CN110278216A - 基于NB-IoT的智能路灯管理系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于NB‑IoT的智能路灯管理系统，其特征在于：包括路灯终端、基站、核心网和监控终端；所述路灯终端通过基站和核心网与监控终端连接；所述路灯终端包括依次连接电源适配器、单灯控制器和LED灯具；所述单灯控制器包括主控模块、电源模块、NB‑IOT通信模块和传感器模块；所述主控模块与电源模块、NB‑IOT通信模块和传感器模块分别连接；所述电源模块还与NB‑IOT通信模块和传感器模块分别连接。本发明具备依据环境自动调光、远程控制、参数监测和故障检测等功能，利用NB‑IoT新型物联网通信技术实现远程控制，通过监控中心对一个区域的路灯进行统一管理，根据不同的规则对路灯终端进行灵活控制，能够节约路灯的电耗。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于NB-IoT的智能路灯管理系统及方法。
背景技术
智能路灯管理系统作为智慧城市的重要组成部分正迎来前所未有的发展机遇。在长期的运营维护过程中，传统的路灯管理控制方式逐步暴露了多个弊端，具体为：传统路灯采用手动、光控、钟控等管理方式，容易受季节、天气等自然环境和人为因素影响，经常该亮时不亮，该灭时不灭，造成能源浪费；路灯经常在后半夜超功率运行，增加电能消耗和降低灯具寿命；缺乏实时监测功能，灯具无法按需调节亮；传统的路灯管理系统一般采用ZigBee、PLC、433MHz等通信方式连接路灯，一旦网关出现问题或断网，路灯将不受控制。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于NB-IoT的智能路灯管理系统及方法，对路灯工作状态、人流车流量以及环境光强进行实时监测；采用 NB-IoT无线传输技术，实现端到云和云到端的数据传输，可以实时监控路灯的工作状态，并且根据采集到的参数实现智能调光、远程控制、参数监测和故障检测等功能，利用NB-IoT 新型物联网通信技术实现远程控制，通过监控中心对一个区域的路灯进行统一管理，根据不同的规则对路灯终端进行灵活控制，进而节约路灯的电耗，节省人力物力成本，降低维护成本。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于NB-IoT的智能路灯管理系统，包括路灯终端、基站、核心网和监控终端；所述路灯终端通过基站和核心网与监控终端连接；所述路灯终端包括依次连接电源适配器、单灯控制器和LED 灯具；所述单灯控制器包括主控模块、电源模块、NB-IOT通信模块和传感器模块；所述主控模块与电源模块、NB-IOT通信模块和传感器模块分别连接；所述电源模块还与NB-IOT通信模块和传感器模块分别连接。
进一步的，所述监控终端包括物联网云平台和手机 APP客户端，通过手机 APP客户端可以实时监控路灯终端运行状态或实时控制路灯终端运行装置。所述的物联网云平台界面的内容为设备详情、历史数据、设备日志、历史命令。设备详情包含了设备名称、设备ID、验证码（BC95 模块的 IMEI 号）和通信协议等内容；历史数据包括环境光照强度，路灯工作功率，路灯亮度等级，GPS 定位的经纬度和人流车流量。设备日志用于显示设备接入的情况；历史命令用于记录是来自手机APP端的开关灯控制命令。所述的APP客户端的监控主界面的内容有设备名称，设备在线状态，GPS 定位的经纬度，环境光照强度，路灯工作功率，路灯亮度等级，人流车流量（设定为一分钟为一个周期），路灯远程开关按键，历史数据查询，路灯位置查询，设备新增/删除功能。
进一步的，所述传感器模块包括用于检测光照强度的光照强度传感器模块、用于检测人流车流的红外传感器模块和用以快速定位故障路灯位置的GPS定位模块。
进一步的，所述主控模块为STM32L4主控模块，采用 LiteOS 轻量级物联网操作系统。
进一步的，所述的电源模块分为两个部分，一部分是 LED 灯具供电的电源系统，另一部分是单灯控制的辅助电源系统。因为本系统的LED 灯具工作电压为12V，采用AC/DC电源适配器（220V交流转12V直流）来提供灯具用电。在单灯控制器电源部分，本系统采用一款恒定5V升压控制器TP5410完成5V升压输出。
