基于NB-IoT的智慧照明系統在南昌的應用案例

李 澄,高 偉,張 冬,阮 軍,余 湛

(1.北京新時空科技股份有限公司，北京 101102；2.中關村半導體照明工程研發及產業聯盟，北京 100083)

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經[1]。傳統的照明管理系統中，常見的通信方式主要有：電力線載波通信、ZigBee無線通信。但是電力線載波通信速率較低，故障上報的實時性較差，誤報率偏高，ZigBee無線通信其穩定性一般，安裝不便、成本較高，且易受外界環境影響[2，3]。NB-IoT技術是一項可在全球范圍內應用的新興技術，其具有低功耗、廣覆蓋、大容量、架構優等特點[4]，近年來得到廣泛的應用，基于NB-IoT技術的智慧照明系統，具有精準控制、網絡覆蓋好、可靠性高等特點，具有良好的發展前景。南昌經濟技術開發區(簡稱南昌經開區)的LED節能示范路網工程，將NB-IoT技術應用于智慧照明控制系統，旨在提高城市照明智能化管理水平，節能增效，打造南昌路網節能示范的形象展示窗口。

1 項目需求

南昌經開區是江西省首個國家經濟技術開發區，地處長三角、珠三角、閩東南中心地帶，是一個功能完善的新型生態工業園區，也是一座綠色宜居的濱江新城。南昌經開區作為南昌市城北的主要出入口，道路形象直接關乎城市形象，簡單的道路照明已經無法滿足人們的基本需求，照明管理也存在諸多難題，因此實施智慧照明工程以滿足整體需求。本次項目實施道路按經開區行政區域劃分為三個區域：蛟橋鎮、白水湖區、冠山區，情況現場勘察確定每條道路的實施方案，遵從統一規劃、合理布局、因地制宜、綜合開發、節約能源的原則，在滿足功能要求的前提下，實現智慧照明，力求使路燈燈光的布局符合城市一定時期發展規劃的需要，同時與周圍環境保持協調。

2 NB-IoT智慧照明控制系統

2.1 技術簡介

NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)即基于蜂窩的窄帶物聯網，主要應用在小數據量、低速率的物聯網應用場景，是實現萬物互聯的突破性技術[5]。NB-IoT技術具有以下特點[6]：

低功耗：該技術可以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。低功耗模式下設備續航可達兩三年，甚至可以達到十年。

廣覆蓋：NB-IoT信號穿透能力更強，覆蓋范圍更大，網絡質量更穩定，同時還能提供完善的室內信號覆蓋服務。

大連接：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，其一個扇區支持多大十萬的連接數，滿足了萬物互聯時代海量設備的接入要求。

基于NB-IoT技術的智慧照明系統，可以將城市照明，包括路燈、景觀照明等照明設備統一納入智能化管理平臺進行管理，可以根據每天不同的時間、光照度或者特殊要求進行智能控制，滿足城市日益增長的照明需求，提升管理效率，實現照明的節能減排。

2.2 系統架構

基于NB-IoT技術的智慧照明控制系統架構如圖1所示，包括監控中心、IoT平臺、NB-IoT網絡以及單燈(含單燈控制器)[7]。

圖1 基于NB-IoT的智慧照明控制系統架構Fig.1 Intelligent lighting system architecture based on NB-IoT

單燈控制器通過NB-IoT網絡將單燈相關的運行信息、設備狀態等上傳給IoT平臺，監控中心管理系統可以通過IoT平臺獲取來自終端的數據，同時單燈控制器可以接收監控中心管理系統通過IoT平臺下發的開關燈及亮度調節等指令，實現監控中心與單燈控制器的雙向通信。

3 項目設計方案

3.1 設計原則

項目不以簡單提高亮度為主要目的，而是要滿足路燈燈光的布局符合城市一定時期發展規劃，同時與周圍環境保持協調。每一盞路燈都將是一個智能節點，可以按需實現遠程的監測與控制。

3.2 監控中心設計

監控中心即智慧照明的智能控制平臺，用若干計算機建立一個計算機局域網絡，通過VPN專網的Internet網絡來實現。設立照明系統中央控制室，控制平臺根據設計效果或場景需要將控制信息傳達到各區域的各個配電箱和控制箱，實現遠端現場數據的處理和控制，并通過電腦端，將現場情況、數據報表、地理信息數據進行實時顯示，管理部門可依此做出精準的判斷與決策。監控中心管理系統基于NB-IoT技術將城市照明的智能管理、數據采集、數據處理集一體，并通過群控或組控實現對不同監控的控制功能。

