高偉 李澄 阮軍 張冬 余湛

摘 要：在智能道路照明領(lǐng)域，多種物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)并存，終端控制器的集成度和供電電源選擇多樣，機械結(jié)構(gòu)和形式五花八門，在推廣應(yīng)用中成為難以規(guī)?；茝V的瓶頸。文中選擇由LED電源向終端控制器供電的DC方案，選擇NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）通信方式，對機械接口進行規(guī)范，形成標準化解決方案。該方案是實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)生產(chǎn)廠商之間、終端控制器與中央管理系統(tǒng)之間互聯(lián)互通互換和標準化的有效途徑。

關(guān)鍵詞：智能道路照明;物聯(lián)網(wǎng);終端控制器;NB-IoT;應(yīng)用;標準化

中圖分類號：TP17;TM923文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）11-00-03

0 引 言

通過對智能道路照明領(lǐng)域的調(diào)研，結(jié)果顯示它目前是多種通信技術(shù)并存[1]（如PLC等有線通信方式，ZigBee、LoRa、GPRS、NB-IoT等無線通信方式）;終端控制器的集成度和供電電源的選擇有多種方案;終端控制器的機械結(jié)構(gòu)和形式更是五花八門。在推廣應(yīng)用中，終端控制器在機械接口、電氣接口和通信（軟件）接口上各不相同，對用戶的方案確定、產(chǎn)品選擇以及后期運營維護造成了很大困擾;對于生產(chǎn)廠商來說，市場推廣成本高、大規(guī)模制造阻力大、難以規(guī)?；茝V的關(guān)鍵瓶頸。

NB-IoT具有市場空間大、建網(wǎng)成本低、產(chǎn)業(yè)鏈廣泛參與、安全性和可靠性高，以及在廣覆蓋、低功耗、大連接等方面的優(yōu)勢[2]，在智能道路照明領(lǐng)域的應(yīng)用有著廣闊的前景。

以半導(dǎo)體照明為代表的新興技術(shù)處于快速發(fā)展階段，技術(shù)日新月異，但產(chǎn)品尚未完全定型，給檢測方法和評價標準等工作帶來了巨大挑戰(zhàn)。在8個半導(dǎo)體照明相關(guān)標準化技術(shù)委員會框架下的國家標準體系，制定程序復(fù)雜、過程較長，嚴重滯后產(chǎn)業(yè)需求。2017年，新標準化法發(fā)布，團體標準正式獲得法律地位。該標準以“公開、透明、協(xié)商一致”為宗旨，建立產(chǎn)、學(xué)、研合作平臺，組織產(chǎn)業(yè)內(nèi)各領(lǐng)域共同參與，制定的團體標準具有制定周期短、應(yīng)對市場反應(yīng)快速、與知識產(chǎn)權(quán)結(jié)合相對靈活等特點，體現(xiàn)了技術(shù)先進性。2018年，由中國照明學(xué)會、國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟共同管理，華為參與制定的《基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）的道路照明智能控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》團體標準正式發(fā)布[3]。

1 團體標準《智能道路照明終端控制器接口要求》[4]的優(yōu)勢

1.1 符合國家政策，產(chǎn)業(yè)鏈完整

NB-IoT作為物聯(lián)網(wǎng)時代的關(guān)鍵技術(shù)得到國家政策支持，工信部在國家層面全面推進NB-IoT基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和應(yīng)用推廣。工信部2017年6月發(fā)布《關(guān)于全面推進移動物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）建設(shè)發(fā)展的通知》和《關(guān)于NB-IoT系統(tǒng)頻率使用要求的公告》，明確要求“加快推進網(wǎng)絡(luò)部署，構(gòu)建NB-IoT網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施”。

運營商和電信設(shè)備商在大力推進網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和硬件支持，2017年中國電信率先開始NB-IoT的布局。截至目前，中國移動已經(jīng)實現(xiàn)全國346個主要城市城區(qū)NB-IoT連續(xù)覆蓋;中國電信已經(jīng)全網(wǎng)建設(shè)40萬個NB-IoT基站;中國聯(lián)通已經(jīng)在全國數(shù)十個城市開通NB-IoT試用，全國已經(jīng)有300多個城市具備快速接入物聯(lián)網(wǎng)的能力。

芯片、模組、應(yīng)用廠商不斷投入布局，已形成良好的NB-IoT應(yīng)用生態(tài)。以NB-IoT應(yīng)用于智能道路照明為例，產(chǎn)業(yè)鏈主要由NB-IoT芯片、NB-IoT模組、終端控制器、LED電源、LED模塊、燈具（燈體）、運營商網(wǎng)絡(luò)、運營商物聯(lián)網(wǎng)平臺和中央管理系統(tǒng)等相關(guān)廠商組成。圍繞NB-IoT應(yīng)用生態(tài)，各環(huán)節(jié)都有廠家參與，如NB-IoT芯片有華為海思，NB-IoT模組有上海移遠，終端控制器和中央管理系統(tǒng)有比弦、瓴泰、方大智控，LED電源有英飛特，燈具有華普永明，運營商有中國電信、中國移動、中國聯(lián)通等。

1.2 系統(tǒng)整體成本低，實現(xiàn)了互聯(lián)互通互換

符合本標準的智能道路照明終端控制器，及其配套使用的LED電源的綜合成本比傳統(tǒng)AC方案在產(chǎn)品成本方面節(jié)省約10%。這主要是因為實現(xiàn)了互聯(lián)互通互換，用戶單位在配件備件方面有了更多選擇，維護也更加簡單。

