基于NB-iot的城市照明單燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廣東正力通用電氣有限公司　劉志祖

現(xiàn)如今，人們的生活已經(jīng)離不開電。在2016年3月19日，全球178個(gè)國家和地區(qū)都進(jìn)行了熄燈一小時(shí)活動(dòng)，舉辦該活動(dòng)是為了讓更多的人關(guān)注全球的環(huán)境問題，但是在熄燈一小時(shí)期間多個(gè)地區(qū)的生活陷入“困境”，頓時(shí)顯得手足無措，生活模式紊亂，很多人即使積極投入到此活動(dòng)中想為保護(hù)環(huán)境做一點(diǎn)貢獻(xiàn)，但他們也覺得沒有電生活將無法繼續(xù)。因此，我們就需要在城市或農(nóng)村的發(fā)展中應(yīng)用新技術(shù)，盡量減少城市照明單燈的用電亮，提高其節(jié)能性。其中文中重點(diǎn)介紹了集中器采用NB-IoT技術(shù)與數(shù)據(jù)監(jiān)控中心服務(wù)器連接，從而實(shí)現(xiàn)了覆蓋廣、穿透力強(qiáng)、抗干擾性能好、成本低的特點(diǎn)，能大大提升路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控管理的水平，同時(shí)還能夠有效提高城市照明單燈的使用效率。

1　引言

在進(jìn)入到二十一世紀(jì)以后，我國逐漸步入到了信息化時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在一些行業(yè)進(jìn)行了全面覆蓋，智能化、技術(shù)化應(yīng)用較為突出。同時(shí)隨著互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨以及智慧城市的構(gòu)建，城市照明亮化工程已取得較大的進(jìn)步，改變了傳統(tǒng)僅靠人工管理的弊端。對(duì)城市照明單燈采用了智能系統(tǒng)化的管理，智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)采用NB-iot與LoRa技術(shù)相結(jié)合，以其優(yōu)越的各種技術(shù)性能和芯片越來越低的制造成本，很好地解決了現(xiàn)有2.4G無線技術(shù)中遇到的傳輸距離短、信號(hào)穿透力差、通訊易干擾的問題；也免去了有線組網(wǎng)中布線復(fù)雜、故障排查難且成本高的困擾，還能兼容現(xiàn)有的監(jiān)控中心系統(tǒng)，大大提高了城市照明的管理水平，具有良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用性。但由于在實(shí)際操作中工作過程存在復(fù)雜性，難免會(huì)產(chǎn)生一些問題，這就要求我們不斷進(jìn)行技術(shù)更新，及時(shí)解決一些突發(fā)性問題。本文所討論的NB-iot技術(shù)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上最新研究出的關(guān)于城市照明單燈的設(shè)計(jì)方法，其有很多優(yōu)勢(shì)在路燈的實(shí)際應(yīng)用中都已經(jīng)體現(xiàn)出來了，針對(duì)其問題和改進(jìn)方法首先要從其系統(tǒng)原理開始進(jìn)行介紹，在了解其原理的基礎(chǔ)上，再進(jìn)行NB-iot技術(shù)的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。僅供業(yè)內(nèi)人士參考。

2　關(guān)于NB-iot技術(shù)的介紹

在信息化大潮的影響下，信息化技術(shù)在我國眾多行業(yè)中已經(jīng)得到了普遍的應(yīng)用，而NB-iot技術(shù)就是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，因此具有很多智能化功能，相對(duì)于傳統(tǒng)的路燈系統(tǒng)來說占有更多的優(yōu)勢(shì)，克服了傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)所存在的弊端。NB-iot技術(shù)是基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接。它采用3GPP授權(quán)頻段能避免干擾問題，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)。NB-iot技術(shù)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，對(duì)廣闊的路燈區(qū)域網(wǎng)進(jìn)行更好的監(jiān)控；當(dāng)路燈系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，利用NB-iot技術(shù)可以及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，這樣工作人員就會(huì)針對(duì)狀況進(jìn)行維修，不斷提升城市照明單燈的質(zhì)量。但是NB-iot技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中也會(huì)產(chǎn)生一些問題，例如電力載波方式可能會(huì)因?yàn)槁竦鼐€路鋪設(shè)的不規(guī)范或者不明諧波信號(hào)干擾，導(dǎo)致故障原因排查困難且成本高。針對(duì)實(shí)際中的一些問題，就需要對(duì)NB-iot技術(shù)進(jìn)行不斷的更新、改善，盡量完善其工作系統(tǒng)，使其發(fā)揮它更好的作用，為城市化的發(fā)展貢獻(xiàn)一份力量。

