NB-IoT智能路燈系統(tǒng)

在路燈的實際應(yīng)用過程中會出現(xiàn)控制、檢測以及安全問題，包括路燈不能根據(jù)實際情況(天氣突變、重大事件、節(jié)日)及時校時和修改開關(guān)燈時間，也無法進行LED燈調(diào)光，無法實現(xiàn)二次節(jié)能；故障依據(jù)主要來源于巡視人員上報和市民投訴，缺乏主動性、及時性和可靠性，不能實時、準確、全面地監(jiān)控全城的路燈運行狀況。管理部門缺乏統(tǒng)一調(diào)度的能力，只能以逐個配電柜為單元進行調(diào)整，不僅費時費力，而且增加了人為誤操作的可能性；設(shè)備易丟失故障無法定位，無法準確發(fā)現(xiàn)電纜盜割、燈頭被盜和斷路，一旦出現(xiàn)以上情況將帶來巨大的經(jīng)濟損失，同時影響市民的正常生活及出行安全。

目前，國家層面已經(jīng)發(fā)布了《關(guān)于促進智慧城市健康發(fā)展的指導意見》，指出2020年建成一批特色鮮明的智慧城市，實現(xiàn)公共服務(wù)便捷化、城市管理精細化、生活環(huán)境宜居化、基礎(chǔ)設(shè)施智能化等。降本增效和精細化運營的內(nèi)部需求也驅(qū)動智能路燈建設(shè)，以降低人工巡檢成本，減少因為安全問題帶來的經(jīng)濟損失，提高控制準確性、全面性，統(tǒng)一調(diào)度。NB—IoT技術(shù)相比其他控制技術(shù)，能夠很好地滿足以上需求，實現(xiàn)路燈的智能化控制，促進智慧城市建設(shè)，滿足降本增效和精細化運營的內(nèi)部管理需求。

一、路燈的發(fā)展狀況

路燈從白熾燈開始，經(jīng)歷了氣體放電燈、LED燈階段，能耗逐漸降低，智能化程度不斷提高。目前LED路燈的光效可達160lpw，比白熾燈節(jié)電90％以上，比高壓鈉燈節(jié)電5O％～70％，壽命高達50000hrs以上，可選PLC或者zigbee等技術(shù)組網(wǎng)控制。

近年來，我國城市建設(shè)呈現(xiàn)高速增長態(tài)勢。作為城市基礎(chǔ)建設(shè)的一部分，城市道路照明也得到了快速發(fā)展，據(jù)國家統(tǒng)計局數(shù)據(jù)顯示，從2007年至2015年近十年間，全國城市道路照明路燈數(shù)量由1395萬盞增加到2423萬盞，年均復合增長率達到7.14％。在城市道路照明路燈的使用類型方面，按道路照明路燈光源的不同，可以分為高壓鈉燈、LED路燈、節(jié)能路燈、新型氙氣路燈等。

按照光源分，鈉燈占絕大比例，其次是LED燈，其余燈種類占比較小。

根據(jù)對包括所有直轄市、省會城市、計劃單列市在內(nèi)Ag81個重點城市的統(tǒng)計，智能監(jiān)控儀的總數(shù)最多，已達21826點，分別是時控、光控和防盜監(jiān)控點Ag3倍、6.8倍、9.2倍。

在城市道路照明監(jiān)控系統(tǒng)使用情況中，“三遙”系統(tǒng)使用最為普遍，占64％；其次是“五遙”系統(tǒng)，占23％；“四遙”和GPRS系統(tǒng)分別占5％和8％。

二、路燈智能化演進存在的問題

監(jiān)控管理方式相對粗放。傳統(tǒng)的“三遙”系統(tǒng)只能實現(xiàn)回路級別的采集和控制，對單燈運行情況無法實時、準確監(jiān)控，出現(xiàn)燈具故障無法及時反饋到監(jiān)控中心，不能實現(xiàn)智能化監(jiān)控和精細化管理。另外也不能對故障處理情況實時跟蹤、分析，影響照明生產(chǎn)管理考核和決策判斷。

