论文：

嵌入式单片机应用系统的数据记录与分析 独撰 电子制作 2013.8

基于C8051F的单片机气流控制仪器研究与实现 独撰 科学与财富 2014.7

课题：2017年校级品牌专业“电子信息工程”建设结题

      2018年江西省教育厅科学技术研究项目基于NB-IoT和多传感器融合技术的城市

道路智慧照明系统在研。

专利：

一种户外徒步用多功能测量仪；

一种多功能蓝牙魔方音箱；

一种将模拟图像转换为二值数字图像的电路模块；

一种无线遥控家居垃圾桶；

一种用于太阳跟踪的光电传感器；

2017年大学生创新创业训练项目：水族箱智能控制系统的设计

获得奖励：

2010年参编教材获得江西省第四届普通高等学校优秀教材二等奖；

2013年获得校首届课堂设计比赛三等奖；

2013年获得校优秀教学质量三等奖；

2014年获得校“讲课”比赛三等奖；

2014年获得本科生毕业设计“优秀指导教师”称号；

2017年获得本科生毕业论文“优秀指导教师”称号；

指导学生获得第八届全国信息技术应用水平大赛“Rigol杯”电子系统设计团体赛全国三等奖，授予优秀指导教师；

指导学生获得第十届全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞速赛华东赛区优胜奖；

指导学生获得第二届江西省“互联网+”大学生创新创业大赛铜奖，并评为优秀指导老师；

指导学生获得2017年“中星杯”江西省大学生计算机作品赛特等奖；

指导学生获得2017港澳台泛珠三角+“中星杯”大学生计算机作品赛金奖；

指导学生获得第十五届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛江西赛区三等奖；

（一）、承担课题

[1] 《便于学生调测的液显逆变器设计》，2011年校级自然科学研究项目，第一参与，2014年6月已结题。

[1] 《便于学生调测的液显逆变器设计》，2016年江西省教育厅科技研究项目，第二参与。

（二）、获奖情况

[1] 指导参加2017年全国大学生电子设计竞赛，本科组国家一等奖。

[1] 指导参加2017年江西省大学生电子综合设计，本科组一等奖。江西省教育厅

[4]挑战杯：2017年全国大学生挑战杯江西赛区，江西省教育厅，二等奖，2017年，第一指导教师。

[1] 2017年第十一届恩智浦杯智能汽车大赛，全国自动化科协，国家二等奖，2017年，独立指导。

[1] 2016年第十一届恩智浦杯智能汽车大赛华东赛区，全国自动化科协，本科组一等奖，2016年，独立指导。

[2] 2016年江西省电路仿真设计赛，江西省教育厅，本科组一等奖，2016年，独立指导。

[3] 2015年江西省智能车设计赛，江西省教育厅，本科组二等奖，2015年，独立指导。

[4]挑战杯：2014年江西省大学生创业大赛，江西省教育厅，三等奖，2014年，第二指导教师。

[5] 2013年江西省电子专题设计赛，江西省教育厅，本科组二等奖，2013年，独立指导。

（二）、论文与专利

[1] 《试论电子工程专业集成电路工艺课程的教学方法改革》，东方教育， 2015年11月，独撰，省级刊物。

[2] 《电子工程本科专业课教学方法改革初探》，电子制作， 2012年12月，独撰，省级刊物。

[3] 《电子工程教学中的问题与对策研究》，读写算，2012年11月，第二作者，省级刊物。

[4] 《数制转换的简易方法解析》, 硅谷,  2010年1月 , 第三作者，省级刊物。

[5] 实用新型专利：《一种新型汽车坐垫》，国家专利局，独撰，授权日期2014年07月23日。

[6] 实用新型专利：《一种紧凑型网络机顶盒》，国家专利局，第二作者，授权日期2014年07月23日。

[7] 实用新型专利：《一种高效散热的智能手机》，国家专利局，独撰，授权日期2016年09月21日。

[8] 实用新型专利：《一种自主型紧急灾难求生智能装置》，国家专利局，独撰，授权日期2016年09月21日。

