基于NB-IoT技术的LED路灯系统

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（桂林海威科技股份有限公司，广西桂林541504）

【摘要】随着国家对节能环保和绿色经济的要求越来越高，LED在城市路灯和乡村太阳能

路灯上正被广泛地应用。如何使LED路灯更节约电能及实现LED路灯的远距离监控至关重要。文章阐述了一种基于NB-IoT技术的LED路灯系统，介绍了LED路灯的硬件系统组成和嵌入式软件架构。该系统采用MCU+NB模块实现了对路灯系统的电压电流采集、状态定时上报、远程开关控制、定时开关路灯、多时段PWM调光等，较好地解决了LED路灯的远程监控问题，在LED路灯产品中得到了广泛的应用。【关键词】NB-IoT；LED路灯；PWM调光；数据采集【中图分类号】TM923.34【文献标识码】A【文章编号】1674-0688（2019）06-0055-03

近年来，国家对节约能源和绿色经济的要求越来越高，如何在公共照明领域实现节能要求是政府部门的要求，也是企业实现科技创新的动力。LED照明作为新一代照明技术，因为LED的高光效率，正逐步替代传统城市照明的钠灯。在中国的广大乡村，LED太阳能路灯正逐步兴起，而广大农村因路灯安装相对分散，给后续的运维带来了新的挑战，如何监控相对孤立的LED路灯并使其更节能是需要解决的问题。窄带物联网（NB-IoT）已经成为3GPPLTE标准之一，用于提供多领域设备物联，为万物物联提供了参考标准。NB-IoT技术具有低功耗、可定位、支持上下行传输、工作在授权频段等特点。以上特点使NB-IoT技术可广泛应用于小设备、小数据传输的监控设备及设备多而分散的监控系统中。NB-IoT技术经过几年的发展，专用芯片已经小型化，对应的模块已经批量应用。基于LED路灯存在的问题和窄带物联网技术的成熟，本文采用MCU+NB模块实现了一种新的LED路灯系统。该系统能够实现电压电流的采集，从而计算出系统的能耗、判断系统的运行状态，并通过NB模块定时上报消息到服务器，运维人员通过服务端能实时了解每个LED路灯的状态。同时，通过服务器可以远程对LED路灯开关灯，远程配置LED路灯的开关灯时间，以及配置不同时段调整LED的亮度。图1

调光LED路灯系统硬件框图

按照LED路灯累计浪涌技术及标准要求，设计成可防6kV浪涌抗扰。电源转换主要提供系统要求的电压，在城市照明路灯中，本电源转换模块主要实现AC到DC转换，把市电220V电压转换到直流12V，以及把直流12V再转换到3.3V等；而在农村太阳能路灯中，本电源转换模块主要实现太阳能板对电池的充电，以及把电池电压转换到12V和3.3V给系统各模块供电。微处理器（MCU）为系统核心，一是需要完成对NB模块的初始化，控制其在NB-IoT网络中注册，接收来自服务器的控制数据，通过NB模块上报数据到服务器；二是需要采集系统的电压、电流和系统温度等，按照服务器下发的控制策略，通过继电器控制路灯的开关，也可以按照服务器下发的调光策略，通过PWM调光模块实现路灯的亮度控制；三是把采集到的数据进行数据存储，定时上报到服务器。1硬件框图设计及实现该系统采用MCU+NB模块的主硬件架构，MCU作为系统的核心，完成系统的各种数据采集，数据采集后对数据进行分析和计算，从而得出系统的电量信息和系统运行状态，最后通过NB模块无线传输到服务器，实现系统数据的上报，具体硬件框图如图1所示。图1为LED路灯系统的硬件框图，在完成所有功能基础之上，考虑到LED路灯安装在户外，且路灯作为一种金属杆，是很容易引发雷击的。因此，本系统专门增加防雷电路，2器件选型及外围实现本文所设计的LED路灯系统，需要完成系统的电压采样和电流采样，因此至少需要2路的模数转换器（ADC）。而在不同的产品应用中，电压采样还包括对电池的电压检测，电流采样还包括对电池的放电电流和充电电流的双向检测，以及对电池温度的监控都需要电压采样后进行计算完成，因此本系统的ADC通路数至少需要2通道，最多达5通道。数据存储模块主要实现对采集到的异常数据和计算所得【作者简介】唐宽，男，广西桂林人，本科，桂林海威科技股份有限公司工程师，从事物联网与LED照明研究工作。

