基于NBIOT的城市路燈控制系統

趙闊 鐘霈合 黃紹林 張慧敏

摘要：NBIOT是低功耗長距離無線通信技術，在水電氣等公共事務領域的遠程抄表中得到廣泛應用，本文重點討論了將NBIOT技術應用在城市道路照明的智慧路燈控制系統中的實現。

關鍵詞：NBIOT;單燈控制器

一、背景

道路照明是城市公共設施的重要組成部分，目前國內的照明系統大多沒有采用網絡化監管，現有基于GPRS以及其他網絡的路燈控制系統一般采用集中控制，只能以區域為單位對照明系統進行簡單的開關控制，或者以街道為單位進行控制，是粗放式控制，不靈活，不節能;存在控制要素少，環境反應能力弱等缺點。路燈覆蓋面積廣，而集中控制會導致難以進行統一管理，存在安全隱患，無法快速掌握路燈運行狀態，無安全保障，統計困難等問題。而且開關控制缺乏靈活，效率低下，用電浪費，不符合國家對節能減排的要求。同樣的問題，也存在于學校、大型展臺及其他大規模使用電燈照明或裝飾的場合。

隨著 NB-IOT 技術的成熟成熟，運營商大規模投資 NB-IOT 網絡。以中國移動為例，2017年下半年中國移動加大了在 NB-IOT 網絡市場的競爭力度，提前集采了111萬面 NB-IOT天線，招標了14.6萬個基站，并頒布企業政策，NB-IOT專項補貼率最高可達 80%。其他兩家運營商同樣致力于NB-IOT網絡的市場競爭。據相關數據顯示，2020年國內NB-IOT網絡連接數規模在6億左右。 NB-IOT 網絡目前主要應用于物聯網領域，推動智慧城市建設。

運用 NB-IOT 網絡建設智慧化照明系統，提高照明系統的管理效率，減少能耗是值的我們研究的新方向。基于 NB-IOT 網絡的照明系統也符合未來市場“綠色經濟”的發展方向，具有著很強大的市場潛力。

二、研究內容

5G時代來臨，NB-IOT技術聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯網（IoT）市場，是一種可在全球范圍內廣泛應用的新興技術。

1、項目主要研究具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構優的NB-IOT技術在單燈控制器中的應用;

2、研究NB-IOT技術與單燈控制器相結合的實用性;

3、在中國節能減排號召下，研究NB-IOT無線組網單燈控制器在實踐中的可行性以及可靠性;

4、研究單燈控制器在硬件電路上的功能實現，尋找低成本、更可靠的硬件電路結構。

三、系統的主要功能

在路燈智能控制系統中，NB單燈控制器作為信息采集和控制命令執行終端，直接監測控制路燈的運行工作，具體應用如圖2-2所示。

路燈智能控制系統主要由監控中心（包括控制設備、服務器、顯示設備、監控軟件等）、NB-IOT平臺、應用平臺、NB單燈控制器及通訊系統等構成。

NB單燈控制器與路燈直接連接，采用運營商網絡通過NB-IOT平臺與應用平臺通信，應用平臺與監控中心之間通過互聯網等方式進行遠程通信，監控中心服務器上安裝路燈監控軟件。同時，遠程監控中心可通過服務器、數據庫對路燈系統進行遠程控制。

四、單燈控制器主要參數設計

NB單燈控制器負責采集路燈的實時數據，數據經由應用平臺記錄存儲，并定時或根據監控中心的指令將數據上報，監控中心通過監控軟件將數據自動匯總，形成數據報表或圖表，使得監控人員可以實時、直觀地了解路燈的當前情況。監控中心的管理人員也可以通過監控平臺遠程向設備發送指令，如要求上報數據、開關路燈、路燈調光等。

NB單燈控制器在路燈智能控制系統中的主要功能有：

1、記錄上報燈具實時電壓、電流、功率因素等參數。

2、接收應用平臺的命令，實現開燈、關燈、調光的功能。

3、欠載、異常開燈、調光信號等報警功能。

4、欠載報警：開燈狀態下，當負載以額定功率工作時檢測到功率小于20W，將發出欠載報警信號;在使用調光設備調光時，因調光等級設置在較低等級而檢測到功率低于20W時，不報警。

5、異常開燈報警：關燈狀態下，檢測到功率大于20w時，發出異常開燈報警。

6、PWM調光信號報警：當PWM調光信號報警信號觸發時，發出報警信號。

五、單燈控制器的電路功能模塊

NB-IOT單燈控制系統一般由輸入電路、NB-IOT電路、主控電路、輸出電路組成，各個模塊電路之間相互緊密連接，如圖2-3所示。

（一）輸入電路

NB-IOT單燈控制器輸入電路為交流電，并在輸入后，由整流電路轉換為直流電供整個單燈控制器使用，其流程如下：

1、輸入端接LAN線，輸入220V交流電，同時連接到電源電路（橋式整流濾波電路）;