基于NB-IoT技術(shù)，通過對終端控制器、LED電源、運營商物聯(lián)網(wǎng)平臺和中央管理系統(tǒng)之間的機械接口、電氣接口、通信（軟件）接口進行標準化，實現(xiàn)了終端控制器、LED電源、燈體和中央管理系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通互換。

1.3 通信質(zhì)量好、在線率高，數(shù)據(jù)安全可靠

NB-IoT信號強，在授權(quán)頻譜內(nèi)工作受外界干擾小、通信穩(wěn)定，網(wǎng)絡(luò)接入成功率可達99.9%;在線率高，通信網(wǎng)絡(luò)由運營商維護，響應(yīng)迅速、故障排除快;數(shù)據(jù)在授權(quán)頻譜內(nèi)傳輸，并存儲在運營商物聯(lián)網(wǎng)平臺，安全水平與可靠性得到大幅提高。

1.4 智能管理、數(shù)據(jù)采集，節(jié)省電能、降低運維成本

可對單個路燈和成組路燈進行默認/計劃/實時開關(guān)燈以及實時調(diào)光等智能管理，實時查詢燈具狀態(tài)，系統(tǒng)故障主動告警，遠程定位故障;自動采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，為路燈全生命周期管理提供支撐;通過智能管理，可實現(xiàn)“二次節(jié)能”約15%～30%;可降低運行控制、人工巡檢、故障定位等運維成本約50%。

2 標準主要技術(shù)方案

2.1 終端控制器供電方案

根據(jù)終端控制器集成度和供電電源的不同，可分為一體化方案（終端控制器與LED電源集成為一體，由電網(wǎng)供電）、AC方案（由電網(wǎng)供電給終端控制器）和DC方案（由LED電源供電給終端控制器）。終端控制器電氣接口的三種方案示意如圖1所示。

因終端控制器需要與控制系統(tǒng)平臺配合使用，所以其生產(chǎn)廠家和銷售企業(yè)多為互聯(lián)網(wǎng)或物聯(lián)網(wǎng)公司。這些公司對于終端控制器在戶外使用所需的防雷擊浪涌、防水、耐高低溫等技術(shù)的積累較為薄弱，而戶外大功率LED電源的技術(shù)和資金門檻很高，提供一體化方案的終端控制器廠家很少，因而AC方案和DC方案成為廠家的主流選擇。

AC方案和DC方案由于技術(shù)路線不同，對于終端控制器來說，主要差異見表1所列。

2.2 基于NB-IoT的通信接口

中央管理系統(tǒng)通過運營商物聯(lián)網(wǎng)平臺和終端控制器，對道路照明燈具進行統(tǒng)一的連接管理和狀態(tài)管理?；贜B-IoT的終端控制器通過物聯(lián)網(wǎng)平臺與中央管理系統(tǒng)進行通信，通信接口示意如圖2所示。

由于各運營商所使用的物聯(lián)網(wǎng)平臺不同，本標準附錄部分對不同運營商平臺的接口分別做了定義。

終端控制器與運營商物聯(lián)網(wǎng)平臺之間的接口中，NB-IoT模組與運營商物聯(lián)網(wǎng)平臺之間的通信協(xié)議為通用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入?yún)f(xié)議，而傳輸?shù)南⒂稍O(shè)備自身屬性決定，本標準僅定義與終端控制器有關(guān)的消息接口。

2.3 機械接口規(guī)范

機械接口包括終端控制器與燈體的接口、數(shù)字LED電源與燈體的接口。

終端控制器與燈體之間通過底座進行安裝固定，數(shù)字LED電源與燈體之間通過螺絲或其他方式進行安裝固定，要求連接牢固、可靠。安裝示例如圖3所示。

本標準規(guī)定的終端控制器與燈體之間的機械接口設(shè)計參考了ANSI C136.10-1979第2章機械要求中的技術(shù)方案。

2.4 電氣接口

終端控制器可通過燈體底座的電子連接器與數(shù)字LED電源控制端的電子連接器進行電氣連接，或與數(shù)字LED電源控制端直接連接。電氣連接如圖4所示。

3 主要試驗（或驗證）的情況分析

依據(jù)標準文本對終端控制器、燈體、LED電源、中央管理系統(tǒng)和運營商物聯(lián)網(wǎng)平臺進行了互聯(lián)互通互換，以及電氣參數(shù)和機械尺寸等測試，試驗結(jié)果證明該標準具有可操作性，驗證了標準的先進性和基于本標準研發(fā)產(chǎn)品的可行性，制定的各項指標要求合理。

4 結(jié) 語

NB-IoT的應(yīng)用越來越廣泛[5-9]，在智能道路照明領(lǐng)域的應(yīng)用引起關(guān)注。在充分調(diào)研，集合行業(yè)內(nèi)龍頭企業(yè)開展共性關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)的基礎(chǔ)上，本方案選擇NB-IoT通信方式[10];選擇具有由LED電源向終端控制器供電的DC方案作為標準化技術(shù)解決方案;通過規(guī)范終端控制器的機械接口、電氣接口和通信（軟件）接口，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)生產(chǎn)廠商之間、終端控制器與中央管理系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通互換;滿足用戶單位對智能管理、數(shù)據(jù)安全、高可靠性、低成本和易維護的需求;推動產(chǎn)業(yè)化水平提升，為企業(yè)、用戶和質(zhì)量監(jiān)督檢驗單位提供技術(shù)依據(jù)。

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