物聯(lián)網(wǎng)工程-基于NB-IOT的智能路燈管理系統(tǒng)

132971緒論 173251.1研究背景和意義 177021.1.1基于NB-IoT的智能路燈管理系統(tǒng)的背景分析 163061.1.2本課題的研究意義 1224731.2國內(nèi)外發(fā)展情況 2191721.2.1國內(nèi)發(fā)展形勢 2268961.2.2國外發(fā)展形勢 2195871.3課題研究方法和內(nèi)容 3150981.3.1研究方法 3279201.3.2研究內(nèi)容 3180592系統(tǒng)分析 4292712.1問題描述 4286492.2系統(tǒng)需求和功能分析 4141512.2.1系統(tǒng)需求分析 461762.2.2系統(tǒng)角色分析 4110482.2.3系統(tǒng)環(huán)境配置需求 55162.3系統(tǒng)性能及安全性分析 5316232.3.1系統(tǒng)性能分析 5191742.3.2系統(tǒng)安全性分析 6180482.4系統(tǒng)可行性分析 6323202.4.1經(jīng)濟可行性 6246482.4.2技術(shù)可行性 6172882.4.3社會可行性 7200123系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn) 8245173.1系統(tǒng)總體設計 8272293.2硬件選型及實現(xiàn) 9206353.2.1系統(tǒng)架構(gòu) 9325763.2.2STM32主控模塊 9135433.2.3光敏傳感器模塊 11240923.2.4PM2.5空氣傳感器模塊 1259343.2.5NB-IoT模塊 13215953.2.6硬件實現(xiàn)效果 1541854系統(tǒng)軟件實現(xiàn) 16152944.1開發(fā)工具簡介 16116824.1.1KeiluVision5 1613244.1.2云平臺簡介 1668134.1.3MySQL 16233054.2硬件模塊控制代碼實現(xiàn) 19227164.2.1STM32主控模塊 1979894.2.2PM2.5模塊 21224634.2.3光敏模塊 23271804.2.4NB模塊通訊控制 2479284.3云平臺項目實現(xiàn) 2671195系統(tǒng)測試 28300195.1硬件測試 28214825.2軟件測試 2997605.3測試過程中遇到的問題及其解決方式 2959996結(jié)論 3113404參考文獻： 3220730致謝 33PAGE33緒論研究背景和意義基于NB-IoT的智能路燈管理系統(tǒng)的背景分析近年來中國國力不斷增強，資源方面非常欠缺，其中電力能源尤為緊張。環(huán)保節(jié)能成為當今社會的主題。路燈是城市中處處可見的基礎(chǔ)設施，也是一個城市現(xiàn)代化的標志。路燈最原始的控制方式是人工控制，由管理人員手動控制來實現(xiàn)，這種方式不僅浪費人力,耗時較多，而且效率低下。其次是時控控制方式，由路燈的配電柜內(nèi)的時控裝置控制，也就是通過設置配電箱里的定時器，來實現(xiàn)路燈的定時打開或關(guān)閉，是目前城市應用最多的控制方式。但是時控控制照明方式單一且耗能較大，還常常因為不同原因而沒有及時啟動，例如：特殊天氣等。因此，為了提高城市道路照明系統(tǒng)的效率和可擴展性，豐富其照明方式，現(xiàn)提出了一種基于NB-IoT的智能路燈管理系統(tǒng)，目的是將城市道路照明與空氣質(zhì)量檢測相結(jié)合，將嵌入式技術(shù)與無線通信相結(jié)合，同時融入到新的城市物聯(lián)網(wǎng)（IoT）系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對城市路燈的控制精準化、監(jiān)控智能化、故障檢修便捷化。利用傳感器技術(shù)來完善城市道路智能照明，實現(xiàn)智能化，數(shù)字化的同時，具備監(jiān)測周圍環(huán)境并實時檢測PM2.5濃度功能。