基于NB—IOT窄帶物聯(lián)網(wǎng)智能路燈云端控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱鵬 徐潔

摘要：作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的最新技術(shù)，NB-IoT廣泛應(yīng)用于智慧城市。對(duì)于有些功耗低、覆蓋難、業(yè)務(wù)時(shí)延不敏感的場(chǎng)景，NB-IoT具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。智慧路燈借助NB-IoT，為智慧城市打造更豐富的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，提供更加數(shù)字化、智能化的管理和服務(wù)。城市照明行業(yè)正嘗試借助“物聯(lián)網(wǎng)+”的東風(fēng)，布局智慧照明。未來(lái)幾年，以低碳、綠色、節(jié)能、環(huán)保為核心的城市智慧照明，將逐步取代傳統(tǒng)照明，成為城市照明行業(yè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；NB-IoT；智慧

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）12-0218-03

Abstract： As the latest technology in the field of Internet of things， NB-IoT is widely applied in smart city. For some scenarios with low power consumption， difficult coverage and insensitivity to business delay， NB-IoT has obvious technical advantages. Smart street lights， with NB-IoT， create richer Internet of things application scenarios for smart city， providing more digitalized and intelligent management and services. The urban lighting industry is trying to layout smart lighting with the layout of "Internet of things +". In the next few years， the urban intelligent lighting， with the core of low carbon， green， energy saving and environmental protection， will gradually replace the traditional lighting and become the new growth point of the urban lighting industry.

Key words： IoT； NB-IoT； Smart

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，城市公共照明已經(jīng)成為城市現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志之一，城市照明設(shè)施規(guī)模日益增大，用電量節(jié)節(jié)攀升，社會(huì)各方對(duì)城市公共照明的要求和希望越來(lái)越高。而目前國(guó)內(nèi)城市照明的監(jiān)控和管理方式相對(duì)簡(jiǎn)單、粗放，服務(wù)質(zhì)量和節(jié)能水平有待提高，難以滿(mǎn)足現(xiàn)代化城市照明的需要，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

監(jiān)控管理方式相對(duì)粗放。傳統(tǒng)“三遙”系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)回路級(jí)別的采集和控制，對(duì)單燈運(yùn)行情況無(wú)法實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)控，不能實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)控和精細(xì)化管理；部分城市仍停留在“時(shí)控”時(shí)代，缺少基本的信息化管理手段。

運(yùn)行維護(hù)效率低、成本高?，F(xiàn)有的照明設(shè)施故障發(fā)現(xiàn)機(jī)制主要采用人工巡查模式，工作量巨大，需要投入大量的人力物力，并且還可能留有盲區(qū)，運(yùn)維效率低、成本高，難以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)服務(wù)、保障服務(wù)質(zhì)量。

照明能耗偏大。缺少靈活有效的節(jié)能控制手段，過(guò)度照明和照明不足的矛盾難以調(diào)和，無(wú)法實(shí)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設(shè)施安全難以保障。缺少實(shí)時(shí)監(jiān)管措施，設(shè)施被盜時(shí)有發(fā)生，給照明管理部門(mén)造成直接的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重影響城市照明的正常運(yùn)行，同時(shí)帶來(lái)安全隱患。

1 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)由3大部分組成：NB-IoT通信模塊、云端控制系統(tǒng)、手機(jī)端APP。

1.1 NB-IoT通信模塊

基于高通MDM9206平臺(tái)高性能、低功耗的CAT-M1/CAT-NB1/GSM三模無(wú)線(xiàn)通信模塊，支持全球各主流定位系統(tǒng)GNSS，不僅支持當(dāng)前運(yùn)營(yíng)商的主流物聯(lián)網(wǎng)頻段，對(duì)未來(lái)可能會(huì)部署的頻段也最大可能性的支持，其尺寸僅為22.5mm*26.5mm*2.7mm，能最大限度地滿(mǎn)足終端設(shè)備對(duì)小尺寸模塊產(chǎn)品的需求，通過(guò)該模塊實(shí)現(xiàn)路燈信息傳輸、調(diào)光、降功率、按需開(kāi)關(guān)燈等管理方式，減少過(guò)度照明節(jié)約電能，真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、安全、舒適的照明，減少對(duì)大氣的污染，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)。