2017年参与江西省教育厅科学技术研究项目 基于NB-IoT和多传感器融合技术的城市道路智慧照明系统；

2017年荣获泛珠三角全国计算机作品大赛铜奖；

2016年荣获创新班优秀创新成果评选中获得“最佳创新个人奖”；

2017年荣获江西计算机作品赛特等奖；

2016年荣获江西省信息安全技术大赛三等奖；

2017年江西省服务外包比赛一等奖；

    2017年南昌市第五届青英创业挑战赛季军；

（一）项目研究背景

1.1国、内外研究现状和发展动态

国内外的智能照明系统行业目前都处于蓬勃发展的阶段。主要使用的有线控制方式的有CLIPSAL公司的C-Bus总线、德国ABB等公司制订的欧洲安装总线规范（European Installation Bus）、Philips的DALI和DALITEK公司的Dynality系统等。其中C-Bus智能照明控制系统是由CLIPSAL电气公司于1994年开发已广泛用于很多国家和地区，C-Bus采用二线网络和分布式系统，是总线型和星型混合的拓扑结构。西门子的Install Bus以及ABB的I-bus智能化照明控制系统都采用EIB标准，采用的也是两线网络，所有的设备节点都可以相互通信实现相互控制。Dynalite智能照明控制系统采用的是分布式控制网络Dynet连接，系统中的各个模块互不干涉，当其中某一部分出现问题时不会影响其他部分的正常使用，系统可靠性很高。DALI系统是一种开放协议的智能照明系统，不同制造厂商的产品可以实现互连，其布线简单灵活，但功能较少，Scenio系统与LuxControl系统使用的就是该协议。但是采用有线控制方式的系统安装及维护比较复杂且不便于扩展，这些缺点在一定程度上阻碍了智能照明系统的发展与应用。

随着无线通信技术快速发展，目前已有很多无线技术可以应用到智慧照明控制系统中。澳大利亚奇胜工业集团推出的ULTI智能照明控制系统采用RF无线射频技术，以RF无线射频传送指令，控制各个ULTI开关及调光开关。飞利浦公司研制的智能照明系统HUE采用了ZigBee通信技术，系统扩展简单灵活。HUE使用了先进的调光技术，在营造良好的视觉效果的同时更加节能，在提供同一亮度的基准下HUE的耗电量仅为传统照明设备的五分之一，但HUE昂贵的价格限制了其广泛应用。智能照明系统HUE是基于ZigBee Light Link协议开发的，此外TI，ATMEL，GE，Ember，欧司朗等著名公司也都在研制与生产相关产品，国内的一些公司也将无线通信技术应用到了智能照明系统中，鸿雁公司的LED智能照明系统采用了开放的ZigBee无线通讯技术，ZigBee无线自组网的方式使得新的照明设备可以自动加入网络，方便系统扩展，无线信号自动路由通信网络可以覆盖整个空间。顺舟网络科技有限公司针对道路照明问题提出了利用ZigBee技术的无线智能照明系统解决方案。苏州市华工照明科技有限公司也致力于开发研制道路照明、楼宇照明、室内照明等无线照明系统产品。

国外在路灯监控领域的技术特点大致体现在以下几个方面：监控策略的现代化；信息承载方式的现代化，管理系统的现代化。监控策略的现代化体现在由集中控制模式发展到精确的场景及行为分析阶段。路灯控制的“三遥”模式在国外已经非常成熟，很多国家都制定了专门针对路灯的工业标准。在集中控制的基础上，现代的路灯控制策略更加关注场景及行为分析的功能。

国内也出现了针对路灯管控体系的产品和应用，这类应用部分由工业控制系统演进发展，将传统的组态软件控制系统升级为无线远程遥控系统，其功能仍主要是面向设备控制的功能范畴。

1.2研究意义

在能源日益短缺，温室效应越来越严重的今天，国家和地方政府大力号召节能减排、绿色照明。有效控制能源消耗，延长路灯寿命，降低维护和管理成本，是现代效能型社会建设的目标，也是城市智慧化建设的必然趋势。许多城市纷纷把智慧城市的建设提上日程，通过信息通信技术和智慧城市建设来完善城市公共服务和改善城市生活环境，使城市变得更加“智慧”。作为智慧型基础设施，智慧照明是智慧城市建设中重要的组成部分。