本課題的研究意義研發(fā)環(huán)境監(jiān)控路燈管理系統(tǒng),人們可以科學地檢測室外環(huán)境質(zhì)量,同時減少人力管理燈的成本,節(jié)約能源。具體為：可以減少路燈的能耗，緩解國家用電壓力，響應環(huán)保節(jié)能口號的號召，有效提高節(jié)能率?？删珳士焖僬业焦收系穆窡?，減少人力排查的時間成本?？裳娱L路燈的壽命，降低維護和保養(yǎng)的成本?？梢詴r刻檢測室外PM2.5濃度情況，密切關(guān)注大氣污染的時代話題。有助于智慧城市建設的全面推廣。國內(nèi)外發(fā)展情況國內(nèi)發(fā)展形勢近年來，我國在智能路燈驅(qū)動控制的研究上發(fā)展迅速，不斷突破。雖然我國不斷改造和提升城市道路公共照明系統(tǒng)，但受限于沒有智能路燈控制的標準，各個城市的技術(shù)水平參差不齊，導致系統(tǒng)沒有得到很好的推廣與應用，運營方面也有一定的難度?，F(xiàn)如今，大多數(shù)城市在路燈的工作狀態(tài)控制方面，主要采用有線和無線這兩種控制方式。對路燈的控制儀進行編譯，被編譯后的路燈能夠按照日照規(guī)律來運行。但是萬一遇到惡劣的天氣狀況，就會導致路燈受損而無法及時正常啟動，對人民大眾的出行造成不便，對城市交通的正常運行造成影響。因此，國內(nèi)對智能路燈控制系統(tǒng)進行進一步改造，使得系統(tǒng)的運行方式更加靈活，路燈的管理水平和路燈的使用效率得到提高，能夠適應多種環(huán)境，即使是惡劣天氣也能實現(xiàn)正常運行。另外，在路燈外部添加傳感器也是提升系統(tǒng)性能的一種方式，不僅豐富了系統(tǒng)的功能，在控制方式上也有更多選擇，更好地適應復雜的環(huán)境，同時滿足節(jié)能的需求。目前市面上，關(guān)于路燈節(jié)能控制驅(qū)動的產(chǎn)品種類繁多，這些產(chǎn)品一定程度上能實現(xiàn)路燈的驅(qū)動控制，但是在用電高峰期，無法進行自動調(diào)節(jié)，在高壓的沖擊下容易損毀。一些采用相控技術(shù)的路燈管理系統(tǒng)，它們的諧波容易被干擾從而導致照明質(zhì)量不佳。針對這些情況，實現(xiàn)路燈的智能控制是不二之選。為了進一步完善路燈的控制系統(tǒng)，還需要繼續(xù)從如何提升驅(qū)動器的實用性和穩(wěn)定性，如何提高路燈的使用壽命等方面考慮。國外發(fā)展形勢國外的路燈管理系統(tǒng)正以綠色環(huán)保作為發(fā)展和研究的方向，提出的著名的尤里卡計劃項目成功研究出電子鎮(zhèn)流器這一元器件，電子鎮(zhèn)流器的研究和開發(fā)，使得路燈能檢測到不同的工作狀態(tài)從而能夠滿足不同的需求。當今社會，節(jié)能環(huán)保的主題與科技發(fā)展緊密相連，密不可分。路燈控制技術(shù)未來也會是沿著更節(jié)能、更環(huán)保、大功率、智能化的方向而研究開發(fā)和演變。節(jié)能減排已成為時代話題，科技不斷進步，伴隨著科技發(fā)展的礦物能源等資源卻漸漸消耗殆盡，所以充分考慮城市路燈照明和節(jié)能效果顯得尤為重要，讓路燈實現(xiàn)智能化不失為一種有效的辦法。課題研究方法和內(nèi)容研究方法在論文的撰寫前期，參考了多篇優(yōu)秀論文，得出論文的基本框架。根據(jù)課題研究的需求來查閱資料，這樣才能使我們更加客觀全面地了解自己的課題，更加明確課題的方向，即便是研究過程中出現(xiàn)問題，也能從容面對，找到更加有效的解決方法。研究過程中還采用實驗的方法，通過對可能存在的問題進行研究和分析，然后得出的結(jié)論和經(jīng)驗，從而形成某種假設，根據(jù)形成的假設制定出一個可控制的實驗方法，通過多次的科學實驗驗證，觀查被測量值在受到外界影響下的變化，推算出變化規(guī)律，最后統(tǒng)計得出結(jié)論，假設得到驗證。研究內(nèi)容本論文從以下方面進行闡述：第一部分，主要介紹研究背景和意義，針對國內(nèi)和國外智能路燈的發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)傳統(tǒng)路燈存在的不足，提出我國在智能路燈的研發(fā)和發(fā)展中所出現(xiàn)的問題，更明確需要研究的內(nèi)容。