儲昭兵，劉凱凱

(上海五零盛同信息科技有限公司，上海 200331)

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，城市道路照明的智能化管理需求逐步增強(qiáng)。20世紀(jì)90年代起，常州首先引進(jìn)了智能化管理的三遙系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了以整條道路為單位的路燈遠(yuǎn)程控制。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著人們節(jié)能減排和綠色環(huán)保意識逐漸增強(qiáng)，道路照明對路燈的單燈化管理需求愈來愈強(qiáng)烈,需要對每盞燈進(jìn)行開關(guān)、調(diào)光控制，搜集每盞燈的運(yùn)行狀態(tài)，以達(dá)到及時(shí)處理故障的目的。傳統(tǒng)單燈管理系統(tǒng)中，常見的通信方式主要有：電力線載波通信、ZigBee無線通信。其中電力線載波通信是以電力線路作為傳輸途徑，通過載波方式傳輸信號，具有通道可靠性較高、路由合理等特點(diǎn)[1-2]。但電力載波通信速率較低，導(dǎo)致故障主報(bào)的實(shí)時(shí)性等相對較差。ZigBee無線通信是一種近程無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)[3]，它是2002年由ZigBee聯(lián)盟推動發(fā)展的，基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，傳輸距離一般在100 m內(nèi)。其通信速率在20～250 kb/s，相對較快，但其安裝不便、成本較高，天線安裝于燈桿內(nèi)部通信較差，安裝于外部易被破壞，且其與WiFi、藍(lán)牙共用2.4 GHz公用頻段易受同頻干擾影響。

近年來，NB-IoT作為物聯(lián)網(wǎng)通信的重要組成部分，愈來愈得到重視[4-5]。2017年6月，工信部發(fā)布《全面推進(jìn)移動物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)建設(shè)發(fā)展的通知》[6-7]，鼓勵(lì)各地因地制宜，結(jié)合城市管理和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，拓展基于NB-IoT技術(shù)的新應(yīng)用、新模式和新業(yè)態(tài)，開展NB-IoT試點(diǎn)示范，并逐步擴(kuò)大應(yīng)用行業(yè)和領(lǐng)域范圍。路燈行業(yè)內(nèi)，自2017年起，國內(nèi)多個(gè)城市逐步試點(diǎn)NB通信設(shè)備[8]，有的城市更是全城批量使用，潛在需求呈爆發(fā)趨勢。傳統(tǒng)路燈控制廠家、燈具廠家還有很多跨界廠家追逐熱點(diǎn)，進(jìn)入NB單燈控制器領(lǐng)域。但由于技術(shù)背景不同，導(dǎo)致各廠家NB單燈控制器質(zhì)量參差不齊，目前在路燈應(yīng)用方面遇到的問題主要有以下幾個(gè)方面。

(1)同時(shí)上線問題。路燈一般是白天斷電，晚上開燈時(shí)上電，晚上同一時(shí)間上電時(shí)，網(wǎng)絡(luò)堵塞，造成上線率低，且對運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)也會造成沖擊。

(2)通信問題。NB單燈控制器一般分為外置天線和內(nèi)置天線兩種，當(dāng)采用內(nèi)置天線時(shí)，天線放置在電路板上，干擾大，設(shè)計(jì)不佳導(dǎo)致接收靈敏度性能差,將造成通信問題。

本文設(shè)計(jì)了基于NB-IoT技術(shù)的照明監(jiān)控系統(tǒng)，并針對以上問題給出了解決方案。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于NB-IoT技術(shù)的照明監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖如圖1所示,主要由主站軟件(NB物聯(lián)網(wǎng)平臺)、IoT平臺、NB單燈控制器組成，其中IoT平臺為三大運(yùn)營商物聯(lián)網(wǎng)平臺。主站軟件(NB物聯(lián)網(wǎng)平臺)為用戶提供交互界面，與IoT平臺間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；NB單燈控制器為執(zhí)行設(shè)備，通過NB-IoT通信方式與運(yùn)營商的IoT平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，初上電時(shí)進(jìn)行開機(jī)申請，與主站建立鏈接，響應(yīng)用戶操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制、調(diào)光等功能，檢測到故障時(shí)，進(jìn)行主動報(bào)警，擁有調(diào)試接口，便于現(xiàn)場工程維護(hù)。

圖1 基于NB-IoT的物聯(lián)網(wǎng)照明監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖

2 NB單燈控制器設(shè)計(jì)

NB單燈控制器組成框圖如圖2所示。采集控制器通過接入220 V交電流，實(shí)現(xiàn)對路燈的單點(diǎn)控制、監(jiān)測和調(diào)光。采用NB-IoT通信與運(yùn)營商物聯(lián)網(wǎng)平臺直接通信，將采集到的路燈數(shù)據(jù)上傳給主站并執(zhí)行主站下發(fā)的命令。

主要電路包括電源、采集、主控、控制、通信、調(diào)光6個(gè)部分。

電源部分為電路其他部分的正常工作提供電源，主要可分為三個(gè)部分，第一路為電路提供電源，第二路為主控、控制、通信電路提供12 V和3.3 V電源，第三路為調(diào)光電路提供電源。

采集部分主要對燈具的電壓、電流、功率等模擬量參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

主控部分采用STM32F1XX系列芯片，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)控制器各功能模塊部分的控制和數(shù)據(jù)處理。

