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本文首發(fā)于DF創(chuàng)客社區(qū)，作者：不脫發(fā)的程序猿

【腦洞大賽】基于NB-IoT的智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)(項目簡介)

項目背景

每當夜幕降臨，城市中各種各樣、色彩繽紛的路燈亮起，為城市披上了一層絢麗的外衣。但在這絢麗的外表下則隱藏著巨大缺點：

1)能源浪費：由于城市的夜晚進入后半夜后，人們已經開始休息，街上人流量開始減少，有些地段在特殊時段根本不需要過多的路燈照明，導致能源浪費，增加了不必要的成本；

2)維護困難：由于使用人工巡檢，需要大量人力，而路燈數量龐大，路燈實時狀態(tài)不能及時獲取，導致路燈故障維護、排查效率極低。

需求分析

路燈管理平臺的建設，是智慧城市的一個重要組成部分，不僅能夠實現城市及市政服務能力提升，也是智慧城市的一個重要入口，可促進“智慧市政”和“智慧城市”在城市照明業(yè)務方面的落地。以往在路燈管理上存在著很多問題，例如路燈開關、巡查、維護基本靠人力，重點地段晚上需要派人巡視，以保證設備的齊備率；路燈發(fā)生故障時，檢修人員無法確定路燈精確位置；管理人員對路燈無法進行分時段控制、無法監(jiān)控路燈整體狀態(tài)；路燈保持常亮狀態(tài)效率低、不節(jié)能。針對以上問題，本系統(tǒng)設計的智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)結構圖如下所示：

具體功能如下：

1)路燈節(jié)點支持自定義控制方式，可支持自定義時間控制策略和多樣化控制（兩側路燈全亮、全關、隔桿高亮等）兩種方式。

2)根據所在環(huán)境光照強度，自動調節(jié)路燈亮度，低功耗節(jié)能減排。

3)斷電保護，電壓電流超過安全閾值，路燈自動斷電。

4)路燈故障自動報警，GPS精確定位，可從手機APP、微信小程序、PC端和Web平臺可視化監(jiān)控路燈信息，隨時可調取任何一處路燈信息。

5)實時采集路燈節(jié)點工作狀態(tài)、電壓、電流、功率、功率因數、耗電量、產生二氧化碳、頻率、環(huán)境光照度和路燈狀態(tài)數據，實現統(tǒng)計分析和歷史查詢。

6)根據路燈節(jié)點歷史數據，使用機器學習算法，分析路燈使用狀況，構建精準城市路燈畫像。

總之，基于NB-IoT技術的城市道路智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)有著廣闊的前景和寬廣的需求。

功能設計

基于NB-IoT技術的城市道路智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)，在每個照明節(jié)點上安裝一個集成了NB-IoT模組的單燈控制器，單燈控制器再經運營商的網絡，與路燈控制平臺實現雙向通信，路燈控制平臺直接對每個燈進行控制，包括開關燈控制、光照檢測、自動調節(jié)明暗、電耗分析等操作。智慧路燈實物圖如下所示：

與傳統(tǒng)“兩跳”方案不同，基于NB-IoT技術的解決方案不需要網關，每個NB-IoT路燈控制器直接接入運營商的NB-IoT網絡，即可與控制平臺通信，如下圖所示。

基于NB-IoT技術的城市道路智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)包括感知層、網絡層和應用層。

感知層由單獨的路燈控制模塊和NB-IoT終端構成。道路上的每個路燈都安裝1個路燈控制模塊，路燈控制模塊管理路燈的開關、負責數據信息的采集和監(jiān)控路燈的運行狀態(tài)，它通過NB-IoT網絡與NB-IoT終端進行無線通信；NB-IoT終端將路燈控制模塊采集的數據信息上傳到NB-IoT基站，將應用層中的手機或監(jiān)控中心的管理命令下達到路燈控制模塊，對感知層的路燈進行管理和監(jiān)控，使用AI技術賦能，構建精準城市路燈使用狀況畫像分析。網路層由NB-IoT基站和Internet網絡構成。Internet網絡主要應用4G的LTE平臺，將感知層的數據信息實時地傳送到應用層，同時將應用層的控制命令傳送到感知層。智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)網絡架構如下圖所示。

本系統(tǒng)設計方案具有以下優(yōu)勢：

1)對路燈的控制上，采用分時段的3種控制策略，可以實現分時間段控制道路兩側路燈全亮模式、自動調整模式（根據環(huán)境光照強弱或電壓電流閾值）、終端聯控模式，在滿足照度需求的情況下，實現對電能的節(jié)省。

2)通信方式所采用的是中國電信的NB-IoT網絡，拓撲簡單、部署成本低，NB-IoT采用DRX模式，實現終端的實時在線，這種通信方式更適合靜止的和低移動性且需要下發(fā)指令的場景。