第二部分，從系統(tǒng)的軟件和硬件進行多方面分析，明確課題的可行性以及需求，盡可能發(fā)現(xiàn)問題。第三部分，提出課題的總體設計，對課題研究中需要用到的硬件和軟件進行逐一的介紹。然后敘述設計思路和過程，簡述系統(tǒng)實現(xiàn)過程中遇到的問題以及解決方法。研究系統(tǒng)完成后應該如何進一步完善。系統(tǒng)分析問題描述本課題從當今社會追逐智能化方向的市場需求得到靈感，設計一個基于NB-IoT的智能路燈管理系統(tǒng)，管理員可以通過系統(tǒng)來實時監(jiān)控城市中所有路燈的運行狀態(tài)，從而實現(xiàn)路燈的全網(wǎng)監(jiān)控。路燈根據(jù)光照強度去控制開關(guān)從而實現(xiàn)自主亮滅，同時，可以采集到當前光強數(shù)據(jù)以及PM2.5的數(shù)值，然后將檢測到的數(shù)據(jù)通過NB-IoT模塊上傳到服務器，并在MySQL中顯示出來。系統(tǒng)需求和功能分析系統(tǒng)需求分析經(jīng)調(diào)查得知，傳統(tǒng)的路燈管理系統(tǒng)存在一些不足，而智能路燈管理系統(tǒng)針對實際存在的問題進行了優(yōu)化，具體如下：人力成本。智能路燈的自主亮滅，很好地解決傳統(tǒng)路燈要靠人工手動控 制開關(guān)的不足，從而大大減少了控制路燈開關(guān)所需的人力成本。能耗?？紤]到夏令時和冬令時晝夜長短的變化，智能路燈根據(jù)外界光照 強度調(diào)整自己的亮度，取代了時控控制路燈，能夠在天色變暗時及時亮起，能最 大程度地減少路燈所產(chǎn)生的能耗，從而達到減少成本的目的。故障排查。城市中路燈數(shù)量龐大且遍布各地，如何在路燈出現(xiàn)故障時， 及時發(fā)現(xiàn)并排除是值得探討的問題。如果在智能路燈管理系統(tǒng)中，能夠提前給每 個路燈編好號，管理人員只需通過監(jiān)測服務器中顯示的數(shù)據(jù)是否異常，便能判斷 出路燈是否發(fā)生故障，并且能快速定位該路燈，從而有助于管理員快速地排除故 障。系統(tǒng)角色分析根據(jù)需求分析提出的研究方向，系統(tǒng)的角色分配如圖2-1所示。管理人員在電腦中查看傳感器節(jié)點檢測回來的光強和PM2.5數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行判斷。通過阿里云平臺，對路燈進行手動控制。圖2-1系統(tǒng)角色圖系統(tǒng)環(huán)境配置需求表2-1系統(tǒng)環(huán)境配置表操作系統(tǒng)Windows10開發(fā)工具KeiluVison5串口工具COMNET和CH340消息通信協(xié)議NB-IoT系統(tǒng)性能及安全性分析系統(tǒng)性能分析性能方面的需求，主要為：系統(tǒng)響應時間：光照及PM2.5數(shù)據(jù)每3秒采集一次；系統(tǒng)的可靠性：能夠?qū)崟r地把采集到的數(shù)據(jù)上傳到主機，可以通過輔助軟件Navicat查看。系統(tǒng)安全性分析系統(tǒng)安全性需求，主要有：數(shù)據(jù)保密性。路燈采集到的所有數(shù)據(jù)都會存儲在云服務器中。網(wǎng)絡安全性。系統(tǒng)可行性分析根據(jù)系統(tǒng)的需求分析得知，系統(tǒng)的可行性可以從三方面考慮，其中包括經(jīng)濟層面、技術(shù)層面和社會層面。經(jīng)濟可行性智能路燈管理系統(tǒng)的設計開發(fā)中，我們只需采購需要用到的傳感器、STM32開發(fā)板等硬件模塊，以及租用阿里云平臺的服務器的費用。而這些硬件模塊單價較低，符合大批量生產(chǎn)的要求。系統(tǒng)被應用到實際當中后，各個器件受不同因素影響需要更換時，例如老化、損壞等，不需要花太多的資源去排查，只需在系統(tǒng)中確認受損路燈的位置。而且更換新的器件成本不高。因此，從經(jīng)濟角度分析，智能路燈管理系統(tǒng)是可行的。技術(shù)可行性關(guān)于技術(shù)可行性的分析，可以從以下幾方面來著手考慮：在給定的時間內(nèi)，系統(tǒng)要實現(xiàn)基本功能。