进一步的，所述的光照强度传感器模块采用是 BH1750FVI数字型16位数字传感器。照度范围为1～65535lx。
进一步的，所述红外传感器模块用高精度的红外检测 TFmini小型激光雷达模组。、
一种基于NB-IoT的智能路灯管理系统的管理方法，包括以下步骤：
步骤S1:主控模块通过传感器采集数据，并将数据按系统开发的编码规则进行编码;
步骤S2:主控模块通过串口，以AT命令的形式，发送已经编码数据到NB-IoT通信模块；
步骤S3:NB-IoT模组接收到主控模块发出的AT命令后，自动已经编码数据封装为COAP协议的消息，并通过基站和核心网发送给物联网平台；
步骤S4:物联网平台收到数据后，自动解析CoAP协议包，根据路灯终端设备profile文件，找到路灯设备对应的编解码插件，对 payload 数据包进行解析，解析为与路灯设备profile 描述文件中服务文件相匹配的json数据，并将数据存于物联网平台;
步骤S5:手机客户端 APP通过 RESTful API接口获取平台上的路灯工作状态数据。
进一步的，所述通过手机客户端 APP控制路灯还可以控制路灯工作状态，具体如下：
步骤S51:手机客户端 APP 创建下发路灯开关的信令,发送至物联网平台;
步骤S52:物联网平台收到之后，开始执行判断路灯设备终端是否入网在线，如果设备在线，通过查找路灯编解码插件进行编码，输出二进制消息打包成 CoAP 报文形式，然后下发信令到路灯终端的NB-IoT通信模块;如果平台判断设备离线，那么信令会被存储于物联网平台的命令历史数据;
步骤S53:下发路灯开关命令成功后，路灯设备终端会上报命令执行的结果，同样在物联网平台通过对应的 profile 文件查找路灯编解码插件执行解码，输出二进制消息，获取信令的执行结果，修改路灯的开关灯状态，并将路灯终端设备的开关状态的执行结果送达手机 APP 客户端。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明可以通过传感器采集数据，对路灯工作状态、人流车流量以及环境光强进行实时监测；然后采用 NB-IoT无线传输技术，实现端到云和云到端的数据传输，可以实时监控路灯的工作状态，并且手机APP客户端可以根据采集到的参数实现路灯定位、组网控制和路灯参数异常监测的功能。
2、本发明可以实现多个路灯节点同时控制，方便智能控制策略的实施；路灯参数监测功能，参数监测一方面是监测路灯在线状态是否正常，另一方面结合路灯的调光等级和路灯工作功率是否匹配，若检测到参数异常则立即下发关灯命令。
3、本发明利用NB-IoT新型物联网通信技术实现远程控制，通过监控中心对一个区域的路灯进行统一管理，根据不同的规则对路灯终端进行灵活控制，进而节约路灯的电耗，节省人力物力成本，降低维护成本。
附图说明
图1是本发明系统结构框图
图2是本发明一实施例中基于SVR 的路灯调光等级预测模型图；
图3是本发明一实施例中路灯终端软件架构图；
图4是本发明一实施例中路灯终端检测交通流示意图和检测人流车流流程；
图5是本发明一实施例中正常照明策略流程图和堵车策略流程图；
图6是本发明一实施例中断电保护策略流程图；
图7是本发明一实施例中PSM省电策略流程图；
图8是本发明一实施例中手机客户端系统上报流程图和系统命令下发流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1，本发明提供一种基于NB-IoT的智能路灯管理系统，包括路灯终端、基站、核心网和监控终端；所述路灯终端通过基站和核心网与监控终端连接；所述路灯终端包括依次连接电源适配器、单灯控制器和LED 灯具；所述单灯控制器包括主控模块、电源模块、NB-IOT通信模块和传感器模块；所述主控模块与电源模块、NB-IOT通信模块和传感器模块分别连接；所述电源模块还与NB-IOT通信模块和传感器模块分别连接。所述传感器模块包括用于检测光照强度的光照强度传感器模块、用于检测人流车流的红外传感器模块和用以快速定位故障路灯位置的GPS定位模块；所述监控终端包括物联网云平台和手机 APP客户端。系统将传感器采集到路灯工作状态、人流车流量以及环境光强等数据通过 UART串口传输至 NB-IoT通信模块，模块将数据以 CoAP协议形式打包，通过基站和核心网发送至物联网云平台，在云平台实现实时监控。通过物联网云平台提供的Restful API接口，手机APP客户端可以与物联网云平台实现数据对接，并且可以在手机端实现组网命令下发、参数故障检测、远程开关、组网控制、路灯定位和参数异常检测等功能。