能源消耗偏大。缺少靈活有效的節(jié)能控制手段，過度照明和照明不足的矛盾難以調(diào)和(即前半夜按照城市形象照度運行，后半夜采取節(jié)能照度運行)，無法實現(xiàn)按需照明，從而在保障照明質(zhì)量的前提下有效降低照明能耗。

運行維護效率低、成本偏高?，F(xiàn)階段的照明設(shè)施故障發(fā)現(xiàn)機制主要采用人工巡查模式，工作量巨大，還可能留有盲區(qū)，運維效率低，難以實現(xiàn)主動服務(wù)，保障服務(wù)質(zhì)量；在維護過程中，對材料的采購也缺少科學依據(jù)，不適當?shù)牟牧蟼湄洉斐少Y金占用，不能對材料進行精細化管理。

設(shè)施安全難以保障。缺少實時監(jiān)管措施，照明電纜等設(shè)施頻繁被盜或損壞，給照明管理部門造成直接的經(jīng)濟損失，嚴重影響城市照明的正常運行，同時帶來安全隱患。設(shè)施資源缺乏有效管理。城市照明設(shè)施資源管理基本停留在人工臺賬時代，缺少信息化手段，設(shè)施資源數(shù)量不清、狀態(tài)不明，不利于運維養(yǎng)護。

智能路燈的方案給路燈帶來的好處顯而易見，然而我國城市路燈仍以傳統(tǒng)的非智能化的鈉燈為主，智能化改造遇到的阻力很大：、1：LED路燈的成本較高。l2把鈉燈換成LED燈，并智能化升級，全城改造要花費幾個月時間。、3將鈉燈更換成LED燈，節(jié)能不節(jié)錢，還增加了工作量，通常路燈維修需要三個人，一個開車、一個維修、一個現(xiàn)場維護。盡管已經(jīng)取得了長足進步，但路燈用LED燈仍然存在缺陷，例如穿透性不夠強，霧霾天氣下難照亮；散射能力比鈉燈差，照射范圍小。

三、NB-IoT技術(shù)在智能路燈控制中的技術(shù)選擇對比分析

當前主要采用組控方式，隨著路燈對控制精細化要求的不斷提高，以及智慧城市建設(shè)進程的不斷加快，部分城市開始采用單控。智能路燈單控主要采用兩跳和一跳系統(tǒng)，兩跳通過FAN網(wǎng)絡(luò)計算匯聚后再接入平臺，一跳通過WAN直接與平臺通信。

兩跳：市政路燈管理以路段為單元，各路段配備配電柜供電。路段電氣參數(shù)采集器與網(wǎng)關(guān)通常合一，部署在配電柜。在路燈桿上拓展需要進行邊緣計算的應(yīng)用，如W、安防監(jiān)控、廣告屏等。目前FAN網(wǎng)絡(luò)主要采用PLC、ZigBee/RF技術(shù)。

一跳：單燈故障定位、單燈開關(guān)、調(diào)光不需要本地集中計算控制。離散擴展應(yīng)用直接接入網(wǎng)絡(luò)，無須本地進行集中計算控制。一跳網(wǎng)絡(luò)使整個路燈網(wǎng)絡(luò)更加簡單，業(yè)務(wù)側(cè)只需關(guān)注應(yīng)用層標準，可快速接入不同廠商設(shè)備。

兩跳方案分為PLC和Zigbee/RF技術(shù)兩種，同時搭配GPRS技術(shù)，實現(xiàn)路燈控制。一跳方案主要為LoRa和NB—IoT兩種，經(jīng)過對比分析發(fā)現(xiàn)，一跳整個路燈網(wǎng)絡(luò)簡單，業(yè)務(wù)側(cè)只需關(guān)注應(yīng)用層標準，可快速接入不同廠商的設(shè)備，同時一跳中的NB-IoT技術(shù)更加優(yōu)良。