即使在項目開發(fā)過程中遇到技術(shù)問題，也要確保項目進度不受影響，按時完成，否者會導致項目擱淺。系統(tǒng)的兼容性問題。本課題應該盡可能采用兼容性更好的軟件進行編譯，若出現(xiàn)不兼容的情況，則容易導致采集到的數(shù)據(jù)顯示為亂碼。軟件質(zhì)量問題。采集數(shù)據(jù)時對實時性要求很高，若軟件運行慢，容易導致部分數(shù)據(jù)丟失。社會可行性路燈是城市重要的基礎(chǔ)設施，對其實現(xiàn)智能化具備必要性。能夠保證人們夜間出行的生命財產(chǎn)安全.馬路上整齊排列的路燈設施，起到了美化城市的作用。綜上所述，智能路燈系統(tǒng)部署及運維成本低，對環(huán)境配置要求不高，軟件具備可靠性等多方面考慮都是可行的。

系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)系統(tǒng)總體設計智能路燈系統(tǒng)的總體設計主要分為軟硬件設計和軟件設計兩個部分。硬件主要由STM32開發(fā)板、光敏傳感器、PM2.5空氣傳感器和串口組成。軟件則分為IOT云平臺，Mysql和數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送和接收。圖3-1系統(tǒng)硬件組成框圖圖3-1為系統(tǒng)硬件組成框圖。其中光敏傳感器負責檢測光照強度的數(shù)據(jù)，根據(jù)光照強度來實現(xiàn)路燈自主亮滅；PM2.5空氣傳感器則負責檢測路燈周圍空氣質(zhì)量，NB-IoT模塊負責將所采集的數(shù)據(jù)進行上傳，上傳到IOT云平臺上。各傳感器與STM32開發(fā)板通過GPIO口通信，STM32和主機之間通過串口通信。硬件選型及實現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)基于NB-IoT的智能路燈管理系統(tǒng)硬件部分主要以STM32開發(fā)板作為核心，光敏傳感器模塊與PM2.5空氣傳感器模塊通過串口與STM32核心板連接。傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)由核心板處理，然后把處理好的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給NB-IoT模塊。如圖3-2所示。圖3-2系統(tǒng)架構(gòu)圖本課題所用到的器件選型為：（1）STM32核心板：STM32F103（2）光敏傳感器模塊：GY-30（3）PM2.5傳感器模塊：GP2Y1014AUSTM32主控模塊STM32系列單片機芯片，具備高性能、低功耗、低成本的特點，采用ARMCortex-M3內(nèi)核，由意法半導體公司專門為嵌入式應用設計，頻率的峰值為72MHz。相比于51單片機，STM32的功能更加強大，基本不使用匯編語言，程序編寫方面更加方便，運行速度更加快，在寄存器和外設功能上也有更多的選擇。本課題使用到的具體型號為STM32F103C8T6，是一款32位的微控制器。圖3-3STM32實物圖如圖3-4所示，本課題用到的STM32芯片共有48個引腳，本課題用到其自帶的通用I/O與各傳感器進行數(shù)據(jù)的通信，可以連接LED燈模擬路燈。USB接口可以連接電腦作為供電。開發(fā)板自帶SIM卡槽，可選用移動的NB-IoT物聯(lián)卡來完成網(wǎng)絡連接。圖3-4STM32主控芯片接線圖光敏傳感器模塊相比于其他傳感器，光敏傳感器最為常見、每年的產(chǎn)量也占據(jù)多數(shù)、被人們所廣泛應用。光敏傳感器種類繁多，光電管、光電倍增管、光敏電阻等均包含在內(nèi)。光敏電阻是最簡單的光敏傳感器，智能路燈管理系統(tǒng)用到的光敏傳感器為GY-30，是一種光敏電阻。其工作原理是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。圖3-5光敏傳感器模塊實物圖本課題用到的光敏傳感器模塊的具體型號為GY-30，該傳感器所采用的芯片為BH1750FVI，其內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD，實驗時可以省略復雜的計算，節(jié)省實驗的時間，直接進行數(shù)字輸出，由圖3-5可見光敏模塊有5個引腳。