基于NB-IoT的智慧路灯监控系统设计

基于NB-IoT的智慧路灯监控系统设计

摘要

在物联网技术快速发展的今天，各地加大对智慧城市建设的步伐，路灯作为智慧城市中传感器的天然载体和信息的采集来源重要性不同往日。随着城市的发展，城市的规模也进一步扩大，路灯等照明设施的需求量增多，电量的消耗量也随之增加，但是很大一部分的消耗可以避免，本论文将结合以上现实意义设计一款较为智能化的路灯监控系统，实现路灯的规范化管理，以达到在监管路灯的同时节约电能的目的。

本文通过研究国内城市路灯管理系统的现状和参考国内外文献，设计出基于窄带物联网（NB-IoT）的城市道路智慧路灯监控系统，系统硬件部分的主控芯片为STM32L151RCT6，在本系统中主控芯片可以管理连接到路灯终端的传感器。系统可以实现将采集的数据通过NB-IoT模块传输到云平台，小程序从云平台获取数据，用户通过小程序实现对路灯的管理。

本文所研究的智慧路灯监控系统，实现了数据采集上报、监控、存储及管理的一体化功能，达到节能、规范化管理路灯的预期目的。

关键词：NB-IoT STM32L151RCT6 云平台智慧路灯监控系统

摘要 I

ABSTRACT II

1 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外现状 2

1.3 论文章节安排 3

2 系统总体设计 4

2.1 功能需求分析 4

2.2 各模块方案设计 4

2.2.1 路灯终端采集模块 5

2.2.2 无线通信模块 5

2.2.3 云平台 6

2.2.4 路灯管理平台 7

2.3 本章小结 7

3 系统硬件设计 8

3.1 系统功能框图 8

3.2 主控芯片 9

3.3 路灯状态采集传感器 10

3.3.1 电能监测模块 10

3.3.2 路灯定位模块 11

3.4 环境监测模块 11

3.4.1 光敏二极管传感器 11

3.4.2 温湿度传感器 12

3.5 无线通信模块 12

3.6 本章小结 13

4 系统软件设计 14

4.1 信息采集软件设计 15

4.1.1 开发环境 15

4.1.2 数据采集程序设计 15

4.2 BC20模块开发 18

4.3 新大陆物联网云平台开发 21

4.4 路灯管理平台开发 22

4.5 本章小结 23

5 系统测试 24

5.1 硬件测试 24

5.2 系统功能测试 25

5.2.1 数据的上传 25

5.2.2 命令的下发 26

5.3 系统测试结果分析 27

5.4 本章小结 27

6 总结与展望 28

6.1 工作总结 28

6.2 研究展望 28

参考文献 30

致谢 33

附录 34

1 绪论

1.1 研究背景及意义

随着物联网技术的发展，各地加强对智慧城市的研究，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，充分利用路灯资源能够更好的为智慧城市服务。

路灯作为城市建设中不可或缺的基础设施，需求量巨大，监管效果也因为各地对路灯的管理标准不同而存在着巨大的差异。但是各地对路灯的管理存在着一个共同的问题，那就是路灯管理的规范化程度较弱，在前期建设时积极性高，但是随着时间的发展，就会出现路灯的维护力度不够，管理工作不到位等问题[1]，所以设计出一个智能化的路灯管理系统规范路灯的管理有着不错的应用前景。

传统的路灯监控系统多采用光线亮度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、雨雪污染等会对灵敏度造成影响；后者通过提前设置好的开关时间段实现开或关，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以及控制路灯的开关时间，在路灯发生故障后只能通过人工巡检来定位故障路灯，随后进行维修，路灯故障解除时间或长或短，给行人和司机的安全带来了威胁。现有的智慧路灯监控系统多采用基于电力载波通信（Power Liner Carrier Communication,PLC）系统和基于ZigBee的系统，基于PLC的路灯管理系统可以利用现有的路灯线路来实现对路灯的控制，成本较低，但是信号的稳定性低，自身还存在固有的脉冲干扰，可靠性较差；基于ZigBee的路灯管理系统利用电磁波信号进行数字通信，但是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。

本文研究的是基于NB-IoT城市道路智慧路灯监控系统，通过一系列传感器实时采集路灯信息，利用低功耗的NB-IoT无线通信模块实现对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随时随地的查看路灯信息，实时监控和管理路灯。系统实现了路灯智能化、规范化的管理，缩短了路灯故障的解决时间，减轻了维修人员的工作压力，本系统对推进路灯的智能化程度具有重要意义[2]。

1.2 国内外现状

路灯的管控系统从最初的人工控制阶段，发展到机械控制阶段，再到现在的计算机控制阶段，系统的智能化程度有较大幅度的提升。随着物联网技术的发展，推进了国内外对路灯监控系统的研究，国内外对路灯的管理和控制方式的智能化程度也是各不相同。

随着城市建设在国内的快速发展，城市中路灯数量逐年增加，虽然路灯设施总量增加速度快，而且出现了基于PLC、ZigBee等技术的智慧路灯管理系统，但是国家还没有对智慧路灯监控系统制定统一的标准，各地采用的技术参差不齐，所以实现大规模的部署和管理还有很长的一段路要走。采用PLC等有线控制方式的路灯管理系统，实现对路灯的开关控制，保障路灯的照明，但是功能过于单一化，而且其自身还存在信号衰退快、信号不稳定、可靠性差等问题。采用ZigBee等无线控制方式的路灯管理系统，实现对路灯相关工作信息的采集和传输，保障照明的同时兼顾了数据的采集，但是利用ZigBee的无线自组网，设置网关进行连接，网络的覆盖差，另外由于路灯建设在室外，容易受到干扰，信号不可靠，其次考虑到单个ZigBee模块的工作范围，路灯管理系统投入的节点数量大，成本也高。

在国外，关于公共照明管理系统的诸多弊端的话题备受关注，不过他们更关注对场景的分析，例如根据环境光照亮度，路灯可以进行自动的亮度调节，分析环境的车流量及人流量的数据，根据不同的道路情况设置不同的监控方案。多个国家实现了在移动端对路灯的管理，包括了解路灯是否需要更换、控制某个路灯的亮度、路灯点亮等各种措施，一方面是为了让路灯的管理更加智能化，另一方面是为了进一步的节约能源。例如，在伦敦，当地政府已计划投资325万英镑更换1.4万个“智能路灯”，建成以后维护人员可以通过IPAD了解路灯是否需要维修或更换，对每个路灯的亮度进行控制，减少能源的消耗；在德国也采用了手机点亮路灯的技术；在美国则是基于Wi-Fi技术控制和管理路灯，法国则是采用智能镇流器对路灯亮度进行调节，尽可能的延长路灯使用寿命。

综合国内外研究现状，路灯管理系统将会随着计算机技术的发展变得更加智能，路灯的功能也会越来越丰富。

1.3 论文章节安排

本论文的具体安排如下：

第一章绪论，介绍系统的研究背景和意义、国内外对路灯管理系统的研究现状。

第二章系统总体设计，分析系统的预期功能，对系统模块进行初步设计。

第三章系统硬件设计，介绍系统的功能模块、工作流程以及详细的元器件说明。

第四章系统软件设计，介绍系统具体的开发软件，给出各部分核心代码和效果图示。

第五章系统测试，给出系统的实物图，测试系统的数据收发及稳定性。

第六章总结与展望，总结在系统设计和论文写作中遇到的问题。

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