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摘 要：交通灯是城市生活中不可缺少的基础设施之一，目前交通灯工作状态主要通过人工巡检获取，效率低下。为了使人们可以更加简便、高效的得知路面上交通灯的工作状态，本文提供了一个基于NB-IoT技术的交通灯监测系统。本系统能实时监测交通灯的电流、电压、温湿度等信息，并通过NB-IoT技术实时传输到云平台，用户可通过网页远程了解交通灯的运行状态。该系统操作简单、利于观测，可提高故障处理效率，能为城市的智能交通系统提供有效的智能化服务。
关键词：NB-IoT;交通灯;实时监测;智能交通
引言
随着城市道路交通的日益完善，各种交通设备的不断增加，城市交通的客流量大大增加，其庞大的客流量体系相应的带来了复杂的交通系统[1]，这些设施设备分散在城市的各条道路上，数量数以万计，传统智能交通设备管理系统已经不能满足运维人员和业主的需求[2]。如何更好的对这些海量的设备进行及时的监测和运维和巡检，如何及时将运维情况反映到管理部门成为我们必须面临的重要问题[3]。
为了解决这些问题，本文提供了一种基于NB-IoT技术的交通灯监测系统，实时采集交通灯的电流、电压、温湿度等信息，并通过NB-IoT技术实时传输到云平台，实现远程监测。该系统大大提高了交通灯的运维效率，为运维部门提供了巨大的便利而且为智能交通的发展提供了有效的服务。
一、系统方案
交通灯监测系统主要由三个部分组成，采集终端、NB-IoT通信模塊和远程监测平台。采集终端负责采集处理交通灯的状态信息，并且将处理好的数据即时地交给NB-IoT通信模块。NB-IoT通信模块是系统的信息中转站，负责连接到运营商基站[4]，基站连接到核心网[5]。远程监测平台负责汇聚接入网络的数据，并对数据进行解析和处理，分析出交通灯的工作状态并将信息实时显示，用户可通过浏览器登陆监测平台了解交通灯的工作信息，实现了交通灯工作状态的实时监测。系统总体设计如图1所示：
二、硬件设计
终端系统采用一体化设计，将传感器采样、过滤计算、数据转换和通讯功能集成在一起，硬件部分由4个部分组成，包含有MCU模块、传感器模块、NB-IoT通信模块、电源模块。系统的硬件设计如图2所示：
（一） MCU模块
本系统的MCU芯片采用的是ST公司的STM32F103VCT6芯片。芯片的主频最高达72MHz，包含8个定时器、3个12位的ADC等丰富的内部资源，常被用在物联网设备中[6]，能满足本系统的运行和运算。
（二）传感器模块
传感器模块由温湿度传感器、采样电路和计量电路组成。
（1） 温湿度传感器
系统使用的温湿度传感器为HTU21D，用于机壳内的温度和湿度的采样。HTU21D的体积小，精度高，转换时间较短，使用方便，适合系统的应用。系统中的MCU使用IIC方式与温湿度传感器通讯[7]，可在短时间内采集到温湿度数据。
（2） 采样电路
由于交通灯采用220V交流电供电[8]，不能简便的直接检测[9]，因此电压采样电路首先使用电压互感器降低电压，再采用高精度的采样电阻进行分压采样。电压采样电路使用了电压互感器，将芯片与电网隔离，进而获得了良好的抗干扰能力。
电流采样电路由电流互感器和精密低阻值的电流采样电阻组成。交通灯的工作电流先经过电流互感器，之后与精密低阻值的电流采样电阻串联，其阻值为毫欧级高功率电阻，对原电路的影响极其微弱，满足系统的对电流测量精度的需要。
（3）计量电路
本系统计量电路选取ATT7022EU三相计量芯片。芯片与MCU之间通过SPI通讯方式进行计量及校表参数的传递，所有计量参数及校表参数均可通过SPI接口读出，使用方便。并且通过芯片内置的电压监测电路可以保证上电和断电时正常工作，确保计量数据的可靠性，充分满足系统的需要。
（三）电源模块
本系统的电源模块由220-12V电源模块、DC-DC电源模块和LDO电源模块组成。系统的电源通常由交通灯的供电电源提供，为预防意外断电等突发情况发生，加入备用的12V可充电锂电池。使用交通灯的供电电源供电时，电源通过220-12V电源模块将220V交流电转换为12V直流电。意外断电等情况下，由备用电池提供12V直流电。12V直流电经由 DC-DC芯片LM2596组成的降压电路降压至5 V，提供给 NB-IoT通信模块。之后，5 V电源经由AMS1117-3.3芯片组成的LDO降压电路降压至3.3 V，为系统MCU和其他各模块提供输入电压。电源模块使用的电源芯片都可以输出稳定的电压、满足系统所需要的驱动电流。
（四） NB-IoT通信模块