表3-1光敏傳感器引腳名稱表pin引腳名稱描敘1VCC3-5v供給電壓2SCLIIC總線時鐘線3SDAIIC總線數(shù)據(jù)線4ADDRIIC地址引腳5GND接電源地線該傳感器具有以下特點：采用IIC總線接口；光譜范圍大；具有接近視覺靈敏度的分光特性；處于低電流時仍可關(guān)機；對光源的依賴性不大；對紅外線的影響很；不需要其他外部零件。GY-30是通過多向控制總線IIC通訊的，先把VCC和GND接好，IIC總線時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA都連接到STM32的IIC的通訊線路上，地址引腳ADDR可以直接接地，其作用是確定IIC的設備地址。圖3-6光敏傳感器接線圖PM2.5空氣傳感器模塊智能路燈管理系統(tǒng)中的PM2.5空氣傳感器模塊采用GP2Y1014AU粉塵傳感器，是一款利用光學對空氣中的灰塵進行檢測的傳感器模塊，由夏普公司所開發(fā)研制。傳感器上放置著紅外發(fā)光二極管和光電晶體管兩個器件，紅外發(fā)光二極管和光電晶體管的光軸相交。紅外發(fā)光二極管，顧名思義，負責往外定向發(fā)送紅外光線，當空氣流動經(jīng)過傳感器時，若有微粒通過相交區(qū)域時則會阻礙紅外光線原本的軌跡，使紅外光線產(chǎn)生漫反射。這時，光電晶體管則能探測到空氣中的反射紅外光，使得信號輸出引腳的電壓發(fā)生變化，從而輸出信號，管理員可以根據(jù)輸出信號去判斷當前粉塵的濃度，輸出信號即光強的大小。反射的光強大小和氣流中的粉塵濃度成正比，也就是說空氣中粉塵的濃度越大，反射的光強越強。GP2Y1014AU粉塵傳感器檢測的精度高，一致性強，還能進行智能校準。智能校準的功能確保了測量的準確性，解決了當傳感器老化或者由于使用時間長會有灰塵等顆粒附著在傳感器上，從而導致傳感器測量精度下降的問題。同時，傳感器能夠提供多種濃度值輸出接口供其他平臺MCU直接讀取，主要分為模擬電壓輸出和數(shù)字串口輸出兩種。其中模擬電壓輸出時，粉塵濃度越高，輸出的模擬電壓就越高。GP2Y1014AU粉塵傳感器有6個串口，如圖3-7所示。圖3-7GP2Y1014AU實物圖圖3-8GP2Y1014AU引腳圖PM2.5空氣傳感器是基于ADC采樣，采用串行連接即串行采集方式。采集到的數(shù)據(jù)以模擬電壓輸出的方式反饋給STM32。NB-IoT模塊NB-IoT是萬物互聯(lián)網(wǎng)絡的一個重要分支，是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的一個新興技術(shù)，中文名稱為窄帶物聯(lián)網(wǎng)。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡，消耗的帶寬較小，大約為180kHz。為了降低部署的成本，可直接部署于GSM網(wǎng)絡（2G）、UMTS網(wǎng)絡（3G）或LTE網(wǎng)絡(4G)，還能實現(xiàn)平滑升級。NB-IoT可以支持低功耗的設備連接到廣域網(wǎng)的蜂窩,這樣的蜂窩網(wǎng)絡被稱作低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)。它具備以下特點：覆蓋范圍廣。NB-IoT在同樣的頻段下,與現(xiàn)有網(wǎng)絡相比，網(wǎng)絡增益較多，信號能夠穿透墻壁和地板，從而可以覆蓋更深的室內(nèi)場景。電池壽命長。由于擁有PSM(節(jié)能模式)和DRX(擴展不連續(xù)接收)兩大核心技術(shù)，使得NB-IoT的電池壽命大大延長，在每日傳輸少量數(shù)據(jù)的情況下，電池運行的時間可以達到10年以上。部署成本低。NB-IoT與LTE網(wǎng)絡互相兼容且可以直接采用，因此可利用已有基站和現(xiàn)有技術(shù)來降低網(wǎng)絡部署的成本。能把已有的硬件設備、共享頻譜的重復使用，系統(tǒng)共存的問題也能很好地解決。