基于NB-IoT技術的道路照明智能控制系統

葉 煒，呂 偉，洪 寬，穆志洋

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

基于NB-IoT技術的道路照明智能控制系統

葉 煒1，呂 偉2，洪 寬2，穆志洋1

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

本文簡述了窄帶物聯網NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)技術及其特點，提出了基于NB-IoT的道路照明智能控制系統的架構及其組成，以及其應用于道路照明控制系統的功能特點和技術優勢。

NB-IoT技術；道路照明；智能控制

引言

隨著城市建設的不斷發展，城市道路照明不僅是人們日常生活中必不可少的公共設施，也是展現城市景觀、體現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、天氣等自然環境和人為因素影響；②參數遠程設置：無法遠程修改開關燈時間，不能根據實際情況(天氣突變，重大事件，節日)及時校時和修改開關燈時間，也無法進行路燈調光以實現二次節能；③狀態監控：缺乏路燈狀態監控，故障依據主要源于人工巡檢上報和市民投訴，不能實時、準確、全面地監控全城的路燈運行狀況；④設備防盜：缺少防盜監測，出現故障難以定位，無法準確發現電纜盜割、燈頭被盜和斷路等，不僅造成經濟損失，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的管理水平和管理效果，需要綜合運用物聯網等技術手段來實現全面可控的“按需照明”運行模式，節約照明能源，降低管理維護成本，提高城市照明系統管理水平[2]。

1 道路照明智能控制系統

隨著計算機技術、網絡技術、通信技術、控制技術等現代化科學技術的發展，為傳統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可以解決城市照明統一開啟關閉、數據采集、故障報警等功能，提高城市道路照明系統的監管水平。

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

其中監控中心由計算機、數據庫服務器、通信設備、顯示終端等硬件和包含智能控制算法、圖像處理技術、地理信息系統、定位技術等相關技術融合的軟件組成，應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，根據中央管理平臺下發的運行參數和命令，負責對道路照明配電柜內的燈線路進行數據采集、控制和管理，并作為中央管理平臺與終端控制器之間的數據中繼通訊信道；終端控制器是指道路照明智能控制系統中直接實現對照明路燈監控的終端。終端控制器安裝于燈具內，也可以集成到燈具的電源中。終端控制器根據中央管理平臺下發的或集中控制器轉發的運行參數和命令，實現對照明路燈進行數據采集、狀態監控、設備管理等任務。

圖1 道路照明智能控制系統架構圖Fig.1 Intelligent control system of road lighting

目前在兩跳架構下，監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技術的道路照明智能控制系統

2.1NB-IoT技術簡介

基于蜂窩的窄帶物聯網(NB-IoT)是低功耗廣域物聯網(LPWAN)網絡的一個重要分支,是實現萬物互聯網絡的重要組成部分[3-4]。NB-IoT構建于蜂窩網絡，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，其核心是在網絡側和終端側建立一套溝通機制，使終端周期性的進入休眠態和激活態，休眠狀態下終端不再收發信號，從而達到省電的目的。低功耗模式下的NB-IoT設備續航可達兩三年，甚至可以達到十年。

廣覆蓋：NB-IoT部署于運行商通信頻段，比現有的GSM/LTE網絡增益20 dB,信號穿透能力更強，覆蓋范圍更大，網絡質量更穩定，同時還能都提供完善的室內信號覆蓋服務。

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

2.2基于NB-IoT技術的道路照明智能控制系統

2.2.1 控制系統架構

基于NB-IoT技術的道路照明智能控制系統由監控中心、通信傳輸系統和終端控制器組成，其系統架構如圖2所示。

圖2 基于NB-IoT的道路照明智能控制系統架構圖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單個燈具進行監測和控制，能夠上傳路燈相關數據并接收中央管理平臺控制命令，負責對照道路明設施的運行進行監測和控制；

2)通信傳輸系統是構建大區域跨平臺的物聯網通信平臺，由基站、核心網、IoT平臺組成，實現對城域級道路照明設備的遠程監控，通信傳輸系統采用運行商部署的基站連接終端控制器及IoT平臺和監控中心相連接，對道路照明控制系統而言，實現了單跳通信模式；

3)監控中心是整個道路照明智能控制系統的核心，具有數據的分析、匯總、存儲和控制命令的發布等功能，同時具有路燈巡檢、路燈設備管理、路燈運行維護管理和相關運行報表等功能。

