基于NB-IoT技術的照明監控系統

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

物聯網時代，城市道路照明的智能化管理需求逐步增強。20世紀90年代起，常州首先引進了智能化管理的三遙系統，實現了以整條道路為單位的路燈遠程控制。進入21世紀后，隨著人們節能減排和綠色環保意識逐漸增強，道路照明對路燈的單燈化管理需求愈來愈強烈,需要對每盞燈進行開關、調光控制，搜集每盞燈的運行狀態，以達到及時處理故障的目的。傳統單燈管理系統中，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[1-2]。但電力載波通信速率較低，導致故障主報的實時性等相對較差。ZigBee無線通信是一種近程無線網絡通信技術[3]，它是2002年由ZigBee聯盟推動發展的，基于IEEE802.15.4標準，傳輸距離一般在100 m內。其通信速率在20～250 kb/s，相對較快，但其安裝不便、成本較高，天線安裝于燈桿內部通信較差，安裝于外部易被破壞，且其與WiFi、藍牙共用2.4 GHz公用頻段易受同頻干擾影響。

近年來，NB-IoT作為物聯網通信的重要組成部分，愈來愈得到重視[4-5]。2017年6月，工信部發布《全面推進移動物聯網(NB-IoT)建設發展的通知》[6-7]，鼓勵各地因地制宜，結合城市管理和產業發展需求，拓展基于NB-IoT技術的新應用、新模式和新業態，開展NB-IoT試點示范，并逐步擴大應用行業和領域范圍。路燈行業內，自2017年起，國內多個城市逐步試點NB通信設備[8]，有的城市更是全城批量使用，潛在需求呈爆發趨勢。傳統路燈控制廠家、燈具廠家還有很多跨界廠家追逐熱點，進入NB單燈控制器領域。但由于技術背景不同，導致各廠家NB單燈控制器質量參差不齊，目前在路燈應用方面遇到的問題主要有以下幾個方面。

(1)同時上線問題。路燈一般是白天斷電，晚上開燈時上電，晚上同一時間上電時，網絡堵塞，造成上線率低，且對運營商網絡也會造成沖擊。

(2)通信問題。NB單燈控制器一般分為外置天線和內置天線兩種，當采用內置天線時，天線放置在電路板上，干擾大，設計不佳導致接收靈敏度性能差,將造成通信問題。

本文設計了基于NB-IoT技術的照明監控系統，并針對以上問題給出了解決方案。

1 系統設計

基于NB-IoT技術的照明監控系統組成框圖如圖1所示,主要由主站軟件(NB物聯網平臺)、IoT平臺、NB單燈控制器組成，其中IoT平臺為三大運營商物聯網平臺。主站軟件(NB物聯網平臺)為用戶提供交互界面，與IoT平臺間進行數據轉換；NB單燈控制器為執行設備，通過NB-IoT通信方式與運營商的IoT平臺進行數據交互，初上電時進行開機申請，與主站建立鏈接，響應用戶操作，實現數據采集、控制、調光等功能，檢測到故障時，進行主動報警，擁有調試接口，便于現場工程維護。

圖1 基于NB-IoT的物聯網照明監控系統組成框圖

2 NB單燈控制器設計

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，實現對路燈的單點控制、監測和調光。采用NB-IoT通信與運營商物聯網平臺直接通信，將采集到的路燈數據上傳給主站并執行主站下發的命令。

主要電路包括電源、采集、主控、控制、通信、調光6個部分。

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、功率等模擬量參數進行實時采集并與MCU進行數據交互。

主控部分采用STM32F1XX系列芯片，實現對整個控制器各功能模塊部分的控制和數據處理。

控制部分通過對繼電器進行開合操作實現對路燈的開關燈控制。

圖2 單燈控制器組成框圖

調光部分分為兩種方式：有源PWM波調光、0～10 V調光分別對應相應的電源實現調光功能。

通信模塊使用NB-IoT通信模塊實現與主站通信，本設計采用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備對小尺寸模塊產品的需求。

3 主站軟件設計

主站軟件通過HTTPS與運營商平臺進行信息交互，主要由管理平臺、數據庫、NB對接服務組成。其中管理平臺主要負責報警推送、設備控制、數據查詢、電子地圖等功能，數據庫主要負責數據存儲功能，NB對接服務主要負責協議轉換、接收運營商平臺推送、命令轉發等功能。主站軟件可在電子地圖上顯示每盞路燈的位置，統計每盞路燈的開關、調光等運營狀態，當有故障產生時，及時推送報警信息。同時建立運行日志數據庫，保存一個月運行數據。主站軟件組成框圖如圖3所示。

圖3 主站軟件組成框圖

4 關鍵性問題設計

4.1 離散上線設計

以電信為例，NB通信基站一般有3個扇區，每個扇區最多可同時接收12臺設備的注冊信息。而每個扇區可覆蓋的區域內分布的路燈數量遠大于12臺，若單燈控制器上電時間不離散，當大量單燈控制器同時接入網絡時，將會對運營商網絡造成一定沖擊。故采用隨機數×離散間隔的方式，來區分不同單燈控制器的接入時間，具體方案如下：

T=(A%x)×y

(1)

其中，T為單燈控制器初上電后，進行入網注冊的延遲時間；A為單燈控制器的地址，每個單燈控制器具有唯一地址；x為單燈控制器上電參數，x設計為可配變量，NB下行12個子載波，x范圍為1～12，考慮一定余量，其初始值默認為10；y為單燈控制器上電參數，y設計為可配變量，路燈行業實時性要求較高，按統一上電后300 s內主站軟件可檢測所有單燈控制器上線，按照可配置變量x默認為10分組后，y初始默認值為30 s。

4.2 電路板關鍵設計

NB設備根據天線位置可分為內置天線、外置天線兩種，一般NEMA接口結構使用內置天線，此種方式天線安放于電路板上，易受殼體內電磁環境影響，對電路板的傳導性能有了更高的要求。本設計采用NEMA接口內置天線設計，電路板設計原則如表1所示。

表1 電路板設計注意事項

5 測試結果及應用情況

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靈敏度，如圖4所示，參考信號功率(NRS EPRE)為-125.0 dBm時通信正常，整體性能優異。

批量生產后，安裝于現場試用，路燈斷電再上電后，主站軟件可在5 min內檢測到所有NB單燈控制器的運行數據。運行一段時間后，隨機查看數個控制器運行數據，如圖5所示，通信效果優異，可有效監測燈具運行狀態，整體系統運行穩定。

圖4 傳導靈敏度測試結果

圖5 NB單燈控制器運行數據

6 結論

本文基于NB-IoT技術的照明監控系統，實現了通過運營商的IoT平臺對路燈的運行狀態進行監控，可實時查詢路燈的電壓、電流、功率、電量等模擬量數據，可實時遠程控制路燈的開關、調光操作，燈具狀態異常時可實時進行故障報警。測試結果表明，NB單燈控制器上線及時、通信穩定，整體系統能夠穩定高效地實現上述功能。逐步推廣后，該系統可有效地助力城市照明的精細化管理，節約運營成本和管理成本，進而提高管理效率提升城市品牌形象[9]。