物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能道路照明領(lǐng)域的應(yīng)用與標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化

高偉 李澄 阮軍 張冬 余湛

摘 要：在智能道路照明領(lǐng)域，多種物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)并存，終端控制器的集成度和供電電源選擇多樣，機(jī)械結(jié)構(gòu)和形式五花八門，在推廣應(yīng)用中成為難以規(guī)模化推廣的瓶頸。文中選擇由LED電源向終端控制器供電的DC方案，選擇NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）通信方式，對(duì)機(jī)械接口進(jìn)行規(guī)范，形成標(biāo)準(zhǔn)化解決方案。該方案是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)生產(chǎn)廠商之間、終端控制器與中央管理系統(tǒng)之間互聯(lián)互通互換和標(biāo)準(zhǔn)化的有效途徑。

關(guān)鍵詞：智能道路照明;物聯(lián)網(wǎng);終端控制器;NB-IoT;應(yīng)用;標(biāo)準(zhǔn)化

中圖分類號(hào)：TP17;TM923文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）11-00-03

0 引 言

通過(guò)對(duì)智能道路照明領(lǐng)域的調(diào)研，結(jié)果顯示它目前是多種通信技術(shù)并存[1]（如PLC等有線通信方式，ZigBee、LoRa、GPRS、NB-IoT等無(wú)線通信方式）;終端控制器的集成度和供電電源的選擇有多種方案;終端控制器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和形式更是五花八門。在推廣應(yīng)用中，終端控制器在機(jī)械接口、電氣接口和通信（軟件）接口上各不相同，對(duì)用戶的方案確定、產(chǎn)品選擇以及后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)造成了很大困擾;對(duì)于生產(chǎn)廠商來(lái)說(shuō)，市場(chǎng)推廣成本高、大規(guī)模制造阻力大、難以規(guī)?；茝V的關(guān)鍵瓶頸。

NB-IoT具有市場(chǎng)空間大、建網(wǎng)成本低、產(chǎn)業(yè)鏈廣泛參與、安全性和可靠性高，以及在廣覆蓋、低功耗、大連接等方面的優(yōu)勢(shì)[2]，在智能道路照明領(lǐng)域的應(yīng)用有著廣闊的前景。

以半導(dǎo)體照明為代表的新興技術(shù)處于快速發(fā)展階段，技術(shù)日新月異，但產(chǎn)品尚未完全定型，給檢測(cè)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等工作帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。在8個(gè)半導(dǎo)體照明相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)框架下的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)體系，制定程序復(fù)雜、過(guò)程較長(zhǎng)，嚴(yán)重滯后產(chǎn)業(yè)需求。2017年，新標(biāo)準(zhǔn)化法發(fā)布，團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)正式獲得法律地位。該標(biāo)準(zhǔn)以“公開(kāi)、透明、協(xié)商一致”為宗旨，建立產(chǎn)、學(xué)、研合作平臺(tái)，組織產(chǎn)業(yè)內(nèi)各領(lǐng)域共同參與，制定的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)具有制定周期短、應(yīng)對(duì)市場(chǎng)反應(yīng)快速、與知識(shí)產(chǎn)權(quán)結(jié)合相對(duì)靈活等特點(diǎn)，體現(xiàn)了技術(shù)先進(jìn)性。2018年，由中國(guó)照明學(xué)會(huì)、國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟共同管理，華為參與制定的《基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）的道路照明智能控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)正式發(fā)布[3]。

1 團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《智能道路照明終端控制器接口要求》[4]的優(yōu)勢(shì)

1.1 符合國(guó)家政策，產(chǎn)業(yè)鏈完整

NB-IoT作為物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù)得到國(guó)家政策支持，工信部在國(guó)家層面全面推進(jìn)NB-IoT基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和應(yīng)用推廣。工信部2017年6月發(fā)布《關(guān)于全面推進(jìn)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）建設(shè)發(fā)展的通知》和《關(guān)于NB-IoT系統(tǒng)頻率使用要求的公告》，明確要求“加快推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)部署，構(gòu)建NB-IoT網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施”。