参照图2，本实施例还设置有基于SVR的路灯调光等级预测模型；首先清空环境变量，再导入原始数据对样本数据进行归一化处理，数据归一化是预测前对数据进行处理的办法，将所有的原始数据都转化为[0,1]之间，目的是为了取消各维数据间数据级的差异。随机产生训练集和测试集，训练集为40组，测试集为20 组，通过交叉验证法来确定惩戒值和径向函数，选取径向核函数作为内积运算函数，从而得到预测模型。
参考图3，在本实施例中，所述主控模块为STM32L4主控模块，采用 LiteOS 轻量级物联网操作系统。当路灯终端上电，基于 LiteOS 操作系统的终端芯片开始工作，通过入口函数 osAPPlnit())实现模块初始化、路灯状态监测任务、路灯终端信息上报任务和等待任务调度的功能。模式初始化包括硬件模块初始化、云平台接口对接和路灯控制程序初始化；路灯状态监测任务包括获取传感器采集的数据和执行路灯智能控制策略；路灯终端信息上报任务包括数据上发至云平台和数据读取，数据报表生成和数据显示；等待调度任务是进行任务优先级排序，合理调度 MUC 所需执行的任务。
如图4所示，本实施例采用基于 TOF飞行时间原理的红外测距模块来检测一段时间内（可自由设定）的人流车流量，主要原理是根据传感器测量周期内的测距量变化来进行计数。具体的人流车流检测流程为：本系统先根据道路的基本宽度来设置测量的极限距离(最远为12 米），如我们设置的极限距离为12米，当有人通过或者车通过时，传感器在一个周期内测量到具体的距离量，则通过计数的方式累加几次距离变化，测量距离变化的次数就是本系统采集到一段时间内具体的人流车流量。本系统设计的智能控制策略是根据不同路况来决定的，当环境光强强度小于系统设置的阈值，则控制策略由人流车流来决定，当环境光照强度大于阈值则路灯不在工作状态。比如，当1号路灯的红外传感器提前斜向检测到车辆经过或者行人经过时，计数发生变化且灯光亮起，然后通过NB-IoT 无线网络上报 1号的路灯工作状态至云平台和 APP 手机客户端，通过手机客户端的设备组网功能同时下发2 号路灯、3 号路灯、4 号路灯和 5 号路灯的灯光调节命令。传感器的斜向设定和路灯组网功能是为了防止路灯突然亮起（路灯亮度从最低档直接到最高档）从而影响驾驶员的视线，达到路灯照明亮度渐变的效果。
如图5所示，本实施例中，正常照明策略为：在路灯终端正常工作的情况下，当环境光强小于本系统设置的阈值（1000 lux）时，路灯进入自动调光模式。当传感器判断有人/车经过，路灯以最高亮度等级亮起10 s，10 s内如果有车在经过则继续以最高亮度等级常亮，若 10 s 内传感器发生计数，则判断车在经过，进行路灯亮度降档，具体的降档等级根据我仿真结果进行调节，根据环境光强和人流车流量进行降档调光，降档调光的前提是 10 s内没有车经过，则系统选择上一分钟参数进行分析，选择出路灯由最高档降到 2 档或者 1档或者关灯。例如检测到环境光照强度为2lux，每分钟的人流车流量为2/min，则控制器自动将路灯亮度降为1档；若检测到环境光照强度为 2lux，每分钟的人流车流量为20/min，则路灯一直保持 3档最高亮度。该工作模式适用于城市、城郊和乡村等不堵车的路段，同样根据系统设置的环境光强阈值可以应对恶劣天气情况，在白天时间段，路段正常不工作，但是当环境光强小于我们设置的阈值时，路段也会进入工作状态，数据传输模式由 eDXR 或者PSM 模式进入 DXR 模式，实现实时控制和实时监控的功能。堵车情况调光策略为：可以通过红外传感器的测量功能来判断是否堵车。首先根据灯杆到机动车道的距离设置一个堵车阈值区间，如灯杆到车道中间的距离为 3 米，那么就设置堵车距离的阈值在 2.5~3.5 米的区间，当传感器在多个检测周期内检测到测量距离都在 2.5~3.5 米之间的某个具体量，且传感器的测量距离一直没有发生变化，则认定系统堵车，设定路灯为最高亮度。该工作模式适用于有潮汐车流的路段，当道路处于高峰期时，该策略可以有效应对。
