基于NB-IoT技術的智慧道路照明系統優化

鄧碧波，金 珠，王 俊

(1.同濟大學建筑與城市規劃學院，上海 200092；2.上海麥索照明設計咨詢有限公司，上海 201102)

引言

道路照明是城市的重要基礎設施。在5G網絡和“新基建”的推動下，道路照明成為多功能燈桿的基本功能，而智慧道路智能照明系統則成為智慧城市建設、運營及維護的重要載體。

從傳統道路照明到智慧道路照明系統，其核心在于將道路照明連接起來。通過多功能路燈桿整合監控攝像頭、微基站、媒體信息屏、充電樁、公共廣播以及無線Wi-Fi、報警求助等硬件功能，并通過信息感知、數據通信傳輸、燈光控制和計算機處理等技術將采集的數據和信息傳輸到“智慧照明軟件系統平臺”，進而以之為管理后臺實現大數據交互環境下的智能照明、智慧交通、安防監控、環境監測、信息發布、充電服務等功能，從而更有效地促進智慧城市的基礎設施智能化、公共設施共享化、公共服務便捷化和城市管理精細化。

NB-IoT(Narrow Band Internet of Things，基于蜂窩的窄帶物聯網)由于高安全、廣覆蓋、低功耗、大連接、低成本以及穩定性強、部署靈活等優點，成為智慧道路照明連接協議的首選，可以構建更穩定、低耗能的路燈物聯網，同時提高單燈控制的靈活性、可靠性和實時性[1]。自2017年開始，基于NB-IoT技術的智慧道路照明系統已在多個城市規模展開。2020年7月3GPP又批準NB-IoT成為5G eMTC標準，這無疑會進一步推進基于NB-IoT技術的智慧道路照明系統建設。

1 NB-IoT智慧道路照明的控制系統架構與功能要求

基于NB-IoT技術的智慧道路照明控制系統架構如圖1所示，從上至下依次包括管理平臺、網絡通信系統(含NB-IoT網絡和IoT平臺)和單燈(含單燈控制器，以及基于GIS系統的可視化管理方式[2])，從而組成云、管、端協同發展的智慧照明系統。

圖1 基于NB-IoT技術的道路照明控制系統架構Fig.1 Road lighting control system based on NB-IoT

管理平臺通過NB-IoT網絡通信系統與單燈控制器進行雙向通信。基于NB-IoT技術的智慧道路照明系統道路照明智能控制系統以無線通信方式接入由運營商建設與維護的移動蜂窩網絡，不再需要現場通信網關即可直接與監控中心通信，減少通信環節，使網絡和系統對單燈的控制更靈活[3]。

因此，NB-IoT模組應符合YD/T 3337—2018《面向物聯網的蜂窩窄帶接入(NB-IoT)終端設備技術要求》的規定。可實現單燈控制、狀態監測、參數設置、數據處理、系統管理等功能，以達到對道路照明單燈的全面監測、智能控制和精準管理，從而實現按需照明和節能減排的目標。

當然，基于NB-IoT技術的智慧道路照明系統在實際工程建設與應用中也出現了一些問題，如：管理系統的建設、NB-IoT通信與照明需求的匹配、智慧道路照明控制的安裝和維護困難等。

2 NB-IoT智慧道路照明的管理系統建設及優化

傳統的道路照明系統網絡管理中心架構在路燈管理中心的機房內；而NB-IoT智慧道路照明系統則通過NB-IoT通信連接將單燈“終端”接入到運營商的“云端”管理平臺，照明管理系統再從物聯網管理平臺獲取數據。

相比傳統的手動管理或光感控制等路燈控制方式難以實現遠程與實時控制，基于NB-IoT技術的智慧道路照明控制可以在不同時段控制路燈使其呈現不同亮度，并且可以通過網絡平臺實現亮暗調節，還可隨時查詢歷史操作數據，使路燈真正成為智慧城市的一部分[4]。