其次，窄帶物聯(lián)網(wǎng)采用半雙工的工作模式和單接收天線的設計，其對內(nèi)存的需求較低（500kByte），因此設備所需成本低廉。支撐多設備連接。條件允許的情況下，一個扇區(qū)可支持5萬臺設備連接。功耗低。NB-IoT半雙工的工作模式，運行時只需要改變發(fā)送和接收模式，而實現(xiàn)這個目的只需用到一個切換器。相比于全雙工工作模式需要用到的器件，NB-IoT能很好地降低電池的能耗。圖3-9NB模塊實物圖NB模塊有配套的SMA，使用時只需要把它裝到天線接口上，安裝時需要確保SMA是否牢固，若沒有旋緊會影響接收和發(fā)送信號的質(zhì)量。安裝SIM卡時，要切斷電源，否則卡容易被燒毀。先把SIM卡放入到卡套當中，插入卡套時注意金屬接觸面要朝向外面。NB模塊的RX、TX與STM32的RX、TX交叉相連。圖3-10NB模塊引腳圖硬件實現(xiàn)效果經(jīng)過努力，硬件實現(xiàn)效果如下圖所示：圖3-11硬件成品圖系統(tǒng)軟件實現(xiàn)開發(fā)工具簡介KeiluVision5系統(tǒng)開發(fā)時用到的開發(fā)工具為KeiluVision5，Keil5是一款能兼容單片機C語言軟件系統(tǒng)，由美國KeilSoftware公司發(fā)布。C語言在功能、可讀性等各方面都比匯編語言有優(yōu)勢，Keil通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision），將C編譯器、鏈接器、仿真調(diào)試器等組合在一起。相比上一代，KeiluVision5集成了許多開發(fā)環(huán)境和庫文件，在新建工程時可以直接選擇調(diào)用，免去了新建文件夾、拷貝庫文件等操作。云平臺簡介隨著云計算的不斷發(fā)展，云平臺的模式被各類型的大型企業(yè)廣泛應用。云平臺與客戶的關(guān)系是服務提供和服務調(diào)用。提供商的數(shù)據(jù)中心提供計算、網(wǎng)絡傳輸或存儲等服務，客戶可通過網(wǎng)絡連接來使用云平臺所提供的服務。基本架構(gòu)如圖4-1所示。圖4-SEQ圖4-\*ARABIC1云平臺基本架構(gòu)圖MySQLMySQL是甲骨文公司(Oracle)旗下的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。由于其高性能、低成本、可靠性好且開源的優(yōu)點，被廣泛應用在因特網(wǎng)中。選擇MySQL的原因有以下幾點：MySQL是開源的，不需要支付額外的費用；可以支持多種語言。其中編程語言包括Python、JAVA、PHP、R、Ruby等；使用標準的SQL數(shù)據(jù)語言格式；即便是擁有上萬條記錄的大型數(shù)據(jù)庫，也能被MySQL所處理。要對MySQL進行搭建，首先以管理員身份打開命令提示符，輸入命令進行MySQL的安裝與初始化。啟動后登錄并輸入密碼。創(chuàng)建表后分別輸入showdatabase和showtable進行查看數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)表。完成Windows系統(tǒng)對MySQL的搭建。搭建流程如圖4-2所示。圖4-2mysql搭建流程圖為了方便查看，我們用到Navicat輔助工具來顯示我們采集到的數(shù)據(jù)。圖4-3Navicat中查找表硬件模塊控制代碼實現(xiàn)STM32主控模塊智能路燈管理系統(tǒng)以STM32開發(fā)板為核心，STM32核心板負責提供串口給光敏傳感器模塊、PM2.5空氣模塊和NB模塊進行連接，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)STM32核心板處理后再上傳到服務器。首先，要對延時函數(shù)進行初始化，調(diào)用串口、NB模塊、光敏傳感器模塊、PM2.5空氣模塊、pwm燈等已經(jīng)編寫好的代碼。然后，清空緩存區(qū)clear_nb_msg();以獲得新的光強和PM2.5的數(shù)據(jù)。接著編寫自動控制燈的代碼，這里需要用到檢測到的光強數(shù)據(jù)，對比判斷當前光強的等級。