1.2 云端控制中心

是根據(jù)路燈管控開(kāi)發(fā)的一款遠(yuǎn)程操作與監(jiān)控管理平臺(tái)，方便了管理人員的管理與維護(hù)。通過(guò)燈聯(lián)網(wǎng)集中監(jiān)控管理平臺(tái)可以遠(yuǎn)程控制每一個(gè)回路的開(kāi)、關(guān)狀態(tài)，也可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)設(shè)備的當(dāng)前信息，并根據(jù)采集到的參數(shù)的情況，實(shí)時(shí)判斷線(xiàn)路情況，給用戶(hù)直觀的解析。系統(tǒng)同時(shí)還具備短消息報(bào)警和聲音報(bào)警的功能。

1.3 手機(jī)端APP

一種基于智能手機(jī)APP應(yīng)用的城市路燈控制方法，包括將智能手機(jī)APP應(yīng)用與路燈管理系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，形成APP調(diào)節(jié)城市路燈的架構(gòu)，構(gòu)建智能手機(jī)APP節(jié)點(diǎn)，每個(gè)APP節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)APP注冊(cè)用戶(hù)；當(dāng)用戶(hù)登錄APP應(yīng)用時(shí)，APP應(yīng)用將包含用戶(hù)地理位置、行進(jìn)方式的APP應(yīng)用信息傳送到路燈管理系統(tǒng)；路燈管理系統(tǒng)根據(jù)APP應(yīng)用信息，查詢(xún)用戶(hù)所屬路段的路燈實(shí)時(shí)狀態(tài)，并對(duì)路燈進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。采用NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)概念，通過(guò)手機(jī)APP應(yīng)用按照用戶(hù)實(shí)際需求開(kāi)啟路燈、調(diào)節(jié)路燈亮度，合理分配路燈照明資源，降低了路燈能耗、節(jié)約了路燈使用成本。

2 測(cè)試與分析

硬件調(diào)試：分為電源電路、通信鏈路、LED驅(qū)動(dòng)電路調(diào)試。

2.1 電源電路

圖2中，EUP3420是一款恒定頻率，采用電流模脈寬調(diào)制（PWM）架構(gòu)的降壓型變換器。芯片集成了主開(kāi)關(guān)和同步整流開(kāi)關(guān)，可以獲得更高的效率。本系統(tǒng)采取5V適配器輸入，轉(zhuǎn)化給NB-IoT無(wú)線(xiàn)通訊模塊VBAT網(wǎng)絡(luò)3.3V供電。

C1000：適配器的輸入端，用萬(wàn)用表或者示波器測(cè)試該點(diǎn)電壓是否為5V。

L1000：開(kāi)關(guān)電源buck電感輸出端，用萬(wàn)用表或者示波器測(cè)試該點(diǎn)電壓是否為3.3V，通過(guò)調(diào)整R1000和R1007阻值調(diào)整VBAT輸出的大小。

2.2 通信鏈路

NB-IoT模塊上電后sim卡狀態(tài)測(cè)試。

2.3 LED驅(qū)動(dòng)電路

上圖中，三極管驅(qū)動(dòng)電路由Q11、R128、D30、J26（焊接LED模組）組成，NB-IoT通信模塊通過(guò)GPIO口控制三極管的基集，使三極管Q11工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)LED的開(kāi)斷。

3 軟件測(cè)試

安卓手機(jī)端可以控制指定路燈的亮與滅以及全開(kāi)全滅。

PC端實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)端口的控制。

4 控制系統(tǒng)特性

4.1 管道NB-IoT設(shè)計(jì)

一是廣覆蓋：NB-IoT覆蓋能力強(qiáng)，在同樣的頻段下，NB-IoT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益20dB，覆蓋面積擴(kuò)大100倍。它不僅可以滿(mǎn)足廣覆蓋需求，對(duì)于廠區(qū)、地下車(chē)庫(kù)、井蓋這類(lèi)對(duì)深度覆蓋有要求的應(yīng)用同樣適用。因此不只是道路照明，在室內(nèi)、工業(yè)照明領(lǐng)域的應(yīng)用前景也十分廣闊。

二是強(qiáng)鏈接：在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)技術(shù)提供50-100倍的接入數(shù)。一個(gè)扇區(qū)能夠支持10萬(wàn)個(gè)連接，支持低延時(shí)敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。這將意味著，基于NB-IoT通信技術(shù)的照明控制系統(tǒng)，將能夠管控更多的終端設(shè)備，滿(mǎn)足未來(lái)智慧城市中大量設(shè)備聯(lián)網(wǎng)需求。

