基于NB-IoT技術(shù)的交通燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、    基于nb-iot技術(shù)的交通燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)    丁凱旋郭翠娟榮鋒付華興摘 要：交通燈是城市生活中不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)施之一，目前交通燈工作狀態(tài)主要通過(guò)人工巡檢獲取，效率低下。為了使人們可以更加簡(jiǎn)便、高效的得知路面上交通燈的工作狀態(tài)，本文提供了一個(gè)基于nb-iot技術(shù)的交通燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)交通燈的電流、電壓、溫濕度等信息，并通過(guò)nb-iot技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，用戶(hù)可通過(guò)網(wǎng)頁(yè)遠(yuǎn)程了解交通燈的運(yùn)行狀態(tài)。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、利于觀測(cè)，可提高故障處理效率，能為城市的智能交通系統(tǒng)提供有效的智能化服務(wù)。關(guān)鍵詞：nb-iot;交通燈;實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);智能交通引言

2、隨著城市道路交通的日益完善，各種交通設(shè)備的不斷增加，城市交通的客流量大大增加，其龐大的客流量體系相應(yīng)的帶來(lái)了復(fù)雜的交通系統(tǒng)1，這些設(shè)施設(shè)備分散在城市的各條道路上，數(shù)量數(shù)以萬(wàn)計(jì)，傳統(tǒng)智能交通設(shè)備管理系統(tǒng)已經(jīng)不能滿(mǎn)足運(yùn)維人員和業(yè)主的需求2。如何更好的對(duì)這些海量的設(shè)備進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)測(cè)和運(yùn)維和巡檢，如何及時(shí)將運(yùn)維情況反映到管理部門(mén)成為我們必須面臨的重要問(wèn)題3。為了解決這些問(wèn)題，本文提供了一種基于nb-iot技術(shù)的交通燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集交通燈的電流、電壓、溫濕度等信息，并通過(guò)nb-iot技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)大大提高了交通燈的運(yùn)維效率，為運(yùn)維部門(mén)提供了巨大的便利而且為智能交通的發(fā)展提

3、供了有效的服務(wù)。一、系統(tǒng)方案交通燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成，采集終端、nb-iot通信模塊和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)。采集終端負(fù)責(zé)采集處理交通燈的狀態(tài)信息，并且將處理好的數(shù)據(jù)即時(shí)地交給nb-iot通信模塊。nb-iot通信模塊是系統(tǒng)的信息中轉(zhuǎn)站，負(fù)責(zé)連接到運(yùn)營(yíng)商基站4，基站連接到核心網(wǎng)5。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)負(fù)責(zé)匯聚接入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和處理，分析出交通燈的工作狀態(tài)并將信息實(shí)時(shí)顯示，用戶(hù)可通過(guò)瀏覽器登陸監(jiān)測(cè)平臺(tái)了解交通燈的工作信息，實(shí)現(xiàn)了交通燈工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示：二、硬件設(shè)計(jì)終端系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)，將傳感器采樣、過(guò)濾計(jì)算、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和通訊功能集成在一起，硬件部分由4個(gè)部分組成，

4、包含有mcu模塊、傳感器模塊、nb-iot通信模塊、電源模塊。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖2所示：（一） mcu模塊本系統(tǒng)的mcu芯片采用的是st公司的stm32f103vct6芯片。芯片的主頻最高達(dá)72mhz，包含8個(gè)定時(shí)器、3個(gè)12位的adc等豐富的內(nèi)部資源，常被用在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中6，能滿(mǎn)足本系統(tǒng)的運(yùn)行和運(yùn)算。（二）傳感器模塊傳感器模塊由溫濕度傳感器、采樣電路和計(jì)量電路組成。（1） 溫濕度傳感器系統(tǒng)使用的溫濕度傳感器為htu21d，用于機(jī)殼內(nèi)的溫度和濕度的采樣。htu21d的體積小，精度高，轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，使用方便，適合系統(tǒng)的應(yīng)用。系統(tǒng)中的mcu使用iic方式與溫濕度傳感器通訊7，可在短時(shí)間內(nèi)采集到溫濕