運(yùn)營(yíng)商和電信設(shè)備商在大力推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和硬件支持，2017年中國(guó)電信率先開(kāi)始NB-IoT的布局。截至目前，中國(guó)移動(dòng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全國(guó)346個(gè)主要城市城區(qū)NB-IoT連續(xù)覆蓋;中國(guó)電信已經(jīng)全網(wǎng)建設(shè)40萬(wàn)個(gè)NB-IoT基站;中國(guó)聯(lián)通已經(jīng)在全國(guó)數(shù)十個(gè)城市開(kāi)通NB-IoT試用，全國(guó)已經(jīng)有300多個(gè)城市具備快速接入物聯(lián)網(wǎng)的能力。

芯片、模組、應(yīng)用廠商不斷投入布局，已形成良好的NB-IoT應(yīng)用生態(tài)。以NB-IoT應(yīng)用于智能道路照明為例，產(chǎn)業(yè)鏈主要由NB-IoT芯片、NB-IoT模組、終端控制器、LED電源、LED模塊、燈具（燈體）、運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)營(yíng)商物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和中央管理系統(tǒng)等相關(guān)廠商組成。圍繞NB-IoT應(yīng)用生態(tài)，各環(huán)節(jié)都有廠家參與，如NB-IoT芯片有華為海思，NB-IoT模組有上海移遠(yuǎn)，終端控制器和中央管理系統(tǒng)有比弦、瓴泰、方大智控，LED電源有英飛特，燈具有華普永明，運(yùn)營(yíng)商有中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通等。

1.2 系統(tǒng)整體成本低，實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通互換

符合本標(biāo)準(zhǔn)的智能道路照明終端控制器，及其配套使用的LED電源的綜合成本比傳統(tǒng)AC方案在產(chǎn)品成本方面節(jié)省約10%。這主要是因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了互聯(lián)互通互換，用戶單位在配件備件方面有了更多選擇，維護(hù)也更加簡(jiǎn)單。

基于NB-IoT技術(shù)，通過(guò)對(duì)終端控制器、LED電源、運(yùn)營(yíng)商物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和中央管理系統(tǒng)之間的機(jī)械接口、電氣接口、通信（軟件）接口進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)了終端控制器、LED電源、燈體和中央管理系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通互換。

1.3 通信質(zhì)量好、在線率高，數(shù)據(jù)安全可靠

NB-IoT信號(hào)強(qiáng)，在授權(quán)頻譜內(nèi)工作受外界干擾小、通信穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)接入成功率可達(dá)99.9%;在線率高，通信網(wǎng)絡(luò)由運(yùn)營(yíng)商維護(hù)，響應(yīng)迅速、故障排除快;數(shù)據(jù)在授權(quán)頻譜內(nèi)傳輸，并存儲(chǔ)在運(yùn)營(yíng)商物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，安全水平與可靠性得到大幅提高。

1.4 智能管理、數(shù)據(jù)采集，節(jié)省電能、降低運(yùn)維成本

可對(duì)單個(gè)路燈和成組路燈進(jìn)行默認(rèn)/計(jì)劃/實(shí)時(shí)開(kāi)關(guān)燈以及實(shí)時(shí)調(diào)光等智能管理，實(shí)時(shí)查詢燈具狀態(tài)，系統(tǒng)故障主動(dòng)告警，遠(yuǎn)程定位故障;自動(dòng)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為路燈全生命周期管理提供支撐;通過(guò)智能管理，可實(shí)現(xiàn)“二次節(jié)能”約15%～30%;可降低運(yùn)行控制、人工巡檢、故障定位等運(yùn)維成本約50%。

2 標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)方案

2.1 終端控制器供電方案

根據(jù)終端控制器集成度和供電電源的不同，可分為一體化方案（終端控制器與LED電源集成為一體，由電網(wǎng)供電）、AC方案（由電網(wǎng)供電給終端控制器）和DC方案（由LED電源供電給終端控制器）。終端控制器電氣接口的三種方案示意如圖1所示。