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企业科技创新数据进行存储，比如计算所得出的系统功率值、系统累计电量值；还包括在实现系统远程升级时，用于存储来自服务器的系统升级文件，因此存储容量需求大于64KB。本系统中选用一片SPIFlash作为数据存储芯片，型号为GD25Q80，其容量为1MB，在其上建立FAT文件系统，完全满足系统数据存储的需求。继电器模块主要实现路灯电源的通断控制，其主要指标是最大驱动负载电流和工作电压。在本系统中，LED路灯功率最大可达150W，因此对应的驱动负载电流约1A，系统最大工作电压为220V。本系统选用欧姆龙的继电器型号G5LE-14，其可稳定工作在5A250VAC的系统中，完全满足系统要求。要实现LED的调光，一种方式是采用输出PWM波直接对LED灯进行调光控制，这种调光方式会使路灯发出的光存在频闪问题，虽然在提高PWM输出频率后，频闪用人眼很难分辨，但从系统稳定性考虑，仍然存在稳定性差的特点；另一种方式为对PWM波先进行RC滤波，再通过运算放大器对线性电压进行放大，从而得到一个宽范围的线性调光电压，该调光方式在系统测试对比中最稳定且输出光不存在频闪问题。如图2所示，来自MCU输出的PWM信号，先经过R1、C1进行一次RC滤波，调整R1、C1的值，可以适配不同PWM输出频率，使运放的输入电压纹波在20mV以内。图2中通过调节R3、R4的值，可以改变运放的放大倍数，从而满足驱动LED路灯的调压范围。图2中可实现在MCU输出3.3V的PWM脉冲时，得到0～10V的线性调节范围的可调电压值。NB模块作为远程无线通信基础，目前已经有多家模块供应商可选择，本系统中选择了“上海移远”的BC95模块和利尔达科技”NB05-01模块进行测试和验证，测试发现两个模块在AT指令集方面基本一致，而BC95模块在接收信号灵敏度方面优于NB05-01模块，最后选择BC95模块作为量产型号。NB05-01模块在体积上明显小于BC95模块，因此在一些体积有要求的路灯系统上，只能选择NB05-01模块。结合以上系统要求，本系统选用STM32F103C8T6作图2PWM输入转线性输出电路56

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2019年第6期（总第452期）为主控MCU，该芯片具有最多16个通道的ADC，满足本系统最多5路ADC需求。该芯片具有最多7个定时器，可以产生PWM信号，满足本系统的1路PWM需求。该芯片具有2路独立的SPI驱动器，满足本系统1路数据存储flash芯片要求。该芯片具有3路串行通信USART口，满足本系统所要求的1路串口与NB模块进行通信的需求。3嵌入式软件设计及实现嵌入式软件是让MCU按照设计意图，按照程序流程顺序执行，控制设备外设和外围电路实现系统需求。本系统中的嵌入式软件主要实现软件升级、NB模块的通信、数据采集、开关控制、调光控制和定时上报系统状态（如图3所示）。如图3所示，系统在上电后，程序从开始处开始运行，其先进行系统升级检测，即读取外置数据存储器，看是否存在升级文件，如果没有则执行下一步，否则按照如下步骤对MCU进行程序升级：譹訛检测升级文件的有效性和完整性；譺訛检测升级文件的版本是否高于当前运行软件版本；譻訛关闭flash程序区写保护；譼訛擦除flash；譽訛把升级文件写入对应的flash扇区；譾訛对写入的flash区域进行校验；譿訛开启flash程序区写保护；讀訛系统复位，升级完成。以上程序升级步骤，如果执行过程中任何步骤出现错误，则依据错误退出升级或者回退版本。如果在以上步骤譼訛之后出现错误，则程序切换回上一版本已经验证正确的程序，继续执行下一步操作，即开始初始NB模块，在初始NB模块时，按照以下步骤进行：譹訛发送AT测试指令，判断是否有OK”返回；譺訛发送错误值返回开指令；譻訛获取频段号，根据模块选择电信和移动工作频段；譼訛获取卡号，判断卡是否插好；譽訛激活NB-IoT网络，并获取激活状态；譾訛获取信号质量；譿訛向运营商注册，并判断系统注册状态；讀訛打开接收到数据提示。以上初始化NB模块步骤中，任何一步出现错误时，对当前步骤进行重试3次，如果3次仍然无法通过，则返回到步骤譹訛重新初始化；直到整个NB模块初始化通过再执行下一步操作。图3LED路灯软件流程图

