淺析基于NB-IoT技術(shù)的路燈物聯(lián)網(wǎng)照明系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

安科瑞?于洋

摘要：路燈是城市中重要的照明設(shè)施，也是城市中耗電量相當(dāng)大的設(shè)施，傳統(tǒng)的路燈照明管理方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)按照天氣狀況靈活地調(diào)節(jié)路燈的照明時(shí)間和亮度，造成了很大的電能浪費(fèi)。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)將路燈連接到網(wǎng)絡(luò)中統(tǒng)一進(jìn)行管理，可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)天氣狀態(tài)實(shí)時(shí)控制路燈的照明狀態(tài)，從而節(jié)省路燈耗電。而本文就對(duì)基于NB-IOT 技術(shù)的智能路燈照明控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：路燈照明；智能照明控制系統(tǒng)；照明節(jié)能

0.引言

隨著現(xiàn)代城市規(guī)模的擴(kuò)大和城市居民對(duì)生活水平的提升，城市中的路燈數(shù)量也越來(lái)越多，而傳統(tǒng)的粗放式的路燈管理不僅維護(hù)效率低，也難以實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的靈活控制。路燈損壞 和白天耗電等問(wèn)題在我國(guó)城市中屢見(jiàn)不鮮。而現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使得智慧城市的建設(shè)進(jìn)程進(jìn)一步加快，路燈作為城市中的重要設(shè)施，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行控制可以顯著提升路燈管理效率。因此，對(duì)路燈智能照明系統(tǒng)進(jìn)行研究對(duì)于推動(dòng)智慧城市的建設(shè)和促進(jìn)節(jié)能環(huán)保具有重要意義。

1.智能路燈中使用NB-IOT技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

智能路燈照明系統(tǒng)需要采用端到端的連接方式，倘若采用傳統(tǒng)的LTE技術(shù)連接，則需要同運(yùn)營(yíng)商端進(jìn)行部署，部署的成本相對(duì)更高。此外，LTE網(wǎng)絡(luò)雖然帶寬更大，但其受影響也

較大，容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)導(dǎo)致的丟包問(wèn)題。而智能路燈對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求則是較低的延遲，對(duì)帶寬則并不敏感。而NB-IOT網(wǎng)絡(luò)可以利用運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)搭建，并且其具備物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的抗

干擾、低延遲和安全等優(yōu)勢(shì)。因此非常適合用于智能路燈的部署中。對(duì)于路燈數(shù)量非常多的大型城市來(lái)說(shuō)，NB-IOT具備部署范圍廣和可靠性更強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。適合用于大量路燈的端對(duì)端連接。同時(shí)，NB-IOT技術(shù)借助運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行搭建，可以有效解決大規(guī)模部署的問(wèn)題。

在降低部署成本的同時(shí)提升網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

2.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)屬于分層式結(jié)構(gòu)，從上至下為管理層、傳輸層和監(jiān)控層。其中，管理層與傳輸層的連接方式采用NB-IOT 技術(shù)，這是考慮到城市中路燈數(shù)量過(guò)多可能導(dǎo)致連接丟包問(wèn)題所采用

的。路燈內(nèi)安裝有監(jiān)控終端，每個(gè)監(jiān)控終端與路燈共同組成受上層控制的智慧路燈，并具備設(shè)備識(shí)別碼，監(jiān)控終端可將路燈的工作數(shù)據(jù)傳送到管理層。并接收來(lái)自管理層的指令

控制路燈工作，但由于NB-IOT 技術(shù)屬于非實(shí)時(shí)性通信技術(shù)。因此在NB-IOT之外采用CoAP

技術(shù)作為輔助，提供信息重傳和驗(yàn)證機(jī)制。防止因丟包導(dǎo)致的失控問(wèn)題。監(jiān)控終端不僅可以控制路燈的工作，也可以監(jiān)控路燈的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)路燈出現(xiàn)故障時(shí)，監(jiān)控終端可將路燈的故障信息傳送到服務(wù)器中。由服務(wù)器將故障的路燈的位置、故障信息和故障時(shí)間等數(shù)據(jù)發(fā)送給維修工人，以便及時(shí)的進(jìn)行維修。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)智能路燈控制系統(tǒng)中關(guān)鍵的是與路燈連接的監(jiān)控終端，監(jiān)控終端上與服務(wù)器連接、下控制路燈的工作，也是智能路燈中重要的裝置，為實(shí)現(xiàn)監(jiān)控終端的穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易性，本文中所用的監(jiān)控終端采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由電量采集和數(shù)據(jù)管理量大模塊組成，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊為簡(jiǎn)易的微型計(jì)算機(jī)，其處理器部分為ARM架構(gòu)的Cortex-M3 RISC芯片，

該芯片的頻率為72MHz，內(nèi)部含有512K DRAM和64K SRAM，該芯片的工作范圍-40-100℃，

具有兩條APB總線，可以連接通用的多種外設(shè)，其性能滿足本文中智能路燈控制系統(tǒng)監(jiān)控終端的需求，除處理器外，監(jiān)控終端的外圍硬件包括電量采集模塊、路燈狀態(tài)采集模塊、故障信息、采集模塊等。

該模塊包含的功能有：

（1）數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集是對(duì)路燈所在環(huán)境的亮度、照度、溫度、濕度等指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)的模塊，由光敏電阻和溫度傳感器以及濕度傳感器等構(gòu)成。這些指標(biāo)是決定路燈亮度的關(guān)鍵指標(biāo)，監(jiān)控終端將這些數(shù)據(jù)返回到服務(wù)器后，由服務(wù)器按照特定的程序?qū)β窡舻牧炼冗M(jìn)行計(jì)算后向?qū)?yīng)的監(jiān)控終端發(fā)送指令，實(shí)現(xiàn)根據(jù)環(huán)境實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)路燈的亮度。同時(shí)，GPS定位模塊可以在路燈出現(xiàn)故障時(shí)將路燈的具體位置發(fā)送到維修人員處，方便維修人員迅速前往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維修。