5、度數(shù)據(jù)。（2） 采樣電路由于交通燈采用220v交流電供電8，不能簡(jiǎn)便的直接檢測(cè)9，因此電壓采樣電路首先使用電壓互感器降低電壓，再采用高精度的采樣電阻進(jìn)行分壓采樣。電壓采樣電路使用了電壓互感器，將芯片與電網(wǎng)隔離，進(jìn)而獲得了良好的抗干擾能力。電流采樣電路由電流互感器和精密低阻值的電流采樣電阻組成。交通燈的工作電流先經(jīng)過(guò)電流互感器，之后與精密低阻值的電流采樣電阻串聯(lián)，其阻值為毫歐級(jí)高功率電阻，對(duì)原電路的影響極其微弱，滿(mǎn)足系統(tǒng)的對(duì)電流測(cè)量精度的需要。（3）計(jì)量電路本系統(tǒng)計(jì)量電路選取att7022eu三相計(jì)量芯片。芯片與mcu之間通過(guò)spi通訊方式進(jìn)行計(jì)量及校表參數(shù)的傳遞，所有計(jì)量參數(shù)及校表參數(shù)均可通過(guò)

6、spi接口讀出，使用方便。并且通過(guò)芯片內(nèi)置的電壓監(jiān)測(cè)電路可以保證上電和斷電時(shí)正常工作，確保計(jì)量數(shù)據(jù)的可靠性，充分滿(mǎn)足系統(tǒng)的需要。（三）電源模塊本系統(tǒng)的電源模塊由220-12v電源模塊、dc-dc電源模塊和ldo電源模塊組成。系統(tǒng)的電源通常由交通燈的供電電源提供，為預(yù)防意外斷電等突發(fā)情況發(fā)生，加入備用的12v可充電鋰電池。使用交通燈的供電電源供電時(shí)，電源通過(guò)220-12v電源模塊將220v交流電轉(zhuǎn)換為12v直流電。意外斷電等情況下，由備用電池提供12v直流電。12v直流電經(jīng)由 dc-dc芯片lm2596組成的降壓電路降壓至5 v，提供給 nb-iot通信模塊。之后，5 v電源經(jīng)由ams1117-

7、3.3芯片組成的ldo降壓電路降壓至3.3 v，為系統(tǒng)mcu和其他各模塊提供輸入電壓。電源模塊使用的電源芯片都可以輸出穩(wěn)定的電壓、滿(mǎn)足系統(tǒng)所需要的驅(qū)動(dòng)電流。（四） nb-iot通信模塊本系統(tǒng)采用的nb-iot通信模塊為上海移遠(yuǎn)的bc95-b8模塊。bc95-b8模塊是一款高性能、低功耗的nb-iot無(wú)線通信模塊，使用中國(guó)移動(dòng)的sim卡，中心頻段為900mhz。mcu通過(guò)串口與nb-iot通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，將系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給nb-iot通信模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。三、軟件設(shè)計(jì)交通燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括終端軟件設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)。終端軟件設(shè)計(jì)就是采集終端mcu的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)

8、程監(jiān)測(cè)平臺(tái)使用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)完成開(kāi)發(fā)。（一）終端軟件設(shè)計(jì)終端軟件設(shè)計(jì)就是采集終端mcu的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，其主程序主要包括采集數(shù)據(jù)、定時(shí)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，程序設(shè)計(jì)如圖3所示。主程序的工作流程為：主程序首先進(jìn)行mcu的系統(tǒng)資源初始化，然后對(duì)終端系統(tǒng)的傳感器模塊和nb-iot通信模塊的初始化，定時(shí)器計(jì)數(shù)溢出后，在中斷程序中更新標(biāo)志位，主程序?qū)?biāo)志位判斷，如果計(jì)數(shù)時(shí)間到，就進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送，完成數(shù)據(jù)的采集和上傳。（二） 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)使用阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)完成開(kāi)發(fā)。本系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)的主要功能包括數(shù)據(jù)解析和對(duì)異常狀態(tài)的報(bào)警，工作流程如圖4所示。設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)后，進(jìn)入iot hub，iot hub幫助設(shè)備連接阿里云物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的服務(wù)，是設(shè)備與云端安全通信的數(shù)據(jù)通道。之后利用物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提高的設(shè)備管理服務(wù)管理設(shè)備，接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)平臺(tái)提供的規(guī)則引擎后，根據(jù)協(xié)議格式解析出需要的四種狀態(tài)信息的數(shù)值，并根據(jù)數(shù)值判斷交通燈是否處于異常狀態(tài)。平臺(tái)根據(jù)這些信息生成巡檢報(bào)告，實(shí)現(xiàn)交通燈的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。四、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)效果展示在確保正確連接終端設(shè)備后，登錄遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)，交通燈工作時(shí)的數(shù)據(jù)被nb-iot通信模塊實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆贫朔?wù)器。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，得到交通燈溫濕度、電壓、電流信息，根