随着社会经济快速发展，现代城市中的路灯建设高速发展，道路照明质量不断提高，但是随着城市规模的不断扩大，现有的路灯管控体系中存在着能源浪费、管理混乱、维护成本高、灵活性差等问题，急需现代化的路灯管理手段来提高路灯照明的工作效率。NB-IoT（Narrow  Band  Internet  of  Things，窄带物联网）属于第三类物联网，是一种可与现有蜂窝网络融合的低成本、高可靠性、高安全性的广域物联网技术。正适合城市路灯智慧照明无需移动性、小数据量、对时延要求不敏感的业务特点。

本项目以NB-IoT技术为支撑，实现整个城市一张网对城市道路每盏灯实现全面感知、智能控制、广泛交互和深度融合，在满足市民正常照明需求的前提下，通过合理地规划路灯的布局，合理控制路灯的开关时间，融入智能化的路灯管理手段，如光控、流控、场景分析等手段，进一步调整路灯的照明策略，通过智能调光、降功率、按需开关灯等管理方式，减少过度照明，电能节约率可达30%~60%，于此同时，加强路灯数据的管理和分析工作，延长路灯的使用寿命，降低路灯的管理成本和维护费用。通过对城市照明设施实现精细化管理，对城市道路每个灯具的运行状态进行分析和故障报警，根据故障等级启动相应的处置流程，将被动巡检改为定点维护，反应更加敏捷，处置效率更高，使城市的灯光管理水平与现代化的大都市相适应，提高亮灯率，减少各种故障，合理照明，美化照明，安全照明，真正实现节能减排，减少对大气的污染，建设资源节约型、环境友好型社会。

1.3项目已有基础

1. 是否在校级或省级项目基础上进行本次申报（如是，请写明项目类别、立项年份、项目名称、负责人姓名）

是，项目名称：江西省教育厅科学技术研究项目，立项时间：2018年，项目名称：基于NB-IoT和多传感器融合技术的城市道路智慧照明系统，负责人姓名：王蓓

2. 与本项目有关的研究积累和已取得的成绩

  本项目目前已实现了简化版道路智慧照明控制为后续的研究工作提供了可靠的经验和研究数据。

3. 已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法

项目组已建立技术工作室，项目依托的主管部门，在人力、物力、财力以及相关政策大力支持，先期基础研究所需条件如图书馆资料、打印设备、调研场所等皆已具备。拥有IBM服务器1台和计算机近10台，已建立了比较规范的项目和实验室管理制度；多种微处理器仿真设备（ARM 系列1台，ICD2 1台），编程器2 台，数字示波器5台，函数信号发生器5台。

（一） 项目研究目标及主要内容

2.1研究目标

1、从道路照明本质、照明系统用户需求出发，研究道路照明精益化和道路照明监控管理方式精益化的可行性，并根据研究结果，完成城市道路智慧照明系统的需求分析和层次结构架构，建立城市道路照明监控管理模型。以模型为基础设计道路照明智慧照明系统，完成系统硬件设计与实现。包括控制模块和各传感器采集模块设计，对无线通讯模块硬件进行研究，实现数据采集处理与上传，并对协调器与上位机通信的连接硬件进行设计，为数据的接收和管理系统构建硬件平台。

2、完成城市道路智慧照明系统的组网，监控策略设计、照明质量与能耗预评估。对数据采集接收部分软件设计，包括终端节、点数据的采集与传输，协调器节点数据的接收实现方法和流程，使协调器能够建立一个新网络并正确接收终端节点发送的数据包，最终对其进行协议捕捉测试，实现系统的良好通信，根据多种传感器采集的物理信息模拟照明需求，构建照明需求模型进行按需照明研究。

3、云服务器的管理系统研究。包含监控管理系统的软件结构、通信部分和数据库的设计，主要实现城市道路的照度、车流量、温度、湿度等各种自然信息和道路及路面信息管理。对道路照明系统的数据进行保存，通过服务器能够查询历史数据，可对道路照明系统节能率进行深入数据挖掘。对联网的各类灯具的实时状态进行记录、历史数据査询等功能，实现手动和自动的流畅切换管理。

