王蓓 彭吉瓊 鄧國印

摘? 要：本文介紹了基于NB-IoT技術的智慧照明系統(tǒng)的架構組成，實現(xiàn)對單燈的遠程控制，說明了傳感器模塊、通信模塊、路燈控制模塊、電力采集模塊的實現(xiàn)方法。系統(tǒng)通過軟件平臺實現(xiàn)對照明設施的實時監(jiān)測及節(jié)能管理，解決城市照明現(xiàn)存的不足和問題。通過單燈管理改變路燈落后的養(yǎng)護方式，降低運營維護成本，提升城市照明管理水平，促進城市照明節(jié)能減排。

關鍵詞：NB-IoT;單燈控制;智慧照明系統(tǒng);節(jié)能

中圖分類號：TM923.5;TN929.5? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）19-0194-03

Abstract：This paper introduces the architecture of intelligent lighting system based on NB-IoT technology，realizes the remote control of single lamp，and explains the implementation method of sensor module，communication module，street lamp control module and power acquisition module. The system solves the problems of urban lighting through real-time monitoring of software platforms and energy-saving management of lighting facilities. Through the single-lamp management to change the out-dated maintenance mode of street lamps，the system can reduce costs of operation and maintenance，improve the level of urban lighting management，and promote energy saving and emission reduction of urban lighting.

Keywords：NB-IoT;single control;intelligent lighting system;energy saving

0? 引? 言

在經(jīng)濟社會發(fā)展中，城市公共照明已不局限于道路功能照明，而是發(fā)展為表現(xiàn)城市景觀、展示城市形象的標志。隨著現(xiàn)代化城市照明設施規(guī)模與日俱增，用電量節(jié)節(jié)攀升，社會各方對公共照明的要求和期望也水漲船高。目前國內(nèi)城市照明的現(xiàn)狀是監(jiān)控和管理相對簡單、粗放，難以滿足現(xiàn)代化城市照明的要求，城市照明在管理和節(jié)能方面的水平都亟待提高。

1? 系統(tǒng)整體架構

本智慧照明系統(tǒng)由云平臺、監(jiān)控中心、智能終端設備和NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）通信網(wǎng)絡等部分組成。通過對城市照明的點、線、面實時監(jiān)測、實時記錄照明設施的狀態(tài)信息及對能耗情況進行分析，制定控制策略，基于城市照明的運營情況進行節(jié)能管理。協(xié)助照明主管部門完善全市照明信息的統(tǒng)計，建立客觀的節(jié)能評價體系，提升對城市照明情況指導的針對性和科學性。NB-IoT基于運營商蜂窩網(wǎng)絡，通信穩(wěn)定。在此網(wǎng)絡架構下每個單燈控制器不需現(xiàn)場通信網(wǎng)關即可直接和監(jiān)控中心通信，減少通信環(huán)節(jié)，使網(wǎng)絡更簡單、系統(tǒng)對單燈控制更靈活。系統(tǒng)整體架構如圖1所示。

2? 硬件設計

2.1? 傳感器模塊

該模塊主要包括光照度傳感器和車流量傳感器。光傳感器實時檢測所處環(huán)境光的數(shù)據(jù)，為照明策略提供數(shù)據(jù)，車流量傳感器實現(xiàn)對道路車流量的統(tǒng)計，為整個道路的照明需求做判斷依據(jù)。車流量傳感器通過RS-485協(xié)議與主控制器通信。

2.2? 通信模塊

此模塊實現(xiàn)路燈和監(jiān)控中心的通信，采用NB-IoT單層網(wǎng)絡結構，具有覆蓋廣、連接多、功耗低、成本低的優(yōu)點。芯片采用全網(wǎng)通移遠的BC25，支持TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議），足以勝任路燈所需無線網(wǎng)絡通信功能。NB-IoT模塊通過串口與主控芯片進行數(shù)據(jù)通信。

2.3? 路燈控制模塊

此模塊實現(xiàn)路燈通斷及亮度調(diào)節(jié)，包括負載通斷控制、路燈驅(qū)動電路、路燈亮度調(diào)節(jié)等。路燈控制電路圖如圖2所示。路燈的開關控制和亮度控制分別由兩路電路完成，路燈的開關控制由繼電器完成，亮度調(diào)節(jié)由PWM信號實現(xiàn)控制。

2.4? 電力采集模塊

該模塊實現(xiàn)路燈實時電壓、電流等各種功率采集及數(shù)據(jù)傳輸。圖3為電力采集電路圖。采用ATT7053AU（單相電力采集芯片），可直接通過串口讀取到各種電力參數(shù)。

3? 軟件設計

3.1? 環(huán)境監(jiān)測模塊

調(diào)光器的主控芯片通過I2C（串行總線）和光照度傳感器相連，可實時讀取環(huán)境光照強度，其步驟為：SendData （）通過I2C向傳感器發(fā)送命令然后設置其工作模式為H- resolution等，完成光照強度的轉換后即可通過I2C讀取環(huán)境光照強度數(shù)據(jù)。

3.2? 通信模塊

模塊的初始化包括加電、寫入IMEI號、搜索基站、連接基站等。節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)按通信協(xié)議進行編碼發(fā)送給NB-IoT模塊，然后封裝成CoAP協(xié)議發(fā)送至平臺，平臺對收到的數(shù)據(jù)進行解析完成數(shù)據(jù)存儲。通過數(shù)據(jù)查詢接口服務器可獲取平臺的數(shù)據(jù)進行下一步操作。

