陳恩銘 汪慶 鄭其存

【摘?要】在智慧城市的建設(shè)浪潮中，“互聯(lián)網(wǎng)+交通”處于排頭兵位置，然而，沒(méi)有數(shù)據(jù)之間的互相打通融合，形成了局域網(wǎng)孤島。基于NB-IoT技術(shù)的智慧照明系統(tǒng)就是大數(shù)據(jù)應(yīng)用和傳統(tǒng)的太陽(yáng)能LED路燈相結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)物。利用以計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感技術(shù)等新興技術(shù)為主要特點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)應(yīng)用來(lái)解決城市道路照明管理問(wèn)題。具有智慧照明、節(jié)能環(huán)保、技術(shù)創(chuàng)新、大數(shù)據(jù)控制的優(yōu)點(diǎn)。為未來(lái)智慧城市的建設(shè)起積極作用。

【關(guān)鍵詞】NB-IoT;智慧照明;互聯(lián)網(wǎng)+交通

Application of Intelligent Lighting Management System Based on NB-IoT Technology in Urban Areas

Chen En-ming，Wang Qing，Zheng Qi-cun

（Hunan University?Changsha?Hunan?410012）

【Abstract】In the wave of construction of smart cities， "Internet + traffic" is in the position of the vanguard. However， there is no data to open up and merge with each other， forming a local island of LAN. The intelligent lighting system based on NB-IoT technology is the Internet of Things product of big data application and traditional solar LED street light. IoT technology and big data applications， which are characterized by emerging technologies such as computer technology， communication technology and sensing technology， solve urban road lighting management problems. With the advantages of intelligent lighting， energy saving and environmental protection， technological innovation， and big data control. It will play a positive role in the construction of a smart city in the future.

【Key words】NB-IoT;Smart lighting;Internet + traffic

1. 城市照明現(xiàn)狀

（1）路燈照明是體現(xiàn)地區(qū)發(fā)展程度的窗口，良好的城市照明能帶來(lái)巨大的社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。不管是路燈照明還是景觀照明都能讓這個(gè)城市的面貌煥然一新。

（2）但對(duì)于城市經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，基建日新月異，公共照明系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，時(shí)控及簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)程控制手段已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足需求。照明設(shè)備缺乏有效的管理手段的問(wèn)題越來(lái)越突出，由此帶來(lái)的照明設(shè)備過(guò)度照明、白天亮燈、早亮燈、晚熄燈等電力浪費(fèi)愈來(lái)愈嚴(yán)重。為了做到科學(xué)照明、綠色照明、節(jié)約能源、減低能耗，建立優(yōu)質(zhì)高效、生態(tài)環(huán)保的城市照明環(huán)境，確保城市照明節(jié)能減排任務(wù)全面完成，實(shí)施照明智能化、節(jié)能化建設(shè)已迫在眉睫。

2. 智慧照明管理系統(tǒng)簡(jiǎn)介

智慧照明，是通過(guò)應(yīng)用新一代信息技術(shù)（internet/intarnet、物聯(lián)網(wǎng)、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）、4G/4G）和無(wú)線(xiàn)GPRS/CDMA通信技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明燈具的遠(yuǎn)程集中控制與管理，具有根據(jù)車(chē)/人流量自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度、遠(yuǎn)程照明控制、故障主動(dòng)報(bào)警、燈具線(xiàn)纜防盜、遠(yuǎn)程抄表等功能，能夠大幅節(jié)省電力資源，提升照明管理水平，節(jié)省運(yùn)維成本的一種新興照明管理模式。

3. 智慧照明系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)

（1）智慧照明。本作品是基于能夠在連續(xù)陰雨天作業(yè)的太陽(yáng)能路燈控制器的智能照明系統(tǒng)，屬太陽(yáng)能能源控制技術(shù)。該系統(tǒng)能夠智能調(diào)節(jié)輸出功率，利用智能感應(yīng)技術(shù)達(dá)到陰雨天、霧霾天增強(qiáng)亮度的功能。在夜晚可以感應(yīng)車(chē)輛和行人通過(guò)來(lái)判斷是否照明，從而達(dá)到夜間節(jié)能的作用。