2.1主要内容

基于物联网技术的发展和城市道路智慧照明系统的实际需求，本课题提出基于NB-Iot和多传感器融合的技术来设计城市道路智慧照明系统。从市场实际需求出发，对比当前比较成熟可靠的网络接入技术，在权衡成本、易用性、开发难度等情况后，选择NB-Iot作为网络接入的主要手段。云服务器及在其上搭载的各种服务程序作为系统的监控管理中心。研究照明监控策略、策略评估、通信网络设计优化、照明自适应等问题。实现从城市整体道路照明到单、双灯多层组合监控管理、报警与维修、统计分析、用户参与监控管理等功能。利用云处理中心实现对灯具运行状态信息记录以及根据道路实际情况进行光照强度、亮灯数量、亮灯时间、功率和按需照明管理等功能，并进行进一步数据处理，从而对道路智慧照明实际情况进行数据挖掘分析。

（二） 项目创新特色概述

通过NB-IoT将所有路灯纳入了统一管理，系统能够对每盏路灯进行精确控制，能够采集每盏路灯的照明情况及照度情况，进行统一功率调整，每盏单灯带有照度反馈调整单元，可实现亮度均匀分配，为每盏路灯建立档案，实现信息备案，利用了NB-IoT技术不仅提高了网络的稳定性，而且还极大降低了社会的频谱资源成本。

采用了多传感器融合技术，利用地磁、微波，温湿度，尘雾，雨水，照度等传感器构建数字照明需求模型，为云处理中心的照明需求提供了数据支撑，从而实现按需照明，实现降低功耗的需求。

（三） 项目研究技术路线

路灯智慧照明系统软件分通信接口软件、数据处理软件和操作管理软件3个子系统，在软件业务逻辑实现过程中相互配合协调。

通信接口软件实现控制中心的软件平台与主控制器之间的通信连接和数据传输。主要的功能包括通信连接建立与管理、协议解析处理、消息处理与传递等。

路灯控制策略采用全功率运行模式、半功率运行模式、奇偶运行模式、随机交替运行模式、时控运行模式、功率异常报警模式。

基于NB-IoT和多传感器融合技术的城市道路智慧照明系统主要包括以下几部分：云处理中心，通讯层，感知层，控制执行层。图1为系统整体架构图。

图1 系统整体架构图

1．云处理中心：云处理中心通过采集道路上的照度、车流量、人流量、温度、湿度、风速等各种自然信息和道路及路面信息，建立多传感器数据处理系统，根据各项传感器采集的数据信息建立道路环境模型，为道路照明提供数据依据。城市道路照明系统是基础设施的重要组成部分，实现按需照明，结合智能化管理措施，减少由照明系统产生的不必要浪费，实现节能减排。精益理论为系统后续建模提供一定的理论基础。根据精益思想的基本框架，对道路照明监控系统进行详细分析，同时建立基础GIS (Geographic Information System，地理信息系统)和基础数据库；接受和归档各处路灯工作状态数据；方便快捷生成各种管理报表；提供丰富的智慧控制策略实现“按需照明”；通过计算机、手机远程遥控和巡视。

2．通讯层：因道路照明系统通过网路传输的数据量相对于其他流媒体而言占用带宽和数据量都非常小，采用NB-IoT技术，通过NB-IoT连接到互联网，将道路智慧照明控制系统的监控中心、控制装置RTU和路灯控制器联系在一起。通讯层是遥感、遥测、遥控的基础。利用专业的物联网传输信道可以为城市道路智慧照明系统提供高效可靠的信息通道。

3．感知层：感知层利用各种反馈道路信息的传感器采集接受到的实时路面路况及自然条件信息，例如地磁感应系统可以感应到路面车流量信息，结合安装在灯杆上的照度传感器还可以采集路面照度情况，利用安装在灯杆上的微波感应系统采集每杆路灯周围的车流量密度等利用各种传感器感知道路实时路况、环境信息，通过通信层及时反馈给云处理中心。

4．控制执行层：执行层是整个城市道路照明控制系统的核心处理器，通过感知层采集到的各种路面信息综合起来做出策略，例如根据照度传感器自动调整每个单灯的实际照度情况。例如在恶劣天气情况下执行层通过采集环境信息，结合温湿度等传感器的信息控制部分需要亮灯的区域进行补偿性照明。执行层的工作就是整套控制系统的CPU。所有的信息需要汇总到这里进行处理和策略分析然后下发到各个单灯。