本系统采用的NB-IoT通信模块为上海移远的BC95-B8模块。BC95-B8模块是一款高性能、低功耗的NB-IoT无线通信模块，使用中国移动的SIM卡，中心频段为900MHz。MCU通过串口与NB-IOT通信模块进行数据交互，将系统采集的数据实时传输给NB-IOT通信模块，实现数据的无线传输。
三、软件设计
交通灯监测系统的软件设计包括终端软件设计和远程监测平台设计。终端软件设计就是采集终端MCU的驱动程序设计，远程监测平台使用阿里云物联网平台完成开发。
（一）终端软件设计
终端软件设计就是采集终端MCU的驱动程序设计，其主程序主要包括采集数据、定时、数据传输等功能，程序设计如图3所示。主程序的工作流程为：主程序首先进行MCU的系统资源初始化，然后对终端系统的传感器模块和NB-IoT通信模块的初始化，定时器计数溢出后，在中断程序中更新标志位，主程序对标志位判断，如果计数时间到，就进行数据采集和数据发送，完成数据的采集和上传。
（二） 远程监测平台设计
远程监测平台使用阿里云物联网平台完成开发。本系统的远程监测平台的主要功能包括数据解析和对异常状态的报警，工作流程如图4所示。设备接入物联网平台后，进入IoT Hub，IoT Hub帮助设备连接阿里云物联网平台的服务，是设备与云端安全通信的数据通道。之后利用物联网平台提高的设备管理服务管理设备，接收到的数据通过平台提供的规则引擎后，根据协议格式解析出需要的四种状态信息的数值，并根据数值判断交通灯是否处于异常状态。平台根据这些信息生成巡检报告，实现交通灯的远程监测。
四、远程监测平台效果展示
在确保正确连接终端设备后，登录远程监测平台，交通灯工作时的数据被NB-IoT通信模块实时传输到云端服务器。远程监测平台对数据进行解析，得到交通灯温湿度、电压、电流信息，根据这些信息判断交通灯的工作状态并生成巡检报告，如图5所示。
五、结束语
基于NB-IoT技术的交通灯监测系统利用多种传感器能够可靠的测量交通灯工作时的温湿度、电压、电流等信息，并利用NB-IoT技术实时的将数据上传到远程监测平台，达到了实时监测交通灯的目标。
作者简介：
丁凯旋（1998-），男，汉族，安徽宿州人，天津工业大学17级本科生，专业电子信息工程。
郭翠娟（1975-），女，汉族，河北任丘人，博士、副教授，主要研究方向为电磁传感技术研究、旋转机械故障诊断和通信设备设计等。
荣锋（1979-），男，汉族，山东日照人，副教授， 博士研究生，主要研究领域为无损检测、信号采集与分析、故障监测。
基金项目：本文系2018年度天津工业大学国家级大学生创新创业训练计划项目，项目编号：520432
关键词：NB-IoT;交通灯;实时监测;智能交通
引言
随着城市道路交通的日益完善，各种交通设备的不断增加，城市交通的客流量大大增加，其庞大的客流量体系相应的带来了复杂的交通系统[1]，这些设施设备分散在城市的各条道路上，数量数以万计，传统智能交通设备管理系统已经不能满足运维人员和业主的需求[2]。如何更好的对这些海量的设备进行及时的监测和运维和巡检，如何及时将运维情况反映到管理部门成为我们必须面临的重要问题[3]。
为了解决这些问题，本文提供了一种基于NB-IoT技术的交通灯监测系统，实时采集交通灯的电流、电压、温湿度等信息，并通过NB-IoT技术实时传输到云平台，实现远程监测。该系统大大提高了交通灯的运维效率，为运维部门提供了巨大的便利而且为智能交通的发展提供了有效的服务。
一、系统方案
交通灯监测系统主要由三个部分组成，采集终端、NB-IoT通信模塊和远程监测平台。采集终端负责采集处理交通灯的状态信息，并且将处理好的数据即时地交给NB-IoT通信模块。NB-IoT通信模块是系统的信息中转站，负责连接到运营商基站[4]，基站连接到核心网[5]。远程监测平台负责汇聚接入网络的数据，并对数据进行解析和处理，分析出交通灯的工作状态并将信息实时显示，用户可通过浏览器登陆监测平台了解交通灯的工作信息，实现了交通灯工作状态的实时监测。系统总体设计如图1所示：
二、硬件设计
终端系统采用一体化设计，将传感器采样、过滤计算、数据转换和通讯功能集成在一起，硬件部分由4个部分组成，包含有MCU模块、传感器模块、NB-IoT通信模块、电源模块。系统的硬件设计如图2所示：
（一） MCU模块
本系统的MCU芯片采用的是ST公司的STM32F103VCT6芯片。芯片的主频最高达72MHz，包含8个定时器、3个12位的ADC等丰富的内部资源，常被用在物联网设备中[6]，能满足本系统的运行和运算。
（二）传感器模块
传感器模块由温湿度传感器、采样电路和计量电路组成。