（2）節(jié)能環(huán)保。采用光控+時(shí)控模式，利用太陽(yáng)能板提供電源，并通過(guò)太陽(yáng)能電壓判斷白天和晚上再結(jié)合時(shí)段控制以達(dá)到精確控制。利用光能來(lái)提供照明，并通過(guò)光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)來(lái)達(dá)到節(jié)能環(huán)保。

（3）技術(shù)創(chuàng)新。本系統(tǒng)采用發(fā)明專(zhuān)利的能夠在連續(xù)陰雨天作業(yè)的太陽(yáng)能路燈控制器。它能夠智能調(diào)節(jié)輸出功率，且增強(qiáng)了抗陰雨天數(shù)。硬件部分防短接反接的方案，起到了防反接，防雷擊、精確電壓采樣的作用。軟件部分采用了多項(xiàng)自主研發(fā)的算法，解決了充電過(guò)程中的發(fā)燙問(wèn)題，提高了充電效率，延長(zhǎng)了控制器和蓄電池的使用壽命。

（4）大數(shù)據(jù)應(yīng)用。利用大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)應(yīng)用，通過(guò)LED路燈智慧照明系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集可以精確的采集路燈故障問(wèn)題，從而降低維修成本。還可以利用車(chē)輛通行數(shù)據(jù)來(lái)達(dá)到智能調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度，并可以利用數(shù)據(jù)與紅綠燈系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)從而起到交通調(diào)節(jié)的作用。

4. 智慧照明系統(tǒng)構(gòu)成和功能

4.1?基本組成和工作方式：

智慧照明分為四層架構(gòu)：云處理中心，通訊層，感知層，控制執(zhí)行層。圖1為系統(tǒng)架構(gòu)圖。

（1）監(jiān)控中心：建立基礎(chǔ)GIS和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù);接受和歸檔來(lái)自遠(yuǎn)程的路燈工作狀態(tài)數(shù)據(jù);方便快捷生成各種管理報(bào)表;提供豐富的智慧控制策略實(shí)現(xiàn)“按需照明”;通過(guò)電腦、手機(jī)或平板電腦遠(yuǎn)程遙控和巡視。

（2）通訊層：采用4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)，將道路智慧照明控制系統(tǒng)的監(jiān)控中心、控制裝置RTU和路燈控制器聯(lián)系在一起。通訊層是遙感、遙測(cè)、遙控的基礎(chǔ)，是高效可靠的信息通道。

（3）感知層：感知道路實(shí)時(shí)路況、環(huán)境信息智慧，及時(shí)反饋信息給云處理中心。

（4）控制執(zhí)行層：采用微控制技術(shù)、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)道路控制點(diǎn)的自動(dòng)采集、智能控制和道路單燈調(diào)光控制（系統(tǒng)架構(gòu)圖見(jiàn)圖1）。

4.2?主要硬件和功能。

4.2.1?集中控制器。

集中控制器做為控制的中繼部分，接收監(jiān)控中心指令，控制單雙燈及節(jié)點(diǎn)工作方式，采集信息發(fā)送到監(jiān)控中心。

（1）保護(hù)功能：具備有防止雷擊、強(qiáng)脈沖干擾等自我保護(hù)功能，同時(shí)具有內(nèi)部參數(shù)保護(hù)功能，保證設(shè)備運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。

（2）終端數(shù)量：每個(gè)主控器可控制不小于800桿數(shù)量的雙燈頭路燈。

（3）斷電保護(hù)：能夠在供電線(xiàn)路斷電時(shí)，自動(dòng)切換至備用電池供電，并及時(shí)告警，第一時(shí)間相關(guān)人員搶修，并系統(tǒng)能夠保存斷電時(shí)間段的相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.2.2?單雙燈控制器。

單雙燈控制器為智慧照明控制系統(tǒng)終端設(shè)備，接收集中控制器及節(jié)點(diǎn)控制器指令，控制路燈工作方式，反饋路燈數(shù)據(jù)信息到集中控制器。

（1）控制方式：對(duì)一個(gè)燈桿上的兩個(gè)燈頭分別進(jìn)行開(kāi)/關(guān)控制、檢測(cè)，并將數(shù)據(jù)傳回，故障主動(dòng)報(bào)警。