2、連接到電源電路后利用變壓器、電容及二極管的特性功能，將220V交流電變為平滑的直流電后，輸送到STM32組成的主控電路。

（二）NB-IOT電路

基于NB-IOT芯片的信號接收及發送電路，可以與其余單燈控制器形成蜂窩網絡和燈聯網，接受NB云臺的無線傳輸信息和無線遙測，并于主控電路形成單燈控制器主電路，其流程為：

1、首先基于蜂窩的窄帶物聯網功能與此區域的照明設備和NB云臺形成互聯狀態;

2、當互聯狀態形成，一邊與NB云臺產生數據互通，一邊與單燈控制器內部電路形成關聯;

3、同時使用電源電路濾波后的直流電進行驅動。

（三）主控電路

主控電路是整個NB-IOT單燈控制器的核心，由STM32芯片的CPU電路為主導，周圍集成采集電路、PWM調光電路、控制電路、報警電路，同時配合NB-IOT模塊和輸出電路，形成完整的控制過程，其流程為：

1、當CPU電路接受到來自電路電源電路的直流電后，供應到各個模塊;

2、當NB-IOT模塊接受到來自云臺的指令后，整個系統開始工作。首先采集電路開始采集單燈控制器的電壓、電流、功率、溫度等信息，確保控制器正常后，信息返回至CPU電路。后PWM調光電路開始依據CPU電路傳送的數據進行智能調光同時傳送信號到輸出電路;

3、當采集電路采集的信號正常時，報警電路繼續工作，如采集數據不正常，報警電路是由LED組成，將發出報警紅光并上傳數據至云臺;

4、控制電路與PWM調光電路配合，一起連接到輸出電路中，所有一切正常時，控制電路連接通輸入電路的分支，運送220V交流電至輸出電路。

（四）輸出電路

輸出電路主要由控制電路與PWM調光電路配合，然后將調光數據和220V電輸送到單燈控制器外部的LED Driver和LED燈泡，此時整個照明設備完全正常工作。

一切電路的運行指標和數據檢測，都會實時上傳到NB云臺，可以隨時在NB云臺進行查看。

六、單燈控制器的具體電路設計

NB-IOT單燈控制器基于32位ARM處理器為核心，配合控制電路、供電電路、NB通信模塊、調光模塊、參數采集模塊形成整個單燈控制器的硬件電路結構，同時結合NB-IOT傳輸網絡，將數據上傳到NB云服務器進行處理。

如圖2所示電路是以32位微控制器為核心，配合相關的硬件和軟件設計，接收主站命令，實現開燈、關燈、調光、數據查詢以及故障報警等功能。

如圖3所示電路為NB-IOT模塊電路，基于NB-IOT芯片的信號接受及發送電路，可以與其余單燈控制器形成蜂窩網絡和燈聯網，接受NB云臺的無線傳輸信息和無線遙測，并于主控電路形成單燈控制器主電路。

單燈控制器內置電壓、電流、溫度采集模塊，如圖4所示，可以實時偵測單燈控制器的工作狀態，及時檢測單燈控制器的故障信息，并傳給集中控制器，完成單燈的預警功能，解決了路燈維護的工作量。并由橋式整流濾波電路，與單燈控制器的輸入端連接，接收220V交流電，并把交流電轉換為平滑的直流電，由CPU電路分送到各個模塊。

如圖5電路為控制電路基于SRD-05VDC-SL繼電器，配合 Circuit Breaker斷路器，用于電子鎮流器調光控制，實現LED照明的開關控制，系統開關量調光具有三種狀態：全開、全關、節能。

如圖6所示，系統內置兩路PWM調光輸出，配合1路內置開關繼電器輸出，完成單燈的開關和調光。通過PWM調光的方式可以實現led線性調光。產品內置光耦隔離器件，在完成調光的同時保證了系統的穩定可靠。

系統具有0～10VDC模擬量輸出，用于具有模擬調光的燈具。燈具可以根據輸入電壓調節輸出電流完成led的線性調光。

提供三路電壓調光信號或三路PWM調光信號輸出接口;

1、PWM調光信號：頻率為400Hz，10V TTL電平，占空比0 ～ 100%可調（占空比為100%時候，對應的輸出為5V）;

電壓調光信號：0 ～ 10V輸出可調。

2、PWM調光信號輸入信號：當PWM調光信號報警信號觸發時，發出報警信號。用來在緊急情況下報警。

參考文獻：

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[2]周萬禹，桂永杰，焦東海，朱平平.基于NB-IoT的智慧路燈控制系統[J].物聯網技術，2020，10（07）：82-84.

作者簡介：

趙闊（1983—），男，漢族，四川綿陽，大學本科，副教授，專業主任，教育教學改革。