3)利用GPS地理信息管理系統(tǒng)，可以在手機APP、微信小程序PC應用和Web平臺界面上直觀定位每個路燈的位置，便于維修人員確定故障路燈地址、及時維修。

4)高精度數據采集與通信技術，可采集路燈節(jié)點工作狀態(tài)、電壓、電流、功率、功率因數、耗電量、產生二氧化碳、頻率、環(huán)境光照度和路燈狀態(tài)數據，數據精度達到小數點后兩位。

5)智能化設計，使用機器學習算法，實現對路燈使用狀態(tài)的分析和評估。

本項目目前已經完全實現，演示視頻如下所示：

基于NB-IoT的智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)(設備選型)

基于NB-IoT的智慧路燈監(jiān)管系統(tǒng)在感知層可實現實時采集路燈節(jié)點的工作狀態(tài)（亮滅狀態(tài)）、電壓、電流、功率、功率因數、耗電量、產生二氧化碳、頻率、環(huán)境光照度、路燈亮度、路燈故障地理位置11種傳感數據信息。

路燈控制終端節(jié)點主要由主控制器、NB-IoT無線通信模塊、GPS模塊、光強檢測模塊、電能檢測模塊以及輸出控制模塊組成，路燈控制節(jié)點模塊硬件實物如下圖所示：

1、主控制器

主控制器選用STM32L432KC超低功耗單片機作為微控制器，NUCLEO-L432KC 開發(fā)板是首個集成一款QFN32微型封裝微控制器的Nucleo-32開發(fā)板，板載一顆STM32L432KCU6 微控制器(UFQFPN32)，允許用戶直接使用ARM在線開發(fā)工具，板載Arduino Nano針腳布局可簡化功能擴展，集成的ST-Link調試器/編程器支持大容量存儲器和無探針調試，可以完全滿足智慧路燈節(jié)點數據處理的基本要求。

2、NB-IoT無線通信模塊和GPS模塊

NB-IoT通信模塊采用功耗極低的上海移遠BC20通信模組，以及SIM卡座、串口電路、濾波天線、復位電路組成，由電源模塊供電。BC20支持GNSS，內置GNSS模塊，支持GPS定位，北斗雙模定位，實現衛(wèi)星對路燈節(jié)點定位，極大方便用戶使用。本模塊接收來自主控制器的路燈實時狀態(tài)、路燈節(jié)點功耗傳感數據以及模塊獲取的GPS數據等信息，通過Internet將數據發(fā)送給華為IoT云平臺，并接收用戶通過Intemet發(fā)送來的控制命令。

3、光照檢測模塊

光強檢測模塊利用光照模塊檢測外界光照強度，并將信號通過ADC方式傳入主控制器，根據環(huán)境光照強弱自動調節(jié)路燈節(jié)點亮度。

4、輸出控制模塊

輸出控制模塊使用YYAC-3S 模塊，該模塊采用原裝可控硅，輸入與輸出光耦完全隔離，通過單片機IO口輸出PWM調節(jié)占空比去改變220V交流電壓從而達到調光調速調節(jié)功率等功能。

5、電能檢測模塊

電能檢測模塊采用UART接口和RS485接口，支持與PLC通信，刷新速度500MS，可讀取電壓、電流、功率、電能和頻率因數參數通過RS485或UART口輸出16進制數據。設計有繼電器模塊，結合路燈節(jié)點耗能情況和閾值報警，用戶設置多種模式（分時間段控制道路兩側路燈全亮模式、自動調整模式、隔桿亮燈模式和深夜模式）實現路燈智能管理。

電能檢測模塊采用UART接口和RS485接口，支持與PLC通信，刷新速度500MS，可讀取電壓、電流、功率、電能和頻率因數參數通過RS485或UART口輸出16進制數據。模塊設計有繼電器模塊，結合路燈節(jié)點耗能情況和閾值報警，用戶自定義設置多種模式（例如：分時間段控制道路兩側路燈全亮模式、自動調整模式、隔桿亮燈模式、深夜模式等）實現路燈智能管理。

基于NB-IoT的智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)(硬件開發(fā))