数据处理软件是面向消息和任务的后台业务处理系统。主要用于数据处理与计算以及分析统计，包括上行数据处理、下行指令处理、应用接口等模块。其应用场景是对物联网传感信息流进行处理，用来处理源源不断流进来的消息，实时处理新数据和更新数据库。

操作管理软件实现人机交互界面，主要用于面向人员的系统维护和操作功能支持。包括主控箱设置、控制终端设置、控制模式设置、城区街设置、GIS 地图等模块。

（四） 研究进度安排

（五） 项目组成员分工

学校提供帮助：

    （1）指导老师

    （2）实验场地

    （3）图书资料

    （4）研究经费

(1) 单灯控制器和集中控制器；

(2) 智慧照明控制系统； 

(3) 完成系统的测试；

(4)发表学术论文1篇。

本项目针对我国当前城市照明管理现状和实际需求，采用NB-IoT、云计算、单灯控制、地理信息系统（GIS）和移动互联等技术，研究城市智慧照明综合监控管理平台，构建城市照明物联网实体，提高城市照明基础设施智能化水平，实现城市照明系统资源管理精细化、运行监控智能化、运维服务主动化、节能管控精准化和协同办公移动化，从而推动城市照明管理与节能双发展，充分发挥城市公共照明在促进社会、经济、环境发展方面的作用。通过应用先进、高效、可靠的通信技术实现对路灯的远程集中控制或单灯控制。智慧路灯具有远程照明控制、故障主动报警、漏电监测、远程抄表等功能，能产生巨大的社会效益和经济效益，节省大量电力资源，提高路灯照明管理水平，节省维护成本。本项目主要实现城市智慧路灯建设的技术方案的研究，包括智慧路灯管理系统搭建、各单元之间通讯技术的实现、路灯的单灯控制及集中控制、实时数据的测量和故障预警的实现等。智慧路灯的整套管理系统采用“一体化”、“集成化”、“数字化”、“网络化”、“智能化”的设计原则。1）一体化：采用一体化的智慧路灯管理平台将灯杆内，各设备功能模块实现“嵌入式集成”，由统一的平台进行管理可根据实际应用场景实现各个功能模块之间的联动。2) 开放化：平台除将灯杆内，各设备进行统一管理实现联动功能之外，还预留其它接口，便于将设备连接到其它管理部门。3) 数字化：平台中的所有主控设备全部采用数字化管理设备，实现对整个平台中各个功能模块的数字化管理。4) 网络化：平台支持从前端灯杆到后台管理系统，再到各职能管理部门的多级网络结构，使所有信息的传输畅通无阻。5) 智能化：平台在功能操作的设计上以减少人员操作步骤为原则，提高系统分析能力，各系统间实现动态实时联动。智慧路灯系统分为前端感知层、传输层、管控平台层、应用层。前端感知层为加载在路灯杆上的基础设备，包括LED灯、无线AP、视频监控、大屏、应急求助、RFID、物联网传感器等，感知层是负责接收前端基础模块的各类信息：状态信息、报警信息、异常信息等，感知层可接收后台的指令后可对前端设备进行控制。传输层为前端感知层与管控平台层间的纽带，通过传输层，前端感知层，所有管理数据及业务应用数据均是通过传输层发送到平台。同时平台下发的各类指令经传输层给到前端感知层。管控平台层：负责接收来自于应用层的请求，验证请求的数据，调用相应的业务逻辑进行数据处理将处理结果返回给应用层。智慧路灯即可满足上述要求并可以作为开展智慧城市的切入点。可通过在智慧路灯管理平台接入其他云平台、大数据平台、视频平台以及增设物联网设备的方式来满足相应的需求，这些需求可以考虑在后期逐步去扩展实现。本次提出基于NB-Iot和多传感器融合的技术来设计城市道路智慧照明系统。从市场实际需求出发，对比当前比较成熟可靠的网络接入技术，在权衡成本、易用性、开发难度等情况后，选择NB-Iot作为网络接入的主要手段。云服务器及在其上搭载的各种服务程序作为系统的监控管理中心。研究照明监控策略、策略评估、通信网络设计优化、照明自适应等问题。 研究成果：完成研究报告；完成单灯控制器和集中控制器的设计；完成智慧照明控制系统的设计； 完成系统的测试；发表学术论文3篇。在研究方面，最深的体会就是要勤于思考，主动进行实践环节。创新性实验不同于教学计划内的基础实验，可以按照已有的实验步骤在老师的指导下完成实验。很多实验方法要去查找文献资料，去领会理解实验的内容，确定试验需要进行创新的方向。弄清楚自己要干什么，接下来要做的就是按照计划，逐步进行实施，而且每一个环节都需要独立思考。本项目以NB-IoT技术为支撑，实现整个城市一张网对城市道路每盏灯，实现全面感知、智能控制、广泛交互以及深度融合，在满足市民正常照明需求的前提下，通过合理地规划路灯的布局，合理控制路灯的开关时间，融入智能化的路灯管理手段，如光控、流控、场景分析等手段，进一步调整路灯的照明策略，通过智能调光、降功率、按需开关灯等管理方式，减少过度照明，电能节约率可达50%以上，于此同时，加强路灯数据的管理和分析工作，延长路灯的使用寿命，降低路灯的管理成本和维护费用。项目的研究难免会遇到或大或小的困难，这时候要么去向老师求助，要么就是通过查阅文献寻找答案，最重要的还是要自己独立的思考，然后和团队成员共享自己的想法，讨论之后得出更为全面的结论。所有的实践和工作都要围绕创新点来展开，不能偏离主题，当然，本着“不纯粹为了得到成果而实验”的想法，所以更不能凭着个人的主观臆想来猜测实验的结果，完全尊重实验的科学性，然后再一点点地实践去论证自己的猜测。