3.3? 路燈控制模塊

該模塊把路燈節(jié)點信息發(fā)送至服務器，再對收到的命令進行處理，若路燈處于離線狀態(tài)或未入網(wǎng)，則按控制模塊的RTC時鐘決定路燈的開關和亮度以保證照明。其流程如圖4所示。

3.4? 應用層軟件

3.4.1? 照明設施資源管理

照明設施資源管理是單燈管理乃至照明智能監(jiān)控等應用的基礎。通過對燈桿、控制柜、變壓器等照明設施進行編碼和定位，以GIS為基礎進行可視化動態(tài)管理，為設施的養(yǎng)護和維修提供依據(jù)，為照明能耗統(tǒng)計分析、城市照明監(jiān)控和節(jié)能管理提供數(shù)據(jù)依據(jù)。照明設施資源管理具有以下功能：

（1）電子地圖基本功能。采用主流電子地圖展示城市最新地貌、道路等信息。地圖基礎數(shù)據(jù)可更新，有利于照明設施資源的入庫、管理和查詢。

（2）分層顯示功能。對不同路燈設施采用分層方式以更好進行管理，按需要可將不同層（燈桿、基礎地理信息、變壓器等）進行疊加，滿足不同層次的設施查看需求。

（3）設施信息管理。能對路燈設施提供詳細的檔案管理，可直觀顯示控制箱的接線圖、電氣設備拓撲關系、控制箱的控制范圍、單獨回路的控制設施及相關信息。

（4）照明設施定位及查詢。能對照明設施進行準確定位和查找，可按照所屬區(qū)域、創(chuàng)建時間、設備類型對設施信息進行查詢統(tǒng)計。

3.4.2? 照明智能監(jiān)控系統(tǒng)

完成照明設施運行控制、狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析，提供日常所需統(tǒng)計、查詢、分析，對路燈進行智能化、集中化、自動化監(jiān)控管理。

（1）遠程數(shù)據(jù)采集。通過RTU（遠程終端單元）按設定時間自動獲取照明設施的運行參數(shù)，可對控制箱總回路和分支回路的各電力參數(shù)進行遙測。也可隨時手動完成巡測。

（2）遠程路燈控制?？筛鶕?jù)城市所處經(jīng)緯度計算不同季節(jié)的日照時間，得到全年開關燈時間數(shù)據(jù)，采用時控和光控結合方式自動對整個城市進行開關控制;也可手動控制每盞燈的開關。

（3）遠程抄表。遠程監(jiān)控終端自身具備電能計量功能，可通過采集監(jiān)控終端的電能數(shù)據(jù)計算各種參數(shù)。系統(tǒng)具有自動抄表機制，也可手動抄表。

（4）控制方案：1）分組控制。按區(qū)域、路段分組。不同分組可編制不同控制方案。2）預案控制。為節(jié)假日提供預案管理可完成特殊亮燈要求，其他時間控制方案不受此影響。

（5）故障報警。若設備狀態(tài)異常（缺相、滅燈、控制箱門異常打開等）可永久保存并產(chǎn)生報警記錄，報警信息可通過多種方式（短信、郵件）告知用戶。

3.4.3? 單燈節(jié)能管理系統(tǒng)

（1）單燈狀態(tài)監(jiān)測。對每一盞路燈的工作狀態(tài)實時在線巡測，也可手動巡測。

（2）單燈節(jié)能控制。依據(jù)時間、天氣、車流等設定節(jié)能方案，實現(xiàn)關輔道燈、智能調(diào)光等節(jié)能控制。

（3）單燈節(jié)能管理及亮燈率統(tǒng)計。根據(jù)采集的電力數(shù)據(jù)，可精確統(tǒng)計指定區(qū)域的亮燈率。結合單燈節(jié)能控制方案綜合計算，按日、月、年生成節(jié)能報表，分析城市照明節(jié)能情況。

（4）單燈故障定位及管理。根據(jù)單燈運行情況分析匯總，生成單燈故障報表，可在電子地圖上實現(xiàn)故障設施定位，可方便快速地確定地點，提高維護效率。

（5）系統(tǒng)運行統(tǒng)計分析。采用報表模式對每天的運行情況進行匯總分析，包括系統(tǒng)運行總表和6張二級報表。

3.4.4? 移動監(jiān)控

針對城市照明管理移動辦公的需要，設計開發(fā)智慧照明移動應用，系統(tǒng)支持智能手機或平板通過3G、4G、Wi-Fi等實現(xiàn)移動監(jiān)控功能，為管理人員及維護人員提供最大工作便利。

4? 結? 論

本系統(tǒng)采用NB-IoT通信方式實現(xiàn)了對單燈的直接控制，提高了路燈維護效率，延長了設施使用年限，降低了運營管理成本，為智慧城市的建設提供了良好的基礎。在全夜燈模式下，開關燈控制平均節(jié)電率可達32%，智能調(diào)光平均節(jié)電率可達40%。實現(xiàn)良好的社會效益和經(jīng)濟價值。

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作者簡介：王蓓（1980-），女，漢族，浙江海寧人，專任教師，講師，碩士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā);彭吉瓊（1987-），女，漢族，福建寧德人，專任教師，助教，學士學位，研究方向：計算機科學與技術;鄧國印（1980-），男，漢族，江西南豐人，專任教師，助教，學士學位，研究方向：計算機網(wǎng)絡。