因此，不同于傳統的自建本地管理系統，NB-IoT智慧道路照明的管理系統需要著重考慮管理系統架構在“云端”的需求與現狀，在設計之初就應注意建設成本的總體擁有成本(TCO)和系統的安全性。

2.1 云計算的架構可降低總體成本

總體擁有成本指使用服務的總體成本，包括硬件設備與軟件的購買成本和能源消耗、硬件維護升級、軟件升級及技術支持等使用成本的總和。

1)云計算的服務供應商多是阿里、亞馬遜、微軟、華為、中國聯通、中國移動等超大型企業，他們可以通過其規模效應提供較便宜和更優質的云計算服務和云儲存服務，因此硬件設備及軟件的采購成本更低；而且使用云計算還可以節約電力、空調及機房等成本；

2)云計算采用云上虛擬化和多種備份技術，可以有效降低宕機率、實現自動宕機遷移，并支持大規模并發，從而有效地降低系統運營和維護成本；

3)云計算可以實現計算與存儲分離，從而通過靈活的虛擬化管理、彈性的技術資源分配以及集成彈性伸縮和限流降級的靈活縮容與擴容，實現任務調度和集群監控，從而有效地降低數據備份、系統擴容及數據遷移的成本。

綜上，基于NB-IoT技術的智慧道路照明系統通過“云端”及“云計算”技術可以有效降低道路照明系統的總體擁有成本。

2.2 云計算的架構可提供更高的安全性

在基于NB-IoT技術智慧道路照明系統的數據傳輸過程中，我們首先對數據接入與傳輸的SSL鏈路進行加密，通過加密和安全機制保證計算過程中數據的物理安全；其次，針對存儲在云端的數據制定不碰用戶數據的“云服務”底線，并建立全方位的審計制度；同時，對存儲在云端的數據采用TDE數據加密、云盤落盤加密等多種加密方式，并由用戶自己掌握加密密鑰；此外，使用白名單訪問控制以有效防止非法訪問；最后，采用多副本同步復制技術及日志同步技術確保云端數據的一致性，從而提供更可靠的云計算服務。

上述技術的運用，全方位地保障了NB-IoT智慧道路照明系統的安全性。

3 NB-IoT智慧道路照明通信系統的匹配與優化

由于多功能智慧燈桿需要接入照明控制、視頻監控、環境監測、汽車充電等不同功能的組件及數據，具有典型的多樣性特征[5]，因此通信系統、通信結構和通信方式的設計是智慧道路照明系統的關鍵。

目前，智慧道路照明系統中采用的通信協議有電力載波PLC、RF無線(如ZigBee)、GPRS/3G、NB-IoT以及LoRa等其他協議。

NB-IoT網絡具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構優[6]等優點；近年來政府和運營商也在大力推進NB-IoT網絡的建設。因此，NB-IoT技術相比之下更適合道路照明控制系統，目前該技術在常州、蘇州、鷹潭等地已有規模應用。

1)智慧道路照明的控制系統要求。在實際工程應用中，基于NB-IoT技術的智慧道路照明控制系統要求如表1所示。

2)NB-IoT控制系統業務模型。運營商提供的NB-IoT網絡在道路照明控制系統中的業務模型如表2所示。

表1 智慧道路照明控制系統要求Table 1 Requirement of intelligent road lighting control system

表2 NB-IoT道路照明控制系統業務模型Table 2 Model of road lighting control system based on NB-IoT

由此可見，NB-IoT道路照明控制系統業務模型與智慧道路照明控制系統要求在功能及性能等方面還存在一些不匹配的現象。

3)對NB-IoT智慧道路照明通信系統的優化。以上所述兩者的不匹配主要體現為路燈控制的組控與實時性等，因此NB-IoT智慧道路照明通信系統設計時應考慮連接、錯峰、告警數據、心跳間隔以及軟件更新等問題，如表3所示。