如图6所示，本实施例还设置有中断电保护策略流程图和PSM省电策略，针对 NB-IoT模块的工作模式，在路灯终端设计了断电模式和省电模式优化方案，对断电策略模式MCU优化方案为：
（1）终端初始化：保留MCU端原始初始化流程。在终端进行网络附着过程中，若 300s后没有成功入网（即执行 AT+CGATT查询返回值不等于1），则进入异常处理流程数据传输业务。
（2）数据传输业务：通过OceanConnectIoT平台发送数据时，若返回"+CMEERROR:513"错误（设置 AT+CMEE=1；513:TUP not registered），MCU延时 20s 后再次尝试发送数据；若连续 3 次数据均发送失败，则进入异常处理流程。
（3）进行正常数据传输业务时，在业务数据交互过程中，若 60s 后未收到
下行数据，则判定本次数据业务因超时而失败，再次尝试发送数据；若 3 次尝试
均超时失败，则进入异常处理流程。
（4）异常流程处理:若入网异常或数据传输业务失败后，依次执行 AT+NRB38
（重启模组）→AT+CFUN=0（开启最小功能模式）→AT+NCSEARFCN（清除先验频点）→AT+CFUN=1（开启全功能模式）→AT+CGATT=1（附着网络），再次尝试入网以及数据传输业务。若入网或数据传输业务仍失败，可根据退避算法进行 3 次重试；若仍失败，则断电关机，待下一次业务上报时，再重新入网。业务完成后关闭电源:数据传输业务完成后，执行 AT+CFUN=0 命令保存当前使用的频点信息，然后关闭模组电源。PSM省电策略MCU 程序优化方案如下：
（1）终端初始化：保留 MCU 端原始初始 0 化流程。
（2）终端附着网络：在终端进行网络附着过程中，若 300s 后没有成功入网（即执行 AT+CGATT查询返回值不等于 1），则进入异常处理流程。通过物联网平台发送数据时，若返回"+CMEERROR:513"错误（前提是设置 AT+CMEE=1；513:TUPnotregistered），MCU 延时20s 后再次尝试发送数据；若连续 3 次数据均发送失败，则进入异常处理流程。
（3）数据传输业务：进行正常数据传输业务时，在业务数据交互过程中，若 60s 后未收到下行数据，则判定本次数据业务因超时而失败，再次尝试发送数据；若 3 次尝试均超时失败，则进入异常处理流程。
（4）若入网异常或数据传输业务失败后，依次执行 AT+NRB（重启模组）→AT+CFUN=0（开启最小功能模式）→AT+NCSEARFCN（清除先验频点）→AT+CFUN=1（开启全功能模式）→AT+CGATT=1（附着网络），再次尝试入网以及数据传输业务。若入网或数据传输业务仍失败，可根据退避算法进行 3 次重试；若仍失败，则断电关机，待下一次业务上报时，再重新入网。
（5）异常流程处理：最后一包上行数据业务采用带有RAI功能的命令发送（例
如：AT+QLWULDATAEX=3，AA34BB，0x0001），提示核心网立即释放 RRC连接。模组快速进入到Idle状态，待Idle定时器超时后模组自动进入 PSM 模式。
如图7所示，本实施例中，一种基于NB-IoT的智能路灯管理系统的管理方法，包括以下步骤：
步骤S1:主控模块通过传感器采集数据，并将数据按系统开发的编码规则进行编码;
步骤S2:主控模块通过串口，以AT命令的形式，发送已经编码数据到NB-IoT通信模块；
步骤S3:NB-IoT模组接收到主控模块发出的AT命令后，自动已经编码数据封装为COAP协议的消息，并通过基站和核心网发送给物联网平台；
步骤S4:物联网平台收到数据后，自动解析CoAP协议包，根据路灯终端设备profile文件，找到路灯设备对应的编解码插件，对 payload 数据包进行解析，解析为与路灯设备profile 描述文件中服务文件相匹配的json数据，并将数据存于物联网平台;
步骤S5:手机客户端 APP通过 RESTful API接口获取平台上的路灯工作状态数据。
所述通过手机客户端 APP控制路灯还可以控制路灯工作状态，具体如下：
步骤S51:手机客户端 APP 创建下发路灯开关的信令,发送至物联网平台;