（2）臨時(shí)存儲(chǔ):監(jiān)控終端需要將收集到的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器中,發(fā)送的速率為230bit/s,但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接不穩(wěn)定時(shí),監(jiān)控終端可臨時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SD卡或FLASH閃存中,等到網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)再次嘗試傳輸數(shù)據(jù),防止因傳輸不及時(shí)造成數(shù)據(jù)丟失, 通過(guò)本地存儲(chǔ)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的另一個(gè)點(diǎn)優(yōu)勢(shì)在于當(dāng)維修人員需要獲取路燈的狀態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)，僅需要將路燈監(jiān)控終端中的數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)出即可，更加方便快捷。

3.2終端電量管理

電量管理是整個(gè)智能路燈照明系統(tǒng)的核心硬件，其通過(guò)電源管理芯片，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電量指標(biāo)的檢測(cè)，如剩余電量、充電狀態(tài)、電池電壓、電池溫度等。同時(shí)還可以檢測(cè)路燈電路中的短路或斷路事件。

對(duì)于電量管理芯片來(lái)說(shuō)，想要獲得盡可能準(zhǔn)確的路燈電量信息的前提是對(duì)路燈的充放電周期進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)的方式如下：

為電量管理模塊進(jìn)行充放電學(xué)習(xí)的過(guò)程，首先從電池電量半滿的狀態(tài)開(kāi)始，對(duì)電池充電至電壓管理軟件檢測(cè)到電池以充滿后，對(duì)電池進(jìn)行放電。此時(shí)再次使用電壓管理軟件對(duì)電池的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)兩次充放電狀態(tài)和通過(guò)電池的電荷量計(jì)算出電池的容量。

4.安科瑞為路燈智能照明控制系統(tǒng)提供方案

4.1安科瑞智能照明監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，即站控層，通訊層與間隔層；?如圖（1）所示：?

圖（1）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

間隔設(shè)備層主要為：開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器，這些裝置分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)的一次設(shè)備安裝在電氣柜內(nèi)，這些裝置均通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)KNX總線組網(wǎng)通訊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集。?

網(wǎng)絡(luò)通訊層主要為：智能照明網(wǎng)關(guān)，其主要功能為把分散在現(xiàn)場(chǎng)采集裝置集中控制，同時(shí)遠(yuǎn)傳至站控層，完成現(xiàn)場(chǎng)層和站控層之間的數(shù)據(jù)交互。?

站控管理層：設(shè)有高性能工業(yè)計(jì)算機(jī)、顯示器、UPS電源、打印機(jī)等設(shè)備。監(jiān)控系統(tǒng)安裝在計(jì)算機(jī)上，集中采集顯示現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況，以人機(jī)交互的形式顯示給用戶。?以上開(kāi)關(guān)模塊均采用KNX總線傳輸，一般都采用4根連線，接線簡(jiǎn)單方便，傳輸距離可達(dá)1.2km。

4.2安科瑞智能照明系統(tǒng)組成

1.定時(shí)控制?

通過(guò)時(shí)鐘管理器，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的有關(guān)區(qū)域照明的定時(shí)和自動(dòng)管理功能，實(shí)現(xiàn)公共通道、景觀照明、泛光照明、車庫(kù)照明定時(shí)控制。如百葉窗定時(shí)升降、集中供熱定時(shí)調(diào)節(jié)、節(jié)假日照明定時(shí)關(guān)閉、定時(shí)通知等。?

2.場(chǎng)景控制?

智能照明控制系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)部門的需求，設(shè)定不同種類的場(chǎng)景模式，進(jìn)行各種照明燈光的組合，達(dá)到美化工作環(huán)境的效果；結(jié)合人體感應(yīng)傳感器，當(dāng)人員離開(kāi)時(shí)，關(guān)閉所有該會(huì)議室照明。?

3.實(shí)時(shí)監(jiān)控?

中心控制室，配置一臺(tái)中控主機(jī)，所有照明控制設(shè)備，通過(guò)KNX網(wǎng)關(guān)，接入監(jiān)控系統(tǒng)，操作管理人員，可以通過(guò)中控電腦，實(shí)時(shí)監(jiān)視總線、區(qū)域、樓層、樓棟等照明狀態(tài)，并可根據(jù)需求進(jìn)行控制調(diào)整。系統(tǒng)繪圖工具支持向量圖和多層頁(yè)面，圖形頁(yè)面縮放方便，切換簡(jiǎn)單，支持DXF、WMF、BMP、JPG、ICON等圖形對(duì)象的嵌入、支持二維、三維圖元的繪制，增加可視化的空間效果。?

4.報(bào)警處理?

系統(tǒng)提供了警報(bào)處理能力，用戶可采用編程來(lái)完成不同的任務(wù)，當(dāng)某種警報(bào)條件出現(xiàn)時(shí)應(yīng)做什么，可由用戶自行確定。?

5.事件通報(bào)?系統(tǒng)提供了事件通報(bào)功能，支持郵件通報(bào)、文本輸出以及事件驅(qū)動(dòng)打印，可按照用戶預(yù)先設(shè)置的條件，觸發(fā)事件通報(bào)功能。?

4.3設(shè)備選型

5.結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)智能路燈照明系統(tǒng)進(jìn)行了研究，采用NB-IOT技術(shù)搭建了云端控制的智能路燈網(wǎng)絡(luò)，并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行了研究，期待本文的研究成果能夠?yàn)槲覈?guó)城市路的建設(shè)提供參考。
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