通过NB-IoT将所有路灯纳入了统一管理，系统能对每盏路灯进行精确控制，能采集每盏路灯的照明情况及照度情况，进行统一功率调整，每盏单灯带有照度反馈调整单元，可实现亮度均匀分配，为每盏路灯建立档案，实现信息备案，利用了NB-IoT技术不仅提高了网络的稳定性，而且还极大降低了社会的频谱资源成本。

采用了多传感器融合技术，利用地磁、微波，温湿度，尘雾，雨水，照度等传感器构建数字照明需求模型，为云处理中心的照明需求提供了数据支撑，从而实现按需照明，实现降低功耗的需求。

从申报本项目开始，我们就体会到了这其中的不易，NB-IOT技术是我们之前从未接触的，无形中更增添了我们的压力。基于NB-IoT和多传感器融合技术的城市道路智慧照明系统这个项目是一种可与现有蜂窝网络融合的低成本、高可靠性、高安全性的广域物联网技术完成的系统。正适合城市路灯智慧照明无需移动性、小数据量、对时延要求不敏感的业务特点。传统城市路灯的管理模式已无法满足新时代人们对路灯管理的要求：现在的管理模式是粗放的、效率低下的,急需进行改造的，时代推动着城市智慧照明的落地。智慧照明建设是一项具有非常广泛发展前景的一项工作。

在此次项目当中共有五位成员负责不同方面：

赵晓鹤（负责人）：项目统筹，负责对整个项目总体协调与沟通，撰写结题报告；

黄友桂（成员）：项目资料收集整理；

旷明星（成员）：记录问题，负责项目的技术讲解，并定期汇报情况；

刘起荣（成员）：撰写学术论文并发表论文，整合资料撰写研究报告；

汪博（成员）：收集有关项目的数据和技术并整理，撰写相关报告进行文本校对。

团队当中的合作需要我们不断的磨合，互相之间学会倾听彼此的意见和看法，做到尊重每一个组员，这样的团队才能合成一体。通过参加这次项目，成员们都收获了很多。通过不懈的努力，项目申报获得通过，这也给了我们一个重要的实践机会完成这个项目。

该项目在规定时间内完成了研究并制作出实物，各部分功能都可演示，整体功能效果理想。团队成员专业知识学习较扎实，动手能力强，创新思维活跃，在研究过程中工作态度端正。主持人领导能力强，专业水平高，动手能力强，团队成员态度积极，最终圆满完成了任务。