““2019年第6期（总第452期）数据采集主要完成对路灯系统中各电压电流参数进行采样，采样后再进行计算得出电池容量、电量等信息。本系统中需要完成的采样包括输入电压、输入电流、电池电压、电池电流、系统温度5个参数。其中，根据输入电压和输入电流值进行计算，可得到输入功率，输入功率与时间乘积可得到电量值；同样，电池电压和电池电流可得到电池充放电容量；系统温度的采集用于控制电池充放电的电流，以及监测系统的异常状态。本系统首先把以上5个参数转换到电压，然后通过MCU的5个ADC通道轮流切换来完成对5个参数的电压采集；采集到的电压值再经过内部查表操作转换到对应的原始电压、电流、温度值。开关控制用于控制LED灯及降压电路是否开启。一般情况下，系统按照设定的开关时间策略，在对应时间点上开启或者关闭LED，对应LED路灯系统最简单的就是白天需要关闭LED灯，而晚上需要开启LED灯。相对复杂的路灯系统，会引入月历和系统的经纬度，计算可得到当地每天天黑的准确时间，从而智能调整每天的开关灯时间。服务器在任何时候都可以通过NB-IoT无线通信，发送开启或者关闭LED灯指令，从而控制LED路灯实时开关，即本系统手动控制有最高优先级。调光控制是本系统中用于执行多种控制策略而达到省电目的的关键方法。通过设置灵活的调光策略，在不同时间设置不同的LED亮度，从而可以最大限度地实现节能。在路灯系统上，晚上0点后，路上行人活动变少，这时可以通过调光策略进行调光控制，使LED工作在50%亮度或者更低亮度下，从而达到节约能源目的。服务器在任何时候都可以通过NB-IoT无线通信，下发新的调光策略到LED路灯，新策略立即生效并保存，后续都按照新的调光策略进行调光控制。定时上报用于把LED路灯的状态信息通过NB-IoT无线通信上传到服务器，所设定的定时时间也可以通过服务器动态设置。定时上报状态是为了让服务器知晓每个LED路灯的运行状态，一旦LED路灯系统参数出现异常，则通过NB模块信息与地理位置信息对应，可快速得出是哪个LED路灯出企业科技创新现异常，方便维修人员快速检修。数据交换主要是MCU与NB模块进行数据收发，首先通过AT指令查询NB模块是否接收到来自服务器的下行数据，如果有则进行接收数据并按照预定协议格式对数据进行解析，找到命令类型并执行对应操作；其次打包需要上传的状态数据，通过AT指令发送到NB模块，并等待服务器的返回结果，如果NB模块返回“OK”则认为上传成功，否则根据NB模块返回的错误值进行处理，重新发送状态数据。4结语本文主要阐述了一种基于NB-IoT的LED路灯系统。通过系统的硬件框图介绍了系统硬件组成，重点介绍了系统在户外使用时的防雷要求和电压要求。通过器件选型和外围实现的介绍，依据系统硬件要求确定了芯片类型，依据系统功能要求确定了MCU与外置芯片数据通信接口类型。以嵌入式软件流程图展开说明了本系统软件组成，重点介绍了软件如何实现远程升级和NB模块的初始化数据数据交换方法。该系统已经在本公司城市路灯改造工程和乡村太阳能LED路灯上得到了广泛的应用。参考文献

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［责任编辑：钟声贤］

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