目前在城市公共照明單燈智能化監(jiān)控領(lǐng)域，電纜線載波通信是底層通信技術(shù)的主流方向，在實際應(yīng)用中約占90％的比例；ZigBee技術(shù)也有一定應(yīng)用，約占1O％的市場份額；其他技術(shù)則應(yīng)用較少。在遠程傳輸領(lǐng)域，目前大部分是利用GPRS技術(shù)，未來NB—IoT等技術(shù)將逐漸增多。

從成本角度看，NB—IoT的技術(shù)成本最低，其中包括建設(shè)成本、運行成本和年均成本等。從技術(shù)角度講，NB—IoT更適合路燈控制，因為其覆蓋較廣、容量較大，通信質(zhì)量有保障。

四、智能路燈NB-IoT拓展策略

4.1聚合

建立模范試點效應(yīng)。聯(lián)合路燈所、路燈廠家、終端系統(tǒng)解決方案商，運營商通過提供終端補貼，推動智能路燈廠商進行終端改造，打造NB—IoT示范應(yīng)用工程。

推動路燈產(chǎn)業(yè)聚合。通過聚合模組供應(yīng)商、路燈廠商、平臺提供商、系統(tǒng)集成商、路燈管理等，搭建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，形成行業(yè)標準，降低智能路燈制造、智能芯片模組等成本，聚力推動路燈行業(yè)成熟，以低資費吸引用戶使用，短時間快速擴大路燈使用規(guī)模。

4.2爭取主動權(quán)

以管道為基礎(chǔ)，大力推廣平臺層內(nèi)容，讓路燈在智能化的基礎(chǔ)上成為智慧城市和智能交通等的載體。應(yīng)利用運營商資源優(yōu)勢，推廣宣傳示范成果，搶占先機，爭奪智能路燈平臺話語權(quán)。

4.3開闊思路，豐富服務(wù)內(nèi)容

利用路燈的獨特優(yōu)勢，結(jié)合NB—IoT技術(shù)特點，擴展路燈服務(wù)。比如，將路燈變成環(huán)境氣象站，在智能網(wǎng)關(guān)上增加PM2.5、溫濕度等傳感器，在路燈載體上播報當?shù)貧庀?、環(huán)境等城市綜合信息。

五、智能路燈的NB-IoT技術(shù)監(jiān)控系統(tǒng)

道路照明是人們生活中不可缺少的道路交通安全設(shè)施．傳統(tǒng)的道路照明采取集中供電（夜晚點亮、白天關(guān)閉）的固定管理模式，存在諸多弊端：
（１）不能根據(jù)周圍的人車流量、天氣的變化來調(diào)節(jié)路燈亮度；
（２）不能遠程設(shè)定亮燈模式和修訂參數(shù)；
（３）不能自動報故障和定位故障的具體地點．為了節(jié)約電能、方便人們出行，有必要對傳統(tǒng)的路燈控制系統(tǒng)進行升級改造．窄帶物聯(lián)網(wǎng)（ＮａｒｒｏｗＢａｎｄＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓ，簡稱ＮＢ－ＩｏＴ）技術(shù)已成為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個重要分支，是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，由３ＧＰＰ組織所制定的通信技術(shù)，利用授權(quán)的ＧＳＭ和ＬＴＥ頻段，使用現(xiàn)有的４Ｇ基站和相關(guān)設(shè)備，不需重新構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)．

