葉 煒，呂 偉，洪 寬，穆志洋

(1.浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，浙江杭州 310027；2.浙江比弦物聯(lián)科技有限公司，浙江杭州 310018)

基于NB-IoT技術(shù)的道路照明智能控制系統(tǒng)

葉 煒1，呂 偉2，洪 寬2，穆志洋1

(1.浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，浙江杭州 310027；2.浙江比弦物聯(lián)科技有限公司，浙江杭州 310018)

本文簡述了窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)技術(shù)及其特點，提出了基于NB-IoT的道路照明智能控制系統(tǒng)的架構(gòu)及其組成，以及其應(yīng)用于道路照明控制系統(tǒng)的功能特點和技術(shù)優(yōu)勢。

NB-IoT技術(shù)；道路照明；智能控制

引言

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，城市道路照明不僅是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚墓苍O(shè)施，也是展現(xiàn)城市景觀、體現(xiàn)城市形象的重要途徑[1]。然而，在長期的運營維護過程中，傳統(tǒng)的路燈管理方式逐漸暴露出諸多弊端：①控制方式：手動、光控、鐘控等簡單控制方式易受季節(jié)、天氣等自然環(huán)境和人為因素影響；②參數(shù)遠程設(shè)置：無法遠程修改開關(guān)燈時間，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，也無法進行路燈調(diào)光以實現(xiàn)二次節(jié)能；③狀態(tài)監(jiān)控：缺乏路燈狀態(tài)監(jiān)控，故障依據(jù)主要源于人工巡檢上報和市民投訴，不能實時、準確、全面地監(jiān)控全城的路燈運行狀況；④設(shè)備防盜：缺少防盜監(jiān)測，出現(xiàn)故障難以定位，無法準確發(fā)現(xiàn)電纜盜割、燈頭被盜和斷路等，不僅造成經(jīng)濟損失，同時影響市民的正常生活及安全出行。

因此，為切實提高城市道路照明系統(tǒng)的管理水平和管理效果，需要綜合運用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段來實現(xiàn)全面可控的“按需照明”運行模式，節(jié)約照明能源，降低管理維護成本，提高城市照明系統(tǒng)管理水平[2]。

1 道路照明智能控制系統(tǒng)

隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)等現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為傳統(tǒng)的路燈管理方式找到了新的突破口，使得道路照明智能化控制成為可能[2]。道路照明智能控制系統(tǒng)可以解決城市照明統(tǒng)一開啟關(guān)閉、數(shù)據(jù)采集、故障報警等功能，提高城市道路照明系統(tǒng)的監(jiān)管水平。

道路照明智能控制系統(tǒng)的一般架構(gòu)由監(jiān)控中心、集中控制器和終端控制器構(gòu)成三級邏輯層通過兩級通信層進行連接(兩跳)，也可以由監(jiān)控中心和終端控制器構(gòu)成兩級邏輯層通過一級通信層進行連接(單跳)。道路照明智能控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

其中監(jiān)控中心由計算機、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、通信設(shè)備、顯示終端等硬件和包含智能控制算法、圖像處理技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、定位技術(shù)等相關(guān)技術(shù)融合的軟件組成，應(yīng)用于道路照明運營管理的綜合平臺；集中控制器置于道路照明配電柜內(nèi)，根據(jù)中央管理平臺下發(fā)的運行參數(shù)和命令，負責(zé)對道路照明配電柜內(nèi)的燈線路進行數(shù)據(jù)采集、控制和管理，并作為中央管理平臺與終端控制器之間的數(shù)據(jù)中繼通訊信道；終端控制器是指道路照明智能控制系統(tǒng)中直接實現(xiàn)對照明路燈監(jiān)控的終端。終端控制器安裝于燈具內(nèi)，也可以集成到燈具的電源中。終端控制器根據(jù)中央管理平臺下發(fā)的或集中控制器轉(zhuǎn)發(fā)的運行參數(shù)和命令，實現(xiàn)對照明路燈進行數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備管理等任務(wù)。

圖1 道路照明智能控制系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 Intelligent control system of road lighting