（1） 温湿度传感器
系统使用的温湿度传感器为HTU21D，用于机壳内的温度和湿度的采样。HTU21D的体积小，精度高，转换时间较短，使用方便，适合系统的应用。系统中的MCU使用IIC方式与温湿度传感器通讯[7]，可在短时间内采集到温湿度数据。
（2） 采样电路
由于交通灯采用220V交流电供电[8]，不能简便的直接检测[9]，因此电压采样电路首先使用电压互感器降低电压，再采用高精度的采样电阻进行分压采样。电压采样电路使用了电压互感器，将芯片与电网隔离，进而获得了良好的抗干扰能力。
电流采样电路由电流互感器和精密低阻值的电流采样电阻组成。交通灯的工作电流先经过电流互感器，之后与精密低阻值的电流采样电阻串联，其阻值为毫欧级高功率电阻，对原电路的影响极其微弱，满足系统的对电流测量精度的需要。
（3）计量电路
本系统计量电路选取ATT7022EU三相计量芯片。芯片与MCU之间通过SPI通讯方式进行计量及校表参数的传递，所有计量参数及校表参数均可通过SPI接口读出，使用方便。并且通过芯片内置的电压监测电路可以保证上电和断电时正常工作，确保计量数据的可靠性，充分满足系统的需要。
（三）电源模块
本系统的电源模块由220-12V电源模块、DC-DC电源模块和LDO电源模块组成。系统的电源通常由交通灯的供电电源提供，为预防意外断电等突发情况发生，加入备用的12V可充电锂电池。使用交通灯的供电电源供电时，电源通过220-12V电源模块将220V交流电转换为12V直流电。意外断电等情况下，由备用电池提供12V直流电。12V直流电经由 DC-DC芯片LM2596组成的降压电路降压至5 V，提供给 NB-IoT通信模块。之后，5 V电源经由AMS1117-3.3芯片组成的LDO降压电路降压至3.3 V，为系统MCU和其他各模块提供输入电压。电源模块使用的电源芯片都可以输出稳定的电压、满足系统所需要的驱动电流。
（四） NB-IoT通信模块
本系统采用的NB-IoT通信模块为上海移远的BC95-B8模块。BC95-B8模块是一款高性能、低功耗的NB-IoT无线通信模块，使用中国移动的SIM卡，中心频段为900MHz。MCU通过串口与NB-IOT通信模块进行数据交互，将系统采集的数据实时传输给NB-IOT通信模块，实现数据的无线传输。
三、软件设计
交通灯监测系统的软件设计包括终端软件设计和远程监测平台设计。终端软件设计就是采集终端MCU的驱动程序设计，远程监测平台使用阿里云物联网平台完成开发。
（一）终端软件设计
终端软件设计就是采集终端MCU的驱动程序设计，其主程序主要包括采集数据、定时、数据传输等功能，程序设计如图3所示。主程序的工作流程为：主程序首先进行MCU的系统资源初始化，然后对终端系统的传感器模块和NB-IoT通信模块的初始化，定时器计数溢出后，在中断程序中更新标志位，主程序对标志位判断，如果计数时间到，就进行数据采集和数据发送，完成数据的采集和上传。
（二） 远程监测平台设计
远程监测平台使用阿里云物联网平台完成开发。本系统的远程监测平台的主要功能包括数据解析和对异常状态的报警，工作流程如图4所示。设备接入物联网平台后，进入IoT Hub，IoT Hub帮助设备连接阿里云物联网平台的服务，是设备与云端安全通信的数据通道。之后利用物联网平台提高的设备管理服务管理设备，接收到的数据通过平台提供的规则引擎后，根据协议格式解析出需要的四种状态信息的数值，并根据数值判断交通灯是否处于异常状态。平台根据这些信息生成巡检报告，实现交通灯的远程监测。
四、远程监测平台效果展示
在确保正确连接终端设备后，登录远程监测平台，交通灯工作时的数据被NB-IoT通信模块实时传输到云端服务器。远程监测平台对数据进行解析，得到交通灯温湿度、电压、电流信息，根据这些信息判断交通灯的工作状态并生成巡检报告，如图5所示。
五、结束语
基于NB-IoT技术的交通灯监测系统利用多种传感器能够可靠的测量交通灯工作时的温湿度、电压、电流等信息，并利用NB-IoT技术实时的将数据上传到远程监测平台，达到了实时监测交通灯的目标。
作者简介：
丁凯旋（1998-），男，汉族，安徽宿州人，天津工业大学17级本科生，专业电子信息工程。
郭翠娟（1975-），女，汉族，河北任丘人，博士、副教授，主要研究方向为电磁传感技术研究、旋转机械故障诊断和通信设备设计等。
荣锋（1979-），男，汉族，山东日照人，副教授， 博士研究生，主要研究领域为无损检测、信号采集与分析、故障监测。
基金项目：本文系2018年度天津工业大学国家级大学生创新创业训练计划项目，项目编号：520432