因終端控制器需要與控制系統(tǒng)平臺(tái)配合使用，所以其生產(chǎn)廠家和銷售企業(yè)多為互聯(lián)網(wǎng)或物聯(lián)網(wǎng)公司。這些公司對(duì)于終端控制器在戶外使用所需的防雷擊浪涌、防水、耐高低溫等技術(shù)的積累較為薄弱，而戶外大功率LED電源的技術(shù)和資金門檻很高，提供一體化方案的終端控制器廠家很少，因而AC方案和DC方案成為廠家的主流選擇。

AC方案和DC方案由于技術(shù)路線不同，對(duì)于終端控制器來(lái)說(shuō)，主要差異見(jiàn)表1所列。

2.2 基于NB-IoT的通信接口

中央管理系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)營(yíng)商物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和終端控制器，對(duì)道路照明燈具進(jìn)行統(tǒng)一的連接管理和狀態(tài)管理?；贜B-IoT的終端控制器通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)與中央管理系統(tǒng)進(jìn)行通信，通信接口示意如圖2所示。

由于各運(yùn)營(yíng)商所使用的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)不同，本標(biāo)準(zhǔn)附錄部分對(duì)不同運(yùn)營(yíng)商平臺(tái)的接口分別做了定義。

終端控制器與運(yùn)營(yíng)商物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之間的接口中，NB-IoT模組與運(yùn)營(yíng)商物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之間的通信協(xié)議為通用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入?yún)f(xié)議，而傳輸?shù)南⒂稍O(shè)備自身屬性決定，本標(biāo)準(zhǔn)僅定義與終端控制器有關(guān)的消息接口。

2.3 機(jī)械接口規(guī)范

機(jī)械接口包括終端控制器與燈體的接口、數(shù)字LED電源與燈體的接口。

終端控制器與燈體之間通過(guò)底座進(jìn)行安裝固定，數(shù)字LED電源與燈體之間通過(guò)螺絲或其他方式進(jìn)行安裝固定，要求連接牢固、可靠。安裝示例如圖3所示。

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的終端控制器與燈體之間的機(jī)械接口設(shè)計(jì)參考了ANSI C136.10-1979第2章機(jī)械要求中的技術(shù)方案。

2.4 電氣接口

終端控制器可通過(guò)燈體底座的電子連接器與數(shù)字LED電源控制端的電子連接器進(jìn)行電氣連接，或與數(shù)字LED電源控制端直接連接。電氣連接如圖4所示。

3 主要試驗(yàn)（或驗(yàn)證）的情況分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)文本對(duì)終端控制器、燈體、LED電源、中央管理系統(tǒng)和運(yùn)營(yíng)商物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行了互聯(lián)互通互換，以及電氣參數(shù)和機(jī)械尺寸等測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果證明該標(biāo)準(zhǔn)具有可操作性，驗(yàn)證了標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)性和基于本標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)產(chǎn)品的可行性，制定的各項(xiàng)指標(biāo)要求合理。

4 結(jié) 語(yǔ)

NB-IoT的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[5-9]，在智能道路照明領(lǐng)域的應(yīng)用引起關(guān)注。在充分調(diào)研，集合行業(yè)內(nèi)龍頭企業(yè)開(kāi)展共性關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)的基礎(chǔ)上，本方案選擇NB-IoT通信方式[10];選擇具有由LED電源向終端控制器供電的DC方案作為標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)解決方案;通過(guò)規(guī)范終端控制器的機(jī)械接口、電氣接口和通信（軟件）接口，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)生產(chǎn)廠商之間、終端控制器與中央管理系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通互換;滿足用戶單位對(duì)智能管理、數(shù)據(jù)安全、高可靠性、低成本和易維護(hù)的需求;推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化水平提升，為企業(yè)、用戶和質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)單位提供技術(shù)依據(jù)。

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