ＮＢ－ＩｏＴ技術(shù)具有如下優(yōu)點：
（１）廣覆蓋．依托三大運營商的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)全國覆蓋．
（２）深層次覆蓋．
（３）低功耗．基于這些優(yōu)點，可將ＮＢ－ＩｏＴ技術(shù)應(yīng)用到路燈監(jiān)控系統(tǒng)中，對路燈的運行狀態(tài)及其相關(guān)設(shè)備進行監(jiān)控，實現(xiàn)高效智能化、科學化的管理．將ＮＢ－ＩｏＴ技術(shù)應(yīng)用到智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)中，使每一盞路燈都接入網(wǎng)絡(luò)，且都有唯一的ＩＤ識別碼．這樣，系統(tǒng)就能對路燈進行實時的監(jiān)控管理，有效地提高系統(tǒng)運行的效率，節(jié)約電能，滿足智慧城鎮(zhèn)發(fā)展和建設(shè)的要求．

5.1智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于ＮＢ－ＩｏＴ技術(shù)的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層．感知層由單獨的路燈控制模塊和ＮＢ－ＩｏＴ終端構(gòu)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(guān)、負責數(shù)據(jù)信息的采集和監(jiān)控路燈的運行狀態(tài)，它通過ＮＢ－ＩｏＴ網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)信息上傳到ＮＢ－ＩｏＴ基站，將應(yīng)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．網(wǎng)路層由ＮＢ－ＩｏＴ基站和Ｉｎｔｅｒｎｅｔ網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成．Ｉｎｔｅｒ－ｎｅｔ網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用４Ｇ的ＬＴＥ平臺，將感知層的數(shù)據(jù)信息實時地傳送到應(yīng)用層，同時將應(yīng)用層的控制命令傳送到感知層．智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖１所示．

5.2系統(tǒng)硬件設(shè)計

（1）路燈控制模塊：路燈控制模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖２所示．路燈控制模塊是感知層的核心部件，對路燈的現(xiàn)場進行監(jiān)控和管理，主要由微控制器、ＮＢ－ＩｏＴ模組、ＧＰＳ定位單元、信息采集模組、檢測電路和驅(qū)動電路構(gòu)成．每個路燈控制模塊設(shè)置唯一的ＩＤ碼，便于識別不同的路燈．ＧＰＳ定位單元能夠定位路燈的具體位置，為路燈的監(jiān)控和檢修提供詳細的地址．ＮＢ－ＩｏＴ模組實現(xiàn)路燈控制模塊與ＮＢ－ＩｏＴ終端的通信．路燈控制模塊通過ＮＢ－ＩｏＴ模組將信息采集模組采集的路燈現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息發(fā)送到ＮＢ－ＩｏＴ終端，同時接收應(yīng)用層通過ＮＢ－ＩｏＴ終端傳遞的各種控制命令．信息采集模組主要由溫濕度傳感器、光照傳感器、車流量傳感器和熱釋電紅外傳感器構(gòu)成．溫濕度傳感器采集周圍環(huán)境的溫度和濕度，光照傳感器采集光照的強度，車流量傳感器采集道路上的車流量，熱釋電紅外傳感器采集道路上的行人流量．檢測電路檢測系統(tǒng)供電的電能質(zhì)量、路燈的電壓及電流和路燈的運行狀態(tài)，驅(qū)動電路用于控制路燈的開關(guān)和亮度調(diào)節(jié)．

（2）ＮＢ－ＩｏＴ終端：ＮＢ－ＩｏＴ終端采用工業(yè)級３２位的ＡＲＭ９系列芯片，以嵌入式實時操作系統(tǒng)為支撐，可以大容量地接入路燈控制模塊，通過無線的方式與路燈控制模塊進行信息通信．同時備有有線ＲＳ４８５和ＲＳ２３２串口通信，接收路燈控制模塊采集的數(shù)據(jù)信息和路燈運行的狀態(tài)參數(shù)，傳遞監(jiān)控中心下達的控制命令．根據(jù)路燈的數(shù)量和系統(tǒng)實際控制的需求，通過計算分析，合理地規(guī)劃ＮＢ－ＩｏＴ終端數(shù)量和布置地點，使每個ＮＢ－ＩｏＴ終端都能與接入它的路燈控制模塊進行雙向通信．