3　系統(tǒng)總體架構(gòu)及原理

在了解NB-iot技術(shù)后，首先需要掌握的是其優(yōu)點(diǎn)和特性，NB-iot系統(tǒng)具有覆蓋廣且深、節(jié)點(diǎn)多、速率低、成本低、功耗少、架構(gòu)優(yōu)的特性。因此在應(yīng)用中，NB-iot技術(shù)系統(tǒng)可以優(yōu)化城市的整體環(huán)境，通過研究其系統(tǒng)總體架構(gòu)及原理，發(fā)現(xiàn)其良好的技術(shù)特性，并可以針對(duì)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題做出相應(yīng)的對(duì)策。智能路燈監(jiān)控系統(tǒng)主要由單燈控制器、（中繼器）、路燈集中器和監(jiān)控中心組成，用戶工作站或數(shù)據(jù)監(jiān)控中心通過電信運(yùn)營商的提供的NB-iot網(wǎng)絡(luò)與集中器連接，進(jìn)行指令的接收或下發(fā)；按指令要求執(zhí)行開關(guān)燈或數(shù)據(jù)電能量等參數(shù)采集，從而實(shí)現(xiàn)路燈的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控。通過對(duì)其系統(tǒng)總體架構(gòu)和原理的分析，發(fā)現(xiàn)NB-iot技術(shù)具有很多優(yōu)質(zhì)特性，并且能夠有效的克服傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)存在的問題。信息化技術(shù)在不斷地更新，在快節(jié)奏的時(shí)代下，我們應(yīng)該緊跟時(shí)代的步伐，積極改進(jìn)技術(shù)應(yīng)用，在降低生產(chǎn)成本、提高節(jié)能效率的基礎(chǔ)上推進(jìn)城市化水平的提高，同時(shí)還要堅(jiān)持走可持續(xù)發(fā)展道路，減少對(duì)環(huán)境的破壞。

4　基于NB-iot技術(shù)的硬件設(shè)計(jì)

4.1　單燈控制器

NB-iot技術(shù)擁有很多功能，針對(duì)于其在硬件設(shè)計(jì)的應(yīng)用從兩個(gè)方面進(jìn)行了分析，首先是NB-iot技術(shù)在單燈控制器中的應(yīng)用。NB-iot技術(shù)在單燈控制器中的應(yīng)用主要由MCU對(duì)電能量參數(shù)實(shí)時(shí)采集并進(jìn)行相應(yīng)的邏輯分析得到路燈的運(yùn)行狀況；然后通過系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行接受與分析，根據(jù)集中器的指令需求執(zhí)行開關(guān)燈控制或數(shù)據(jù)反饋；簡單的分析單燈控制器存在的問題，以及單燈的亮燈率，通過對(duì)單燈控制器的系統(tǒng)應(yīng)用分析，在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)可以更加注重單燈控制器的質(zhì)量與應(yīng)用效果。同時(shí)，方案中的STM32F0308C主控芯片，不僅成本低廉，還具有IAP遠(yuǎn)程FLASH升級(jí)的功能，在原有硬件電路不變的情況下可以對(duì)程序進(jìn)行升級(jí)，大大降低了優(yōu)化和維護(hù)的成本。

4.2　路燈集中器

NB-iot系統(tǒng)是一套全新的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及信息自集成軟件系統(tǒng)，可用多種方法建立三維城市路燈系統(tǒng)數(shù)字模型。應(yīng)用統(tǒng)一的城市路燈數(shù)字模型，在對(duì)城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)階段能夠?qū)崿F(xiàn)各專業(yè)之間的信息共享，從而可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)，降低專業(yè)間的協(xié)調(diào)成本，減少設(shè)計(jì)和制造中的修改工作量。因此在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)便可以結(jié)合設(shè)計(jì)進(jìn)行制造，既提高了經(jīng)濟(jì)效益，又降低了危險(xiǎn)發(fā)生。對(duì)于路燈集中器的設(shè)計(jì)，電路中采用高速32位嵌入式ARM9處理器芯片STM32F103，LoRa的SX1278超低耗遠(yuǎn)距離收發(fā)控制芯片，以及第一款NB-iot的BC95B8模塊。集中器同樣具有IAP遠(yuǎn)程升級(jí)功能，并使用Linux或uC/OS-II等嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，對(duì)工作站或監(jiān)控中心下發(fā)的指令進(jìn)行及時(shí)處理，在空閑時(shí)對(duì)其下屬的單燈控制器進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)輪詢以采集并保存歷史數(shù)據(jù)，如有告警事件應(yīng)及時(shí)向監(jiān)控中心主動(dòng)上報(bào)并記錄。