控制部分通過對繼電器進(jìn)行開合操作實(shí)現(xiàn)對路燈的開關(guān)燈控制。

圖2 單燈控制器組成框圖

調(diào)光部分分為兩種方式：有源PWM波調(diào)光、0～10 V調(diào)光分別對應(yīng)相應(yīng)的電源實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。

通信模塊使用NB-IoT通信模塊實(shí)現(xiàn)與主站通信，本設(shè)計(jì)采用BC28模組，它是一款超緊湊、高性能、低功耗的多頻段NB-IoT無線通信模塊，支持B1/B 3/B5/B8/B20/B28頻段。其尺寸僅為17.7 mm×15.8 mm ×2.0 mm，能最大限度地滿足終端設(shè)備對小尺寸模塊產(chǎn)品的需求。

3 主站軟件設(shè)計(jì)

主站軟件通過HTTPS與運(yùn)營商平臺進(jìn)行信息交互，主要由管理平臺、數(shù)據(jù)庫、NB對接服務(wù)組成。其中管理平臺主要負(fù)責(zé)報(bào)警推送、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)查詢、電子地圖等功能，數(shù)據(jù)庫主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲功能，NB對接服務(wù)主要負(fù)責(zé)協(xié)議轉(zhuǎn)換、接收運(yùn)營商平臺推送、命令轉(zhuǎn)發(fā)等功能。主站軟件可在電子地圖上顯示每盞路燈的位置，統(tǒng)計(jì)每盞路燈的開關(guān)、調(diào)光等運(yùn)營狀態(tài)，當(dāng)有故障產(chǎn)生時(shí)，及時(shí)推送報(bào)警信息。同時(shí)建立運(yùn)行日志數(shù)據(jù)庫，保存一個(gè)月運(yùn)行數(shù)據(jù)。主站軟件組成框圖如圖3所示。

圖3 主站軟件組成框圖

4 關(guān)鍵性問題設(shè)計(jì)

4.1 離散上線設(shè)計(jì)

以電信為例，NB通信基站一般有3個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)最多可同時(shí)接收12臺設(shè)備的注冊信息。而每個(gè)扇區(qū)可覆蓋的區(qū)域內(nèi)分布的路燈數(shù)量遠(yuǎn)大于12臺，若單燈控制器上電時(shí)間不離散，當(dāng)大量單燈控制器同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將會對運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)造成一定沖擊。故采用隨機(jī)數(shù)×離散間隔的方式，來區(qū)分不同單燈控制器的接入時(shí)間，具體方案如下：

T=(A%x)×y

(1)

其中，T為單燈控制器初上電后，進(jìn)行入網(wǎng)注冊的延遲時(shí)間；A為單燈控制器的地址，每個(gè)單燈控制器具有唯一地址；x為單燈控制器上電參數(shù)，x設(shè)計(jì)為可配變量，NB下行12個(gè)子載波，x范圍為1～12，考慮一定余量，其初始值默認(rèn)為10；y為單燈控制器上電參數(shù)，y設(shè)計(jì)為可配變量，路燈行業(yè)實(shí)時(shí)性要求較高，按統(tǒng)一上電后300 s內(nèi)主站軟件可檢測所有單燈控制器上線，按照可配置變量x默認(rèn)為10分組后，y初始默認(rèn)值為30 s。

4.2 電路板關(guān)鍵設(shè)計(jì)

NB設(shè)備根據(jù)天線位置可分為內(nèi)置天線、外置天線兩種，一般NEMA接口結(jié)構(gòu)使用內(nèi)置天線，此種方式天線安放于電路板上，易受殼體內(nèi)電磁環(huán)境影響，對電路板的傳導(dǎo)性能有了更高的要求。本設(shè)計(jì)采用NEMA接口內(nèi)置天線設(shè)計(jì)，電路板設(shè)計(jì)原則如表1所示。

表1 電路板設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

5 測試結(jié)果及應(yīng)用情況

研制完成后，使用R&S?CMW500 無線綜測儀測試單燈控制器的傳導(dǎo)靈敏度，如圖4所示，參考信號功率(NRS EPRE)為-125.0 dBm時(shí)通信正常，整體性能優(yōu)異。

批量生產(chǎn)后，安裝于現(xiàn)場試用，路燈斷電再上電后，主站軟件可在5 min內(nèi)檢測到所有NB單燈控制器的運(yùn)行數(shù)據(jù)。運(yùn)行一段時(shí)間后，隨機(jī)查看數(shù)個(gè)控制器運(yùn)行數(shù)據(jù)，如圖5所示，通信效果優(yōu)異，可有效監(jiān)測燈具運(yùn)行狀態(tài)，整體系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

圖4 傳導(dǎo)靈敏度測試結(jié)果

圖5 NB單燈控制器運(yùn)行數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

本文基于NB-IoT技術(shù)的照明監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通過運(yùn)營商的IoT平臺對路燈的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，可實(shí)時(shí)查詢路燈的電壓、電流、功率、電量等模擬量數(shù)據(jù)，可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制路燈的開關(guān)、調(diào)光操作，燈具狀態(tài)異常時(shí)可實(shí)時(shí)進(jìn)行故障報(bào)警。測試結(jié)果表明，NB單燈控制器上線及時(shí)、通信穩(wěn)定，整體系統(tǒng)能夠穩(wěn)定高效地實(shí)現(xiàn)上述功能。逐步推廣后，該系統(tǒng)可有效地助力城市照明的精細(xì)化管理，節(jié)約運(yùn)營成本和管理成本，進(jìn)而提高管理效率提升城市品牌形象[9]。