本節(jié)將進行嵌入式硬件編程開發(fā)，通過電能檢測模塊實現實時采集路燈節(jié)點電壓、電流、功率、總耗電量、功率因子、路燈開關狀態(tài)、耗能產生二氧化碳、光照度、路燈亮度、環(huán)境光照度、GPS位置11種傳感數據，通過NB-IoT模組實現對華為云物聯網平臺數據上傳及下發(fā)獲取，達到聯動控制效果。
1、開發(fā)軟件
嵌入式硬件開發(fā)使用STM32CubeMX和Keil5實現，STM32CubeMX搭建NUCLEO-L432KC開發(fā)板GPIO底層配置，Keil5實現NUCLEO-L432KC開發(fā)板編程開發(fā)。
STM32CubeMX 是 ST 意法半導體近幾年來大力推薦的STM32 芯片圖形化配置工具，也是配置和初始化 C 代碼生成器（STM32 configuration and initialization C code generation），也就是自動生成開發(fā)初期關于芯片相關的一些初始化代碼。STM32CubeMX 包含了 STM32 所有系列的芯片，包含示例和樣本（Examples and demos）、中間組件（Middleware Components）、硬件抽象層（Hardwaree abstraction layer）。

STM32CubeMX簡介、下載及安裝參見：https://blog.csdn.net/m0_38106923/article/details/89458297

Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（μVision）將這些部分組合在一起。運行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。如果你使用C語言編程，那么Keil幾乎就是你的不二之選，即使不使用C語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調試工具也會令你事半功倍。
Keil5簡介、下載、安裝及破解參見：https://blog.csdn.net/m0_38106923/article/details/89492257

2、STM32CubeMX底層環(huán)境搭建

使用STM32CubeMX搭建NUCLEO-L432KC開發(fā)板GPIO底層配置，主要配置微控制器晶振、定時器、PWM接口、UART1、UART2、ADC接口和LED狀態(tài)指示燈接口，具體實現如下：

3、Keil5編寫控制模塊實現代碼

在Keil5開發(fā)環(huán)境中需要編寫硬件基礎底層配置功能、電能電耗檢測功能、GPS定位功能、環(huán)境光照檢測功能、NB-IoT模組通信功能和云端交互功能。

NB-IoT模組配置實現代碼可至原文查看：

基于NB-IoT的智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)(云端部署及訓練)

物聯網平臺包括數據管理、設備管理和運營管理等能力，可以實現統(tǒng)一安全的網絡接入、各種終端的靈活適配、海量數據的采集分析，從而實現新價值的創(chuàng)造。物聯網平臺向各行業(yè)提供強大的API開放能力，支撐各行業(yè)伙伴快速實現各種物聯網業(yè)務應用，滿足各行業(yè)客戶的個性化業(yè)務需求；同時，物聯網平臺支持無線、有線等多種接入方式，可以實現海量化、多樣化的設備接入。

本系統(tǒng)采用華為的OceanConnect物聯網聯接管理平臺，OceanConnect是華為云核心網推出的以IoT聯接管理平臺為核心的IoT生態(tài)圈。該平臺具有豐富的協(xié)議適配能力，支持海量多樣化終端設備接人，而且還提供數據存儲、數據顯示、數據分析、歷史查詢等功能。

硬件設備接入華為云物聯網平臺，具體操作可參見：NB-IoT使用CoAP協(xié)議接入華為IoT平臺、NB-IoT BC20模組使用LWM2M協(xié)議接入華為IoT平臺

本博文將簡要介紹NB-IoT智慧路燈系統(tǒng)云端部署和機器學習訓練模型云端搭建的實現過程。
1、華為云端部署
第一步：定義Profile

第二步：編解碼插件開發(fā)

第三步：設備連接后在線測調，查看數據是否正確。

2、華為云端Web開發(fā)

通過拖控件方式開發(fā)獨具特色和風格的Web應用，這里我原配置基礎上增加設備狀態(tài)功能、傳感器監(jiān)控功能和規(guī)則功能三個界面。

設備狀態(tài)功能如下所示：

傳感器監(jiān)控功能如下所示：

規(guī)則功能如下所示：

3、機器學習訓練模型云端搭建

第一步：建立項目工程

第二步：建立訓練數據神經網絡

第三步：建立測試數據神經網絡

基于NB-IoT的智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)(PC應用開發(fā))

作為IoT云平臺的數據交互PC客戶端，對平臺的數據進行展示，實現本地與遠程終端的數據交互，進而展現出依賴云平臺的應用使用的具體場景，進一步展現云品臺的優(yōu)勢。

1、項目結構

整個使用常規(guī)的傳統(tǒng)的三層架構，同時引入MVVM架構模式，屬于混合型架構設計，將各個層次之間實現理論解耦，提高了系統(tǒng)各個層次之間的獨立性和可拓展性。

結構說明如下：

HandyC.HW：項目實際入口，表現層，實際用戶操作邏輯的輸入輸出部分。

HandyC.HW.ViewModels：與表現層與之對應的視圖實體類部分，對用戶交互邏輯的主要實現處理模塊，同時在該項目中進行相關數據實體和視圖實體的相互轉換工作。