目前在兩跳架構(gòu)下，監(jiān)控中心和集中控制器之間的上層通信主要通過遠程通訊信道，例如GPRS、3G、4G等，集中控制器和終端控制器之間的下層通信通過短程通信信道，例如電力線載波通信(PLC)、ZigBee、RoLa等。

2 基于NB-IoT技術(shù)的道路照明智能控制系統(tǒng)

2.1NB-IoT技術(shù)簡介

基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)是低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)(LPWAN)網(wǎng)絡(luò)的一個重要分支,是實現(xiàn)萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分[3-4]。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180 kHz的帶寬，其主要包括以下特點：

低功耗：主要采用PSM和eDRX這兩種省電技術(shù)，其核心是在網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)建立一套溝通機制，使終端周期性的進入休眠態(tài)和激活態(tài)，休眠狀態(tài)下終端不再收發(fā)信號，從而達到省電的目的。低功耗模式下的NB-IoT設(shè)備續(xù)航可達兩三年，甚至可以達到十年。

廣覆蓋：NB-IoT部署于運行商通信頻段，比現(xiàn)有的GSM/LTE網(wǎng)絡(luò)增益20 dB,信號穿透能力更強，覆蓋范圍更大，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量更穩(wěn)定，同時還能都提供完善的室內(nèi)信號覆蓋服務(wù)。

大連接：NB-IoT技術(shù)的另一優(yōu)勢就是具有海量連接能力。在同一基站下，NB-IoT比現(xiàn)有的無線技術(shù)提供超過50～100倍的接入數(shù)，其一個扇區(qū)支持多達十萬的連接數(shù)，滿足了萬物互聯(lián)時代海量設(shè)備的接入要求。

2.2基于NB-IoT技術(shù)的道路照明智能控制系統(tǒng)

2.2.1 控制系統(tǒng)架構(gòu)

基于NB-IoT技術(shù)的道路照明智能控制系統(tǒng)由監(jiān)控中心、通信傳輸系統(tǒng)和終端控制器組成，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于NB-IoT的道路照明智能控制系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 Intelligent control system of road lighting based on NB-IoT

1)終端控制器通過NB-IoT射頻信號與基站通信，對LED單個燈具進行監(jiān)測和控制，能夠上傳路燈相關(guān)數(shù)據(jù)并接收中央管理平臺控制命令，負責(zé)對照道路明設(shè)施的運行進行監(jiān)測和控制；

2)通信傳輸系統(tǒng)是構(gòu)建大區(qū)域跨平臺的物聯(lián)網(wǎng)通信平臺，由基站、核心網(wǎng)、IoT平臺組成，實現(xiàn)對城域級道路照明設(shè)備的遠程監(jiān)控，通信傳輸系統(tǒng)采用運行商部署的基站連接終端控制器及IoT平臺和監(jiān)控中心相連接，對道路照明控制系統(tǒng)而言，實現(xiàn)了單跳通信模式；

3)監(jiān)控中心是整個道路照明智能控制系統(tǒng)的核心，具有數(shù)據(jù)的分析、匯總、存儲和控制命令的發(fā)布等功能，同時具有路燈巡檢、路燈設(shè)備管理、路燈運行維護管理和相關(guān)運行報表等功能。

2.2.2 終端控制器

終端控制器實現(xiàn)對道路照明路燈的直接控制，由NB-IoT模塊、微控制器模塊、通用用戶身份識別模塊(universal subscriber identity module,USIM)等組成。終端控制器通過NB-IoT模塊實現(xiàn)NB-IoT通信網(wǎng)絡(luò)的接入，并通過NB-IoT無線接收和發(fā)送相關(guān)設(shè)備的收發(fā)天線與NB-IoT基站進行聯(lián)絡(luò)。微控制器模塊可以實時采集電壓、電流等數(shù)據(jù)，并通過串口通訊方式將數(shù)據(jù)傳輸至NB-IoT模塊，然后通過NB-IOT網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。同時，通過NB-IoT模塊信號接收設(shè)備接收監(jiān)控中心下發(fā)的指令，控制道路照明設(shè)備的運行狀態(tài)。每一個終端控制器擁有唯一的通用身份識別模塊，對應(yīng)唯一的照明設(shè)備，因此監(jiān)控中心可以識別每一盞路燈，進而實現(xiàn)單燈控制。終端控制器可以外接驅(qū)動電源，通過PWM或0～10 V調(diào)光方式對LED路燈進行調(diào)光控制。此外，可擴展傳感器探測路燈周圍環(huán)境信息，例如光照度、溫度、濕度及氣象環(huán)境等，反饋給監(jiān)控中心，使監(jiān)控中心可以依據(jù)環(huán)境信息對終端控制器進行有效監(jiān)控。終端控制器及相關(guān)設(shè)備如圖3所示。

