数据帧,数据帧包含:帧首、数据长度、数据帧类型、MAC地址、有效数据、路灯采集节点 ID、校验位及帧尾,如表所示.用 0XE0 表示帧首;用 0XEF表示帧尾;路灯采集节点的编号用路灯采集节点 ID 表示;路灯采集节点的物理地址用MAC 地址表示2.3.2智慧路灯检测系统主程序软件设计智慧路灯检测系统主程序流程图如图 11所示.首先对定时器及串口初始化,然后等待
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