步骤S52:物联网平台收到之后，开始执行判断路灯设备终端是否入网在线，如果设备在线，通过查找路灯编解码插件进行编码，输出二进制消息打包成 CoAP 报文形式，然后下发信令到路灯终端的NB-IoT通信模块;如果平台判断设备离线，那么信令会被存储于物联网平台的命令历史数据;
步骤S53:下发路灯开关命令成功后，路灯设备终端会上报命令执行的结果，同样在物联网平台通过对应的 profile 文件查找路灯编解码插件执行解码，输出二进制消息，获取信令的执行结果，修改路灯的开关灯状态，并将路灯终端设备的开关状态的执行结果送达手机 APP 客户端。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
Claims (8)
1.一种基于NB-IoT的智能路灯管理系统，其特征在于：包括路灯终端、基站、核心网和监控终端；所述路灯终端通过基站和核心网与监控终端连接；所述路灯终端包括依次连接电源适配器、单灯控制器和LED 灯具；所述单灯控制器包括主控模块、电源模块、NB-IOT通信模块和传感器模块；所述主控模块与电源模块、NB-IOT通信模块和传感器模块分别连接；所述电源模块还与NB-IOT通信模块和传感器模块分别连接。
2.根据权利要求1所述的基于NB-IoT的智能路灯管理系统，其特征在于：所述监控终端包括物联网云平台和手机 APP客户端，通过手机 APP客户端可以实时监控路灯终端运行状态或实时控制路灯终端运行装置。
3.根据权利要求1所述的基于NB-IoT的智能路灯管理系统，其特征在于：所述传感器模块包括用于检测光照强度的光照强度传感器模块、用于检测人流车流的红外传感器模块和用以快速定位故障路灯位置的GPS定位模块。
4.根据权利要求1所述的基于NB-IoT的智能路灯管理系统，其特征在于：所述主控模块为STM32L4主控模块，采用 LiteOS 轻量级物联网操作系统。
5.根据权利要求3所述的基于NB-IoT的智能路灯管理系统，其特征在于：所述的光照强度传感器模块采用是 BH1750FVI数字型16位数字传感器。
6.根据圈要求3所述的基于NB-IoT的智能路灯管理系统，其特征在于：所述红外传感器模块用高精度的红外检测 TFmini小型激光雷达模组。
7.一种基于NB-IoT的智能路灯管理系统的管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:主控模块通过传感器采集数据，并将数据按系统开发的编码规则进行编码;
步骤S2:主控模块通过串口，以AT命令的形式，发送已经编码数据到NB-IoT通信模块；
步骤S3:NB-IoT模组接收到主控模块发出的AT命令后，自动已经编码数据封装为COAP协议的消息，并通过基站和核心网发送给物联网平台；
步骤S4:物联网平台收到数据后，自动解析CoAP协议包，根据路灯终端设备profile文件，找到路灯设备对应的编解码插件，对 payload 数据包进行解析，解析为与路灯设备profile 描述文件中服务文件相匹配的json数据，并将数据存于物联网平台;
步骤S5:手机客户端 APP通过 RESTful API接口获取平台上的路灯工作状态数据。
8.根据权利要求7所述的基于NB-IoT的智能路灯管理系统的管理方法，其特征在于，所述通过手机客户端 APP控制路灯还可以控制路灯工作状态，具体如下：
步骤S51:手机客户端 APP 创建下发路灯开关的信令,发送至物联网平台;
步骤S52:物联网平台收到之后，开始执行判断路灯设备终端是否入网在线，如果设备在线，通过查找路灯编解码插件进行编码，输出二进制消息打包成 CoAP 报文形式，然后下发信令到路灯终端的NB-IoT通信模块;如果平台判断设备离线，那么信令会被存储于物联网平台的命令历史数据;
步骤S53:下发路灯开关命令成功后，路灯设备终端会上报命令执行的结果，同样在物联网平台通过对应的 profile 文件查找路灯编解码插件执行解码，输出二进制消息，获取信令的执行结果，修改路灯的开关灯状态，并将路灯终端设备的开关状态的执行结果送达手机 APP 客户端。
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