5　監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

二十一世紀(jì)是信息化時(shí)代，智能化已經(jīng)在很多行業(yè)的生產(chǎn)發(fā)展中得到應(yīng)用。在對(duì)城市路燈的設(shè)計(jì)中也要提高信息化、智能化技術(shù)的應(yīng)用，積極學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用，通過智能化技術(shù)在城市路燈設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，從而來降低城市路燈的控制和管理難度，減少人為誤操作，提高設(shè)備及城市路燈系統(tǒng)的安全。在城市路燈系統(tǒng)中，監(jiān)控中心是整個(gè)系統(tǒng)的核心技術(shù)，因此對(duì)于監(jiān)控中心軟件的設(shè)計(jì)必須重視起來。監(jiān)控中心軟件是智能路燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和使用人員交互的窗口，后臺(tái)軟件的設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析和管理的核心。對(duì)于核心軟件的設(shè)計(jì)必須要達(dá)到技術(shù)要求，同時(shí)也要注意其的安全性。另一方面，上位機(jī)平臺(tái)的界面簡潔、功能齊全、邏輯清晰，能降低相關(guān)人員的操作難度且易于管理和維護(hù)。

總結(jié)

由于我國的國情及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平顯著提高了對(duì)城市整體環(huán)境美觀的需求，面對(duì)城市路燈系統(tǒng)的改善問題以及其工序的繁瑣、制作周期長等，還需要不斷地利用信息化技術(shù)對(duì)其進(jìn)行技術(shù)更新。對(duì)于NB-iot技術(shù)在城市路燈監(jiān)控系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用，其設(shè)計(jì)應(yīng)首先要應(yīng)用最新技術(shù)，只有不斷的更新設(shè)計(jì)技術(shù)，才能發(fā)現(xiàn)原來設(shè)計(jì)中存在的缺點(diǎn)，或者是在實(shí)際應(yīng)用中存在的安全問題等。為了降低城市路燈系統(tǒng)應(yīng)用的成本，提高城市路燈在實(shí)際應(yīng)用中的安全性，節(jié)能高效性，就需要不斷的應(yīng)用新技術(shù)在城市路燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，國內(nèi)的一些小型企業(yè)和大中型企業(yè)就必須不斷提升自身的技術(shù)實(shí)力，不斷提升我國城市路燈設(shè)計(jì)水平。要想全面替代傳統(tǒng)的路燈系統(tǒng)方式，就必須加強(qiáng)最新技術(shù)在路燈系統(tǒng)中的應(yīng)用，真正發(fā)揮其具有的多種優(yōu)質(zhì)特性，推動(dòng)我國經(jīng)濟(jì)水平不斷提升。

[1]物聯(lián)網(wǎng)智庫.一幅漫畫告訴你:NB-IoT背后,還有一個(gè)大家都在說的LoRa是什么[EB/OL].http://mt.sohu.com/20160629/n457009229.shtml,2016-06-29.

[2]百度百科.NB-IoT[EB/OL]．http://baike.baidu.com/item/NB-IoT,2017-05-10.

[3]LPWAN產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟.從技術(shù)到應(yīng)用對(duì)比LoRa、NB-IoT,企業(yè)如何正確打開物聯(lián)網(wǎng)大門[EB/OL].http://www.ednchina.com/news/article/20170519LoRa,2017-05-19.

[4]鄧士偉.城市照明單燈監(jiān)控系統(tǒng)研究及應(yīng)用[J].機(jī)電信息,2017(24):59+61.

[5]周靜,王鵬展.淺析城市照明單燈監(jiān)控體系的建設(shè)與運(yùn)營[J].照明工程學(xué)報(bào),2017,28(02):117-120+132.