表3 NB-IoT道路控制系統NB-IoT通信的優化Table 3 Optimization of NB-IoT communication of NB-IoT road lighting control system

4 NB-IoT智慧道路照明系統的控制器安裝優化

4.1 以可插拔的照明控制器取代內置式控制器

傳統的單燈控制器大多安裝于燈具內部。這種內置式的控制器多置于燈具內部的電源腔內，這種安裝方式接線復雜且維修不便，而且金屬制成的燈具會對無線信號造成很大的衰減與屏蔽。所以，這種安裝往往需要舍棄無線傳輸的優勢而采用基于電力線的傳輸。此外，也可以將控制器內置于燈桿檢修孔位置的電氣腔內，這種安裝方式又會由于高度過低而受到地面樹蔭的遮擋或遭到人為的破壞。因此，內置式單燈控制器的通信性能常常受到一定的影響。

如果采用可插拔的接插頭外殼單燈控制器，安裝維修方便；而且塑料外殼的內置天線具有良好的無線信號穿透效果，可以避免延長饋線的信號衰減問題，從而更充分地發揮單燈控制器的通信性能。

4.2 外置式照明控制器的安裝接口優化原則

1)數字化。物聯網時代是數字化的時代，因此控制協議和通信協議都應支持數字化能力。

2)即插即用原則。為了降低安裝、維護和調試成本，并提高設備更換維護的方便性，照明控制器的安裝接口應滿足即插即用的設計原則。

3)安全原則。IEC國際標準和國家標準都明確規定，直流插座和交流插座不能將直流插頭插入交流插座、交流插頭插入直流插座，不能將插頭插入任何其他的插頭插座系統的插座，不能將插頭能插入其他電壓額定值的插座。因此，插座插頭接口的設計要求保證高度的可標識性，交流供電和直流供電的控制器接口應該從外觀、尺寸和機械結構等方面進行嚴格區分，從而防止誤插。

4)互聯互通。不同設備之間的控制協議應該是開放，并制定標準化的照明控制協議，從而實現數據與設備的互聯互通。

5)系統化。道路燈具和燈桿都安裝了電源、控制器、傳感器等設備，同時又需要控制器和智能電源以及傳感器等設備實現數據的雙向交換數字化，因此應控制協議的支持系統化能力，可以在系統內的多個設備進行雙向通信。

表4 兩種外置式可插拔照明控制器的比較Table 4 Comparison of the two kinds of lighting controller

4.3 道路照明控制器接口優化實例

在實際工程應用中，較常用的外置式可插拔道路照明控制器有NEMA接口連接模擬控制(0/1～10 V)智能電源和高壓供電控制器以及Zhaga接口連接帶輔助電源輸出數字控制(DALI)智能電源和直流供電控制器等兩種形式。

現階段道路照明控制器多采用內置式的道路照明控制器，即通過連線或接線端子與模擬控制智能電源連接，但上述方式的安裝與維修成本較高。因此，推薦采用表4所述的外置可插拔式的道路照明控制器；其中：交流供電的道路照明控制器安裝接口推薦采用NEMA ANSI C136.41接口；直流供電的道路照明控制器安裝接口推薦采用Zhaga book18接口。

5 結語

5G網絡、物聯網以及新基建積極地推進了基于NB-IoT技術的智慧道路照明系統的建設與應用。本文介紹了NB-IoT智慧道路照明系統的架構與支持的功能，并結合實際工程設計應用對其中的管理系統、通信系統及控制器安裝優化等問題進行了探討：基于總體使用成本和系統安全性的考慮，推薦設計使用架構在云端的道路照明管理系統；基于照明控制的實際需要，應對NB-IoT網絡的通信系統進行優化，以滿足智慧道路照明系統控制的實時性與并發性；基于安全性、系統性、便利性、開放性及數字化等控制器安裝方式的優化需要，推薦設計使用可插拔的智能道路控制器。