圖3 終端控制器及相關(guān)設(shè)備Fig.3 Terminal controller and related equipment

依據(jù)道路照明智能控制系統(tǒng)對照明設(shè)備的監(jiān)控要求，終端控制器的主要功能如下：

1)數(shù)據(jù)采集功能：采集電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)和當(dāng)前故障信息等數(shù)據(jù)；

2)狀態(tài)監(jiān)測與告警：監(jiān)控?zé)艟吖ぷ鳡顟B(tài)，燈具亮燈時間統(tǒng)計，控制器工作狀態(tài)監(jiān)控。具有根據(jù)設(shè)定的報警條件主動向系統(tǒng)報警的功能；

3)異常保護功能：電壓異常時能夠進行自動保護；

4)控制功能：具有對所管轄的LED照明燈具進行管理控制(控制和調(diào)光)功能。

2.2.3 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心主要實現(xiàn)道路照明智能控制平臺，基于NB-IoT技術(shù)將城市照明的路燈進行統(tǒng)一管理。采用基于GIS系統(tǒng)進行可視化的管理方式，管理者可以清楚地了解每一個街區(qū)、每一盞路燈的狀態(tài)信息。通過應(yīng)用靈活的照明設(shè)備，可以對每一盞路燈的開關(guān)狀態(tài)，照明亮度進行精準控制，真正實現(xiàn)按需照明，其主要功能包括：開關(guān)控制、自由編組、調(diào)光控制、曲線報表、故障報警、維護派單等功能，道路照明GIS系統(tǒng)界面如圖4所示。

2.2.4 主要功能

基于NB-IoT的道路照明智能控制系統(tǒng)主要功能特點如下：

1)實現(xiàn)城市道路照明設(shè)施的有效管理。每一盞燈具是一個智能的節(jié)點，可以按照需求進行自動監(jiān)測、遠程控制、實時報警等集中管理，實現(xiàn)“按需照明”的理想狀態(tài)。

2)通過自動巡檢功能可以對終端周期巡檢，包括電壓、電流、開關(guān)狀態(tài)、故障信息等。當(dāng)監(jiān)控終端巡檢時發(fā)現(xiàn)有異常數(shù)據(jù)時，GIS在地圖上會顯示相應(yīng)的位置和故障類型，可通過預(yù)設(shè)進行自動報警，通知維修人員進行維護。

3)對智能路燈系統(tǒng)進行大數(shù)據(jù)分析功能。系統(tǒng)對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)處理和分析，得到最優(yōu)的照明方案；同時結(jié)合歷史數(shù)據(jù)的分析，做出預(yù)設(shè)和報警，保證路燈照明設(shè)備運行在最佳的工作狀態(tài)。出現(xiàn)緊急狀況時，系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)信息給出最優(yōu)處理建議，為決策和管理者提供參考。

2.2.5 技術(shù)優(yōu)勢

當(dāng)前道路照明智能控制系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)一般為雙跳模式。其中，集中控制器和監(jiān)控中心之間的通訊一般采用移動通訊網(wǎng)絡(luò)，而集中控制器與終端控制器之間的通訊則一般采用ZigBee[5]、LoRa等無線通訊方式或電力載波(PLC)通訊方式[6]，其主要問題如下：