三是低功耗：低功耗特性是智慧照明應(yīng)用一項(xiàng)重要指標(biāo)，NB-IoT聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應(yīng)用，因此NB-IoT設(shè)備功耗可以做到非常小，終端模塊的待機(jī)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)10年，特別適用于智能家居的應(yīng)用。

四是低成本：低速率、低功耗、低帶寬同樣給NB-IoT芯片以及模塊帶來(lái)低成本優(yōu)勢(shì)。單個(gè)接連模塊預(yù)期價(jià)格不超過(guò)5美元，最終低至1美元，這對(duì)降低智慧照明應(yīng)用的成本起到關(guān)鍵性作用。

4.2 云端智能管理

采用單燈控制技術(shù)，構(gòu)建路燈物聯(lián)網(wǎng)，精準(zhǔn)控制每一盞路燈，在保證照明需求的前提下，根據(jù)季節(jié)、路段、天氣、特殊場(chǎng)合等條件設(shè)定路燈運(yùn)行方案，真正實(shí)現(xiàn)“按需照明”，深化節(jié)能減排。因本項(xiàng)目范圍內(nèi) LED 路燈電源不具備調(diào)光接口，單燈節(jié)能方式采用開(kāi)關(guān)燈控制方式。

通過(guò)單燈“在線(xiàn)巡測(cè)”，及時(shí)發(fā)現(xiàn)路燈故障并在地圖上進(jìn)行精準(zhǔn)定位，轉(zhuǎn)變“人工巡檢、熱線(xiàn)報(bào)修”的傳統(tǒng)運(yùn)維方式，實(shí)現(xiàn)定向運(yùn)維、主動(dòng)服務(wù)，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高路燈運(yùn)維效率，降低運(yùn)維成本。

4.3 客戶(hù)端APP

智慧公共照明管理平臺(tái)具有全面和優(yōu)化的路燈智能控制功能，為路燈管理人員提供更高效的管理和維護(hù)手段，主要體現(xiàn)為：實(shí)時(shí)監(jiān)控：可以對(duì)任意一盞、一路或任意自定義組的路燈進(jìn)行開(kāi)關(guān)燈、調(diào)光。同時(shí)支持多終端，支持基于 Android 操作系統(tǒng)的移動(dòng)終端遠(yuǎn)程控制，可采用平板電腦、手機(jī)等終端下發(fā)開(kāi)關(guān)燈、調(diào)光等控制命令等。

5 應(yīng)用前景分析

對(duì)于NB-IoT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信三大運(yùn)營(yíng)商皆就NB-IOT發(fā)布了各自的發(fā)展計(jì)劃。工信部也發(fā)文要求加快NB-IoT在國(guó)內(nèi)落地，到今年年底建成基站規(guī)模40萬(wàn)個(gè)，到2020年建成基站規(guī)模150萬(wàn)個(gè)。中國(guó)NB-IoT產(chǎn)業(yè)加速布局，將是全球NB-IoT產(chǎn)業(yè)領(lǐng)跑者。目前在上海、廣州、江門(mén)、鷹潭、長(zhǎng)沙落地了NB-IoT智慧路燈項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了到處開(kāi)花、處處結(jié)果。

6 結(jié)束語(yǔ)

城市智慧照明是智慧能源的開(kāi)端，以NB-IoT新一代通信技術(shù)為支撐，實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市一張網(wǎng)，對(duì)城市道路每盞燈實(shí)現(xiàn)全面的感知、智能的控制、廣泛的交互和深度的融合，在滿(mǎn)足市民正常照明需求的前提下，通過(guò)智能調(diào)光、降功率、按需開(kāi)關(guān)燈等管理方式，減少過(guò)度照明，電能節(jié)約率可達(dá)30%～60%，真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，減少對(duì)大氣的污染，建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)。同時(shí)通過(guò)對(duì)城市照明設(shè)施實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，通過(guò)對(duì)城市道路每個(gè)燈具的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確分析和故障報(bào)警，并根據(jù)故障等級(jí)啟動(dòng)相應(yīng)的處置流程，將被動(dòng)巡檢改為定點(diǎn)維護(hù)，反應(yīng)更加敏捷處置效率更高，將使城市的燈光管理水平與現(xiàn)代化的大都市相適應(yīng)，提高亮燈率，減少各種故障，合理照明，美化照明，安全照明，營(yíng)造出現(xiàn)代城市科學(xué)和藝術(shù)完美結(jié)合的照明效果，樹(shù)立和提升城市的品牌形象。

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