3.3 單燈控制器設計

項目區域內每盞路燈都加裝單燈控制器，組成框圖如圖2所示。電源模塊采用AC220 V轉DC12 V模塊供電，可提供3.8 V、3.3 V電源，保證電路各部分的正常工作。存儲器選用超大EEPROM AT24C256，最多可支持100條調光策略。MCU通過串口和NB-IoT模組通信，來實現與后臺數據交互。通過MCU生成3種調光方式，0～10 V、PWM和數字調光。

圖2 單燈控制器組成框圖Fig.2 Structure diagram of terminal controller

單燈控制器控制原理如圖3所示，可實現以下功能：可實現單燈經緯時控、定時控、手動控等多種控制管理模式；具有電流、電壓、溫度、有功功率、無功功率等參數檢測功能；具有PWM 調光、0～10 V 調光、數字調光接口，可軟件切換；具有遠程開、關控制功能，內部集成16 A繼電器輸出；具有LED燈故障檢測功能；具有電能統計功能，可遠程讀數、清除；路燈工作出現異常后及時上報告警，可將路燈系統的故障精確到點。

配備單燈管理器，可以快速準確地對城市道路照明系統進行智能監控及調光，實現對路燈和電源的遠程遙控和遙監，同時可點對點針對性地快速維修與養護，使維護人員隨時了解路燈運用狀況，極大提高路燈運行質量和效率，降低了照明系統運維成本和能耗。

圖3 單燈控制器控制原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of terminal controller’s control principle

4 實施效果

4.1 智慧照明管理系統軟件

智慧照明以整合亮化設施管理資源，優化管理流程，提高工作效率，降低管理成本，節約能耗資源為目標，結合計算機技術、通信技術、物聯網技術、控制技術、地理信息技術、實現對亮化設備的智能化調控和信息化管理，提高亮化管理水平和節能效率。其智慧照明管理系統軟件主要功能模塊有GIS地圖監控、資產管理、能耗分析、事件警告、系統用戶、項目管理、工單管理等，可以遠程實現對項目內每一盞燈的精準實時操作、維護、處理、分析和監管的控制，從而使城市管理人員、單位管理人員、設施管理人員、中心監控人員、維護管理人員、維護人員、施工人員等相關人員可以通過系統軟件進行協同工作。功能模塊如圖4所示。

圖4 智慧管理系統軟件功能模塊Fig.4 Software function module of intelligent management system

系統結合地理信息系統，提供了圖形化操作頁面，如圖5所示，直觀顯示燈具布控情況，支持批量部署和燈具操作，便于管理和設施維護；實時監測線路，電壓、電流、功率及各開關量狀態，顯示設備工作狀態；實時告警信息提示；單個配電柜的狀態實時查詢、實時控制操作；單個路燈的狀態、能耗、開關燈、調光的實時查詢與操作；回路分組、燈具分組，并設置定時控制以及定時策略的下發。

圖5 GIS圖形化操作頁面Fig.5 Operation interface of GIS system

4.2 應用展示

項目實施過程中，針對不同路段，根據實際需求選用了不同規格的設備，以滿足多樣化的需求，如圖6、圖7所示，選取了其中兩個路段白天與夜晚的路燈應用展示，在滿足燈光布局合理、智能化控制的同時，整體設計與環境相適應，有效地提升了城市的形象。

根據所在道路的照明等級、季節、夜間不同時間段的交通流量等因素，確定相應時段需要達到的照明水平，智能控制系統可對燈具進行自由編組，實現分組分區控制，按亮燈時間加亮燈模式自由組合，實現任務部署靈活化，調節路面照度或亮度。圖7為根據日出日落時間智能調節場景。

圖6 某路段白天與夜晚路燈展示(1)Fig.6 Street pole in day and night of a road section (1)

圖7 某路段白天與夜晚路燈展示(2)Fig.7 Street pole in day and night of a road section (2)

圖8 智能調節場景Fig.8 Intelligent adjustment scene

主干路運行時照度測試結果如表1所示。

表1 道路照明實測值Table 1 Measured value of road lighting

基于NB-IoT技術的智能控制系統的應用不限于燈具的形式和應用場景，整體上滿足了經開區的城市要求，實現了智能化控制，滿足了照明需求。

5 結論

南昌經開區LED節能示范路網項目，照明設計與實施亮化工程，搭配先進的智慧照明設備，展示出道路界面應有的層次清晰、豐富多彩、特色鮮明的城市形象，對一些標志性道路亮化工程，使其與城市形象相適應的照明設計環境，能夠烘托出城市的特色，從而增加城市空間的吸引力。將NB-IoT技術應用于照明系統，獲得了良好的控制效果，降低了人力資源成本，降低了能耗，真正實現了智慧照明。此項目對城市的發展、改善居民的居住環境等，產生了積極的影響，體現了地域文化特色，為城市帶來巨大的社會效益。項目還將試點智慧燈桿的建設，輔助市政管理，同時為智慧城市建設打下基礎。