1)缺乏標準導(dǎo)致成本較高，比如需要對PLC/ZigBee/LoRa等不同協(xié)議的路燈進行適配；

2)易受干擾，可靠性無法保障，比如配電線路老化及電磁干擾對PLC通信的影響，樹木和建筑物遮擋等對ZigBee/Rola信號的干擾；

圖4 道路照明GIS系統(tǒng)Fig.4 GIS system of road lighting

3)建網(wǎng)和維護成本較高，比如目前普遍采用傳統(tǒng)的“兩跳式”智慧照明解決方案，在一個路段設(shè)置一個匯聚網(wǎng)關(guān)，每個匯聚網(wǎng)關(guān)通過PLC/ZigBee/LoRa技術(shù)連接大約100盞路燈，匯聚網(wǎng)關(guān)再通過GPRS/3G/4G網(wǎng)絡(luò)上報給監(jiān)控中心，增加了建設(shè)成本和維護成本。

基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(NB-IoT)以其覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點為道路照明控制系統(tǒng)提供合適的解決方案。在協(xié)議層上，NB-IoT已被納入3GPP標準，實現(xiàn)接入?yún)f(xié)議的統(tǒng)一；在網(wǎng)絡(luò)層上，使用NB-IoT廣覆蓋、大連接的特性，滿足路燈分布離散的特點。NB-IoT蜂窩網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對每盞路燈“一跳式”的連接和控制，不需要網(wǎng)關(guān)設(shè)備，減少了建設(shè)和維護成本。NB-IoT使用授權(quán)頻譜，免去了網(wǎng)絡(luò)干擾問題；在平臺層上，IoT平臺為智慧路燈應(yīng)用提供基礎(chǔ)的連接管理、數(shù)據(jù)管理、設(shè)備管理能力，并通過開放標準接口使得應(yīng)用靈活快速的部署。

2.2.6 應(yīng)用試點

2017年2月，由華為、杭州移動和浙大網(wǎng)新易盛共同打造的基于標準NB-IoT的智慧照明示范區(qū)在杭州濱江士蘭微園區(qū)完成(如圖5所示)，標志著NB-IoT在道路照明領(lǐng)域的開端。目前該應(yīng)用在國內(nèi)已有數(shù)十個成功案例。

圖5 杭州市基于NB-IoT的道路照明示范區(qū)Fig.5 Demonstration area of road lighting based on NB-IoT in Hangzhou

3 總結(jié)

隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)等信息化技術(shù)的發(fā)展，追求更高效，更節(jié)能，更智能的城市照明控制系統(tǒng)勢必成為未來智慧城市發(fā)展的趨勢。結(jié)合NB-IoT技術(shù)覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等技術(shù)優(yōu)勢，將其應(yīng)用于道路照明控制系統(tǒng)中，一方面提高了能源利用效率，同時優(yōu)化了管理水平，對未來智慧城市的發(fā)展具有重要意義[7]。

[1] 牟娜.城市道路照明設(shè)計[J].照明工程學(xué)報，2012，23(4)：100-102.

[2] 粱人杰.智能照明控制技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與未來展望[J].照明工程學(xué)報，2014，25(2)：1-26.

[3] 鄒玉龍，丁曉，進王全.NB-IoT關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用前景[J].中興通訊技術(shù)，2016，22(1)：43-46.

[4] 戴國華，余駿華.NB-IoT的產(chǎn)生背景、標準發(fā)展以及特性和業(yè)務(wù)研究[J].移動通信，2016，24(7)：31-36.

[5] 吳光榮，章劍雄.基于ZigBee技術(shù)的無線智能照明系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，30(14)：67-69.

[6] 劉伊莎，黃勝明，毛周明.電力線載波的LED路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電測與儀表，2015，55(22)：113-118.

[7] 汪清.淺析智慧照明在智慧城市建設(shè)中的引領(lǐng)作用//2016年中國照明論壇——半導(dǎo)體照明創(chuàng)新應(yīng)用暨智慧照明發(fā)展論壇論文集.北京：中國照明學(xué)會，2016.

IntelligentControlSystemofRoadLightingBasedonNB-IoT

YE Wei1, LYU Wei2, HONG Kuan2, MU Zhiyang1
(1.SchoolofControlScienceandEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China；2.ZhejiangBettershineIOTTechnologiesCo.,Ltd,Hangzhou310018,China)

This paper introduces the characteristics of NB-IoT (Narrow Band Internet of Things), and puts forward the structure and composition of the road lighting intelligent control system based on NB-IoT technology with its features and technical advantages applied to the road lighting control system.

NB-IoT; road lighting; intelligent control

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.005