設定初值，當光強等于初值則關(guān)閉路燈，若光強數(shù)據(jù)低于設定值，則按照等級自動調(diào)光，設定初值為100。最后由于要用到NB通訊模塊，還需要判斷是否接收到NB模塊的消息。STM32配置流程如圖4-4所示。圖4-4STM32配置流程圖PM2.5模塊要實現(xiàn)對空氣中PM2.5數(shù)值的采集，編寫代碼時首先要打開模-數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC的IO端口時鐘，然后配置數(shù)模轉(zhuǎn)換器的IO引腳模式，要注意的是輸入的模式必須為模擬輸入，接著對IO進行初始化。其次，要配置ADC的模式。一開始要打開ADC的時鐘。ADC_APBxClock_FUN(ADC_CLK,ENABLE);它屬于獨立模式，因為只使用了一個ADC。接著需要配置模數(shù)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換模式，開啟軟件即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)換，不需要用到外部觸發(fā)，這里我們只需用到一個轉(zhuǎn)換通道。然后初始化ADC，配置ADC的時鐘為PCLK2的6分頻，然后便可以開啟ADC，并開始轉(zhuǎn)換和校準。接著設置指定ADC的規(guī)則組通道，設置采樣所需的時間，使能指定ADC1的軟件轉(zhuǎn)換，用來啟動模塊功能，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，然后設置結(jié)束后返回到ADC1規(guī)則組上一次轉(zhuǎn)換結(jié)果。采集數(shù)據(jù)時，要打開紅外二極管，然后采樣讀取AD的值，最后關(guān)閉紅外二極管。數(shù)據(jù)經(jīng)過編寫好的轉(zhuǎn)換公式進行轉(zhuǎn)換。注意每一步后面都要延時一段時間，使得最后周期為10ms采集一次數(shù)據(jù)。光敏模塊系統(tǒng)光敏模塊采用的是GY-30傳感器，用到的芯片為BH1750。該模塊的代碼控制思路如下：首先，要配置串口USART1GPIO以及工作模式，輸入輸出模式和波特率等，配置好的參數(shù)寫入到寄存器中。將輸出的內(nèi)容發(fā)往串口時，靠不停地檢查標志位TC來判斷串口是否完成發(fā)送，檢測到完成的標志后，才能進行下一步操作，目的是避免出錯。同時還要編寫開始信號、停止信號、發(fā)送應答信號、接收應答信號等部分的代碼。接收應答信號一定要設成輸入上拉，否則不能讀出數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)時，配置系統(tǒng)時鐘為72M，對串口進行配置以及初始化BH1750。連續(xù)讀出數(shù)據(jù)，并存儲在BUF中，合成系統(tǒng)需要的光強數(shù)據(jù)，然后輸出。NB模塊通訊控制NB作為通訊模塊，將各傳感器采集回來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過STM32處理后上傳到服務器。NB模組通過串口通訊，使用之前我們要對NB硬件進行復位，配置USART為中斷源，初始化配置NVIC，優(yōu)先級的設置。然后我們就可以對NB_UART進行配置。第一步，初始化GPIO，打開串口GPIO的時鐘后分別配置USART的Tx/Rx的GPIO模式；第二步，配置串口的初始化結(jié)構(gòu)體，首先打開串口外設的時鐘，然后配置串口的工作參數(shù)，其中波特率設置為9600，數(shù)據(jù)字長設置為8bit，設置停止位和校驗位、設置工作模式時接收和發(fā)送一起設置，到這里串口的初始化配置就基本完成。還要配置串口的中斷優(yōu)先級，使能串口接收中斷；如圖4-5所示。圖4-5NB_UART的配置流程配置好之后連接服務器，發(fā)送消息及指令，讀取接收的數(shù)據(jù)，接收了大于18個字符才判斷接收完成。隨即發(fā)送指令并判斷接收的數(shù)據(jù)是否正確，查找是否接收到返回的字符串，并且還要判斷有沒有超時或者沒收到。接收到的數(shù)據(jù)發(fā)去串口1，存儲到NB接收緩存數(shù)組。