2.2.2 終端控制器

終端控制器實現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NB-IoT通信網絡的接入，并通過NB-IoT無線接收和發送相關設備的收發天線與NB-IoT基站進行聯絡。微控制器模塊可以實時采集電壓、電流等數據，并通過串口通訊方式將數據傳輸至NB-IoT模塊，然后通過NB-IOT網絡傳輸到監控中心。同時，通過NB-IoT模塊信號接收設備接收監控中心下發的指令，控制道路照明設備的運行狀態。每一個終端控制器擁有唯一的通用身份識別模塊，對應唯一的照明設備，因此監控中心可以識別每一盞路燈，進而實現單燈控制。終端控制器可以外接驅動電源，通過PWM或0～10 V調光方式對LED路燈進行調光控制。此外，可擴展傳感器探測路燈周圍環境信息，例如光照度、溫度、濕度及氣象環境等，反饋給監控中心，使監控中心可以依據環境信息對終端控制器進行有效監控。終端控制器及相關設備如圖3所示。

圖3 終端控制器及相關設備Fig.3 Terminal controller and related equipment

依據道路照明智能控制系統對照明設備的監控要求，終端控制器的主要功能如下：

1)數據采集功能：采集電壓、電流、有功功率、功率因數和當前故障信息等數據；

2)狀態監測與告警：監控燈具工作狀態，燈具亮燈時間統計，控制器工作狀態監控。具有根據設定的報警條件主動向系統報警的功能；

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(控制和調光)功能。

2.2.3 監控中心

監控中心主要實現道路照明智能控制平臺，基于NB-IoT技術將城市照明的路燈進行統一管理。采用基于GIS系統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、每一盞路燈的狀態信息。通過應用靈活的照明設備，可以對每一盞路燈的開關狀態，照明亮度進行精準控制，真正實現按需照明，其主要功能包括：開關控制、自由編組、調光控制、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主要功能特點如下：

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

2)通過自動巡檢功能可以對終端周期巡檢，包括電壓、電流、開關狀態、故障信息等。當監控終端巡檢時發現有異常數據時，GIS在地圖上會顯示相應的位置和故障類型，可通過預設進行自動報警，通知維修人員進行維護。

3)對智能路燈系統進行大數據分析功能。系統對監控數據進行大數據處理和分析，得到最優的照明方案；同時結合歷史數據的分析，做出預設和報警，保證路燈照明設備運行在最佳的工作狀態。出現緊急狀況時，系統分析數據信息給出最優處理建議，為決策和管理者提供參考。

2.2.5 技術優勢

當前道路照明智能控制系統的通訊網絡一般為雙跳模式。其中，集中控制器和監控中心之間的通訊一般采用移動通訊網絡，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)缺乏標準導致成本較高，比如需要對PLC/ZigBee/LoRa等不同協議的路燈進行適配；

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Fig.4 GIS system of road lighting

3)建網和維護成本較高，比如目前普遍采用傳統的“兩跳式”智慧照明解決方案，在一個路段設置一個匯聚網關，每個匯聚網關通過PLC/ZigBee/LoRa技術連接大約100盞路燈，匯聚網關再通過GPRS/3G/4G網絡上報給監控中心，增加了建設成本和維護成本。

基于蜂窩的窄帶物聯網技術(NB-IoT)以其覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構優等特點為道路照明控制系統提供合適的解決方案。在協議層上，NB-IoT已被納入3GPP標準，實現接入協議的統一；在網絡層上，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蜂窩網絡實現對每盞路燈“一跳式”的連接和控制，不需要網關設備，減少了建設和維護成本。NB-IoT使用授權頻譜，免去了網絡干擾問題；在平臺層上，IoT平臺為智慧路燈應用提供基礎的連接管理、數據管理、設備管理能力，并通過開放標準接口使得應用靈活快速的部署。

2.2.6 應用試點

2017年2月，由華為、杭州移動和浙大網新易盛共同打造的基于標準NB-IoT的智慧照明示范區在杭州濱江士蘭微園區完成(如圖5所示)，標志著NB-IoT在道路照明領域的開端。目前該應用在國內已有數十個成功案例。

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

3 總結

隨著計算機技術、通信技術、網絡技術、控制技術等信息化技術的發展，追求更高效，更節能，更智能的城市照明控制系統勢必成為未來智慧城市發展的趨勢。結合NB-IoT技術覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構優等技術優勢，將其應用于道路照明控制系統中，一方面提高了能源利用效率，同時優化了管理水平，對未來智慧城市的發展具有重要意義[7]。

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

[2] 粱人杰.智能照明控制技術發展現狀與未來展望[J].照明工程學報，2014，25(2)：1-26.

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

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

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

[6] 劉伊莎，黃勝明，毛周明.電力線載波的LED路燈監控系統設計[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中的引領作用//2016年中國照明論壇——半導體照明創新應用暨智慧照明發展論壇論文集.北京：中國照明學會，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