（3）ＮＢ－ＩｏＴ基站：由于４Ｇ通信網(wǎng)絡(luò)基站分布較多，信號覆蓋范圍廣，利用現(xiàn)有的４Ｇ通信基站規(guī)劃架設(shè)ＮＢ－ＩｏＴ網(wǎng)絡(luò)基站，可使信號覆蓋范圍更廣，傳輸能力更強．ＮＢ－ＩｏＴ基站部署在現(xiàn)有的基站上，路燈現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息通過三大運營商的４Ｇ網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)有線遠距離傳輸，被傳送到監(jiān)控中心，同時，ＮＢ－ＩｏＴ基站將所接收的監(jiān)控中心的控制命令下達到路燈控制模塊．

5.3監(jiān)控中心軟件設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用層主要由移動手機、監(jiān)控中心和報警裝置構(gòu)成．監(jiān)控中心是應(yīng)用層的核心，是感知層處理數(shù)據(jù)、管理狀態(tài)、處理故障和管理能耗的人機交互的平臺．通過移動手機上的監(jiān)控ＡＰＰ，工作人員可以隨時隨地監(jiān)測和管理路燈的運行．

監(jiān)控中心是工作人員和遠程監(jiān)控系統(tǒng)的人機交互窗口，可以直接反映整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的情況和路燈運行的狀態(tài)，因此其設(shè)計必須滿足控制的要求，還要兼顧整個系統(tǒng)的實時性、可操作性和穩(wěn)定性．監(jiān)控中心軟件的功能模塊框圖如圖３所示．數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲、查詢和報表的輸出打?。當?shù)據(jù)采集主要采集溫濕度、光照強度、車流量、人流量，以及路燈的電壓、電流、功率等參數(shù)；數(shù)據(jù)存儲主要存儲現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息；數(shù)據(jù)查詢可以快速查詢歷史數(shù)據(jù)．狀態(tài)管理實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置、路燈控制模式的設(shè)定、路燈模式的設(shè)定、路燈調(diào)光模式的設(shè)定和運行狀態(tài)的查詢．路燈控制模式可以采用自動控制模式、經(jīng)緯度模式、節(jié)假日模式和臨時模式等；路燈模式可以針對不同的單個路燈、某一路段的路燈和某一區(qū)域的路燈進行設(shè)定；路燈調(diào)光模式可以根據(jù)車流量和人流量自動地開啟相關(guān)路燈，還可以根據(jù)時間段設(shè)定不同百分比的ＰＷＭ開關(guān)路燈，或根據(jù)采集的自然環(huán)境信息實現(xiàn)全開、半開或全關(guān)路燈．故障處理實現(xiàn)故障的自動監(jiān)測、故障位置信息的鎖定和自動報警，并以短信的形式通知工作人員．能耗管理實現(xiàn)遠程抄表、各路段和系統(tǒng)的能耗統(tǒng)計，能耗可以按照時間生成曲線報表，供工作人員分析．

總結(jié)

設(shè)計了一套基于ＮＢ－ＩｏＴ技術(shù)的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用路燈控制模塊采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息，再利用ＮＢ－ＩｏＴ終端將現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層．網(wǎng)絡(luò)層利用ＮＢ－ＩｏＴ基站和４Ｇ網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的上傳與控制命令的下達．基于ＮＢ－ＩｏＴ技術(shù)的智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)管理、故障處理和能耗管理等４大功能，符合物聯(lián)網(wǎng)路燈控制系統(tǒng)的實時性、自動化和物物互聯(lián)的需求，提升了路燈照明監(jiān)控系統(tǒng)的智能化，提高了系統(tǒng)的管理水平和技術(shù)服務(wù)水平，能為建設(shè)節(jié)能環(huán)保型的綠色城鎮(zhèn)發(fā)揮作用．

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