一步步找到最后的數(shù)據(jù)后清空NB緩存數(shù)組。云平臺項目實現(xiàn)在阿里云平臺上注冊一臺設備，創(chuàng)建一個新的服務器；將創(chuàng)建的STM32工程部署到阿里云服務器，主要步驟如圖4-5所示，其中設備的三元組為ProductKey、DeviceNAME和DeviceSecret。修改代碼后要重新進行編譯，燒錄和重置設備，期間可以打開串口查看設備的運行狀態(tài)。圖4-6設備部署流程圖登陸阿里云賬號，在平臺控制臺中找到上傳好的項目，便可以實現(xiàn)手動控制路燈的亮滅。阿里云控制臺的界面如圖4-7所示。圖4-7控制臺界面

系統(tǒng)測試硬件測試硬件測試過程分為以下幾個步驟：硬件底層驅(qū)動編寫測試，確保硬件能正常使用；為搭建系統(tǒng)流程做準備，串口初始化；利用遮擋物遮擋光線，測試光敏傳感器的靈敏度，觀察傳感器節(jié)點采集回來的數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化，數(shù)據(jù)發(fā)生變化，且滿足在被遮擋的情況下，光強的數(shù)據(jù)比沒有被遮擋時要小，則測試說明光敏傳感器能正常使用。利用火柴和蠟燭的燃燒等營造一個空氣質(zhì)量不佳的環(huán)境，靠此來測試PM2.5空氣傳感器的靈敏度，對比正常情況下的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)生變化時說明PM2.5空氣傳感器能夠正常使用。搭建系統(tǒng)系統(tǒng)邏輯應用，將所有功能整合在同一工程進行測試，確保數(shù)據(jù)仍能正確顯示；通過NB卡與主機進行連接，檢驗NB卡的信號是否正常。檢測云平臺上是否顯示與底層連接成功。（當串口助手接收信息為OK和底層硬件主燈亮時為成功）圖5-1路燈在不同光照強度下的亮度對比軟件測試軟件測試過程可分為以下幾個步驟：建立STM32工程，初始化各個模塊，使得各節(jié)點模塊能夠單獨運行；各節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)通過NB-IoT模塊發(fā)送到主機，在輔助軟件Navicat中顯示出來。如圖5-2所示。圖5-2效果顯示圖在阿里云平臺中也能查看燈的亮度，調(diào)光等級，傳感器節(jié)點采集回來的數(shù)據(jù)以及路燈的亮滅情況。如圖5-3所示。圖5-3云平臺數(shù)據(jù)顯示界面測試過程中遇到的問題及其解決方式在系統(tǒng)調(diào)試的過程中也遇到了一些問題及解決方式，具體如下：開發(fā)軟件無法正常使用，排查后發(fā)現(xiàn)依賴包沒有下載齊全，重新下載后軟件能夠正常進行編譯；測試時，接收不到傳感器節(jié)點采集回來的數(shù)據(jù)或者所采集的數(shù)據(jù)為亂碼，經(jīng)過查閱資料后得知串口配置時，沒有初始化串口，以及串口波特率設置不正確。修改后數(shù)據(jù)能正確顯示；連接云服務器時，因為信號差的問題會導致連接不上，重新連接幾次即可。

結(jié)論在建設智慧城市背景下，讓路燈實現(xiàn)智能化是社會發(fā)展所需，根據(jù)前期總結(jié)的需求分析、可行性分析的結(jié)果以及結(jié)合自身所學知識，提出了基于NB-IoT的智能路燈管理系統(tǒng)這一設計選題。論文中分別對每個模塊進行了簡單的介紹和說明，描述了系統(tǒng)設計過程中，硬件環(huán)境的搭建和軟件的實現(xiàn)。本設計的優(yōu)點是打破傳統(tǒng)路燈的局限性，讓路燈與各種傳感器相結(jié)合，無論是設計中用到的光敏傳感器和PM2.5空氣傳感器，還是課題沒有涉及到的其他傳感器，如：溫濕度傳感器等。都能使路燈趨向于多功能化，實現(xiàn)環(huán)境檢測，同時達到節(jié)省成本、降低能耗的目的。但是，本次設計還存在許多需要改良的地方，例如對管理員的身份進行驗證，可用Python設計一個登錄注冊的客戶端，注冊的用戶信息存儲到MySQL中，驗證成功方可查看傳感器節(jié)點采集回來的數(shù)據(jù)，這樣確保了信息的安全性。其次，還可以添加更多傳感器模