HandyC.HW.Data：用于處理來自于IoT平臺的數據源，為業(yè)務層提供需求的數據結果。

HandyC.HW.Service：項目的實際業(yè)務邏輯處理，組織數據層提供的數據。

HandyC.HW.Tools：項目整體結構中需要使用到的基礎輔助類集合，包括網絡請求相關類，緩存，數據序列化和反序列化，特殊數據格式處理等。

對應測試項目與之對應，前綴為Test.*，此處忽略

2、系統(tǒng)組織架構

系統(tǒng)組織架構分為兩個大的功能模塊，平臺監(jiān)管以及數據采集兩個模塊，平臺監(jiān)管主要是對設備實時動態(tài)進行監(jiān)管，數據采集，處理來自IOT云平臺的歷史相關數據并展示。

3、使用技術

網絡通信相關技術（數據接口請求）
WPF（UI框架）
MvvmLight（MVVM框架）
依賴注入
簡單緩存
LiveCharts（圖標框架）
HandyControl（WPF組件框架）
非對稱雙向認證（Https）
AutoMapper（DTO轉換框架）

4、開發(fā)環(huán)境與工具

開發(fā)環(huán)境：Windows7 sp1、.Net Framework 4.7.2
開發(fā)語言：C#
開發(fā)工具：MicrosoftVisual Studio professional 2019（VS 2019）

5、功能介紹

設備管理頁面的主頁面，紅框區(qū)域內為設備統(tǒng)計，包含了對當前設備的設備類型、設備狀態(tài)、設備的協(xié)議類型的相關統(tǒng)計信息，屬于設備總體的一個統(tǒng)計信息。設備列表中展示的是當前的存在的設備，以卡片的方式展示出來，包括設備的名稱、設備的型號、設備的編號等預覽。

顯示設備的詳細信息。

設備的實時數據顯示頁面，能夠動態(tài)實時請求道IoT平臺上的設備下發(fā)的最近歷史信息。

云平臺聯動主頁中的卡片為一卡片一設備，點擊設備卡片，可以對設備進行聯動模式控制，可支持三種聯動模式，終端聯控模式、自動調光模式和分段定時模式。

默認手動模式，可以通過手動直接下發(fā)指令到IoT平臺，通過平臺將命令通知對應的設備執(zhí)行，點擊控制按鈕進行云平臺掛載設備的開啟和關閉。

用戶可以通過點擊切換至定時模式，設定時間后，將點擊發(fā)送定時設備，等待設定的命令發(fā)送至IoT平臺。

命令下發(fā)成功是接收到的反饋信息。

自動模式與手動模式的操作類似，用戶通過開啟和關閉實現對IoT平臺上掛載的設備的執(zhí)行模式的設定，關閉時，設備默認執(zhí)行，為上一次的模式運行狀態(tài)，開啟時，變更為根據實際的自動條件進行自身狀態(tài)的控制。

設備歷史數據顯示頁面，主要功能為查詢功能，用于顯示從IoT平臺獲取到的當前設備對應的歷史記錄信息，可通過查詢條件進行更加細致數據查找。

點擊每條記錄的操作列按鈕，能夠獲取到該條記錄的詳細信息。

下圖的頁面為命令歷史數據的主頁面，默認顯示第一個設備的相關歷史數據，能夠查詢到多端給設備發(fā)送的相關命令指令歷史信息。

通過點擊每條記錄末尾的數據明細，可以查看到當前命令記錄的具體信息。

6、核心代碼

PC端主要分為兩個部分，一個是通過https請求雙向認證獲取到來自于IoT平臺提供的相關Api接口的目標數據，將數據進行處理根據View的需求進行相關的ViewModel處理之后展示到頁面中；一個是需要PC端與IoT平臺上的掛載設備進行數據交互時，實現本地命令的發(fā)送，進而間接控制設備的數據響應。

鑒定權限代碼至原文查看：基于NB-IoT的智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)(PC應用開發(fā))

基于NB-IoT的智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)(手機應用開發(fā))

通過與華為云平臺進行數據對接及聯動控制，為此開發(fā)智慧路燈APP控制系統(tǒng)。

1、系統(tǒng)總體描述

本系統(tǒng)共分為九個模塊：系統(tǒng)導航、用戶登錄、掃碼綁定、設備定位、設備狀態(tài)、歷史查詢、設備控制、畫像分析和系統(tǒng)設置。每個模塊對應其各自的功能，通過設備的定位、設備的實時狀態(tài)及設備控制能夠全方位監(jiān)控路燈的耗能量及使用情況。畫像分析也可對某地方或某用戶進行大數據AI分析得到監(jiān)測數據，并且能夠實時向用戶推送用電情況，并為其用戶進行合理的用電安排及方案。