（2）在線(xiàn)狀態(tài)：路燈運(yùn)行時(shí)，始終在線(xiàn)，非運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，可在監(jiān)控中心或通過(guò)手持檢修設(shè)備操作，使線(xiàn)路帶電，從而讓設(shè)備在線(xiàn)，方便檢修。

（3）自動(dòng)報(bào)警：燈具燈泡損壞故障報(bào)警、燈具功率因數(shù)異常報(bào)警、開(kāi)關(guān)燈異常故障報(bào)警、保險(xiǎn)絲斷開(kāi)故障報(bào)警、單燈供電故障報(bào)警。

（4）自主運(yùn)行能力：在無(wú)人值守的情況下，當(dāng)三遙控制器出現(xiàn)意外而無(wú)法與中心正常通訊時(shí)，單燈仍能按照預(yù)置的開(kāi)關(guān)燈時(shí)間以及模式轉(zhuǎn)換時(shí)間可穩(wěn)定地執(zhí)行開(kāi)關(guān)燈和模式轉(zhuǎn)換操作。

4.2.3?節(jié)點(diǎn)控制器。

節(jié)點(diǎn)控制器接收傳感器采集的采集車(chē)流量信息，控制單雙燈控制器進(jìn)行工作。

（1）控制方式：與附近燈桿上的控制器分組組網(wǎng)，對(duì)應(yīng)控制器的數(shù)量可選擇。

（2）自動(dòng)照度控制：在檢測(cè)到附近有人員活動(dòng)時(shí)，自動(dòng)的按照設(shè)定的照度，控制關(guān)聯(lián)的單燈控制器進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，以提高路面的照度。

（3）在人員離開(kāi)該區(qū)域后n分鐘后（時(shí)間可設(shè)置），照度自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的級(jí)別，以節(jié)約能耗。

4.2.4?傳感器網(wǎng)絡(luò)模板。

本模塊旨在解決常規(guī)路燈在各種條件下無(wú)法達(dá)到人們預(yù)期工作效果，通過(guò)多功能的傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、光照、煙霧、濕度準(zhǔn)確的捕捉，達(dá)到在各種條件下的智能工作。通過(guò)GPS全球定位，實(shí)現(xiàn)突發(fā)事件的高效準(zhǔn)確定位。通過(guò)云端可以將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理以及節(jié)約資源，低碳環(huán)保的功能。其主要由人車(chē)檢測(cè)傳感器、人車(chē)檢測(cè)傳感器、雨水傳感器、能見(jiàn)度傳感器等四大傳感器組成。

4.3?軟件系統(tǒng)和功能。

4.3.1?監(jiān)控中心建設(shè)。

監(jiān)控中心是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的核心部分，由工作站、服務(wù)器、路由交換設(shè)備、辦公設(shè)備等構(gòu)成。服務(wù)器通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（公網(wǎng)）將各個(gè)點(diǎn)的狀況采集上來(lái)。檢測(cè)中心計(jì)算機(jī)可以及時(shí)檢測(cè)并報(bào)告所有在測(cè)得監(jiān)控終端的工作狀況，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄和管理，進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。發(fā)現(xiàn)異常可以及時(shí)將故障定位，同時(shí)將現(xiàn)狀報(bào)告給相關(guān)人員，管理人員可以隨時(shí)隨地主動(dòng)查詢(xún)監(jiān)控終端的運(yùn)行信息。

4.3.2?系統(tǒng)功能。

（1）主控、單燈監(jiān)控軟件一體化運(yùn)行。

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

（3）數(shù)據(jù)采集。

（4）報(bào)警處理。

（5）短信和智能手機(jī)push報(bào)警分組管理。

（6）故障報(bào)表自動(dòng)生成。

（7）歷史數(shù)據(jù)瀏覽及打印。

（8）界面要求。

系統(tǒng)要求操作界面簡(jiǎn)單、明了，全中文輸入輸出。主控監(jiān)控界面與單燈監(jiān)控界面可自由切換。

（9）系統(tǒng)安全管理。

（10）自動(dòng)/手動(dòng)運(yùn)行。

（11）自動(dòng)巡測(cè)。

（12）校時(shí)管理。

（13）系統(tǒng)組態(tài)設(shè)置功能。

能夠設(shè)置修改三遙控制器和單燈控制器的編號(hào)和名稱(chēng);

能夠設(shè)置修改各時(shí)段的定時(shí)巡測(cè)周期;

能夠設(shè)置修改365天的開(kāi)關(guān)等時(shí)間策略;

能夠設(shè)置任意開(kāi)/關(guān)燈時(shí)間;

能夠編輯電子地圖，且在地圖上通過(guò)組件添加主控箱、單燈標(biāo)記。

（14）報(bào)警級(jí)別管理。

（15）終端分組管理。

（16）GIS地圖編輯管理。

5. 應(yīng)用前景

5.1?經(jīng)濟(jì)效益分析。

5.1.1?智慧照明改造前能耗計(jì)算。

（1）昌北經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)實(shí)施兩條道路路燈情況表如表1所示。

（2）根據(jù)南昌市日升日落全年統(tǒng)計(jì)計(jì)算得出南昌市路燈平均開(kāi)燈時(shí)間為11小時(shí)/天，則得出能耗分析如下表2所示：

（3）南昌市路燈照明電價(jià)按1元/度計(jì)算，則由表2可知智慧照明改造前年電費(fèi)費(fèi)用為：

264990度*1元/度 = 264990元≈26.5萬(wàn)元。

5.1.2?智慧照明改造后能耗計(jì)算。

由表3可知進(jìn)行智慧照明改造后管理節(jié)能達(dá)到58%。

由表3可知，進(jìn)行智慧照明系統(tǒng)改造后年電費(fèi)費(fèi)用為（具體數(shù)據(jù)以合同計(jì)算為準(zhǔn)）：

111295.8度*1元/度=111295.8元≈11萬(wàn)元。

5.1.3?智慧照明改造后經(jīng)濟(jì)效益分析。

由5.1.1與5.1.2可知智慧照明改造后年節(jié)省電費(fèi)費(fèi)用為：

26.5萬(wàn)元-11萬(wàn)元=15.5萬(wàn)元。

5.2?社會(huì)效益分析。

5.2.1?直接社會(huì)效益分析。

根據(jù)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)約一度電，相當(dāng)于節(jié)省了0.327千克煤的能耗和4升水。同時(shí)還減少了0.96千克二氧化碳和0.03千克二氧化硫的排放;使用1000度電的“碳足跡”是960公斤，需要栽種2.6棵樹(shù)進(jìn)行“碳中和”。由此得出每年數(shù)據(jù)如表4所示：

5.2.2?隱形的社會(huì)效益分析。

（1）故障及時(shí)維修，減少居民投訴，提高政府形象;

故障短信提醒，2個(gè)小時(shí)內(nèi)即可解決故障問(wèn)題。

（2）按需照明，減少交通事故發(fā)生。

（3）可以減少因照明問(wèn)題引發(fā)事故的50%。

（4）可為智慧城市建設(shè)提供大數(shù)據(jù)（車(chē)輛人流等）。

6. 總結(jié)

（1）隨著城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，道路照明能耗浪費(fèi)嚴(yán)重。管理問(wèn)題日益突出，維護(hù)檢修的工作量不斷加大，針對(duì)這些問(wèn)題，我們研究了一套照明系統(tǒng)——現(xiàn)代城市智慧照明系統(tǒng)。她未仆先知，自動(dòng)診斷故障，智能調(diào)節(jié)亮度。她可以全城定，為社會(huì)安全服務(wù)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確地理定位。她節(jié)能省錢(qián)，以西安陵城區(qū)秦王璐和渭水路兩條道路改造為例，年經(jīng)濟(jì)效益為355364元，不到兩年可收回全部投資。

（2）基于無(wú)線(xiàn)窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NARROW BAND INTERNET OF THINGS， NB-IOT）技術(shù)的節(jié)能系統(tǒng)是新時(shí)代技術(shù)的產(chǎn)物。利用大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打造的城市照明系統(tǒng)為智慧城市、智能城市建設(shè)添加新活力，是智慧城市建設(shè)由數(shù)據(jù)信息技術(shù)從虛擬數(shù)字空間走向真實(shí)物理世界的重要階梯，未來(lái)前景與影響力不可估量。

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