NB-IOT在道路照明智能控制系統(tǒng)中的應用研究

尹旭平，杜 望

（中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅蘭州730000）

1 引言

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，城市公共照明已經(jīng)成為城市現(xiàn)代化水平的重要標志之一，也是展現(xiàn)城市景觀、體現(xiàn)城市形象的重要途徑，城市照明設施規(guī)模日益增大，能源費用和運維費用節(jié)節(jié)攀升，社會各方對城市公共照明的要求和希望越來越高。然而，在長期的運營維護過程中，傳統(tǒng)的路燈監(jiān)控和管理方式相對簡單、粗放，服務質(zhì)量和節(jié)能水平有待提高，難以滿足現(xiàn)代化城市照明的需要，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①控制方式：手動、光控、鐘控等簡單控制方式易受季節(jié)、天氣等自然環(huán)境和人為因素影響；②參數(shù)遠程設置：無法遠程修改開關燈時間，不能根據(jù)實際情況（天氣突變，重大事件，節(jié)日）及時校時和修改開關燈時間，也無法進行路燈調(diào)光以實現(xiàn)二次節(jié)能；③狀態(tài)監(jiān)控：缺乏路燈狀態(tài)監(jiān)控，故障依據(jù)主要源于人工巡檢上報和市民投訴，不能實時、準確、全面地監(jiān)控全城的路燈運行狀況；④設備防盜：缺少防盜監(jiān)測，出現(xiàn)故障難以定位，無法準確發(fā)現(xiàn)電纜盜割、燈頭被盜和斷路等，不僅造成經(jīng)濟損失，同時影響市民的正常生活及安全出行。

近年物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息技術的廣泛應用，基于此，提出一種基于NB-IOT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）技術的智慧路燈系統(tǒng)，可智能、合理地運營城市道路照明體系，通過對系統(tǒng)內(nèi)每一盞路燈的管控、調(diào)光及監(jiān)測，可有效節(jié)省運維成本，增加經(jīng)濟效益，提高城市道路照明的管理效率，滿足智慧城市設施智能化、治理精細化的訴求。

2 照明智能控制系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

近些年，基于計算機技術、網(wǎng)絡技術、通信技術、控制技術等現(xiàn)代化科學技術的發(fā)展，為傳統(tǒng)的路燈管理方式找到了新的突破口，發(fā)展出了基于電力載波通信（Power Liner Carrier Communication，PLC），ZigBee等通信技術的“單燈控制系統(tǒng)”，實現(xiàn)了集中、遠程、智能控制與管理。

該系統(tǒng)采由由監(jiān)控中心、集中控制器和終端控制器（單燈控制器）構成三級邏輯層，通過兩級通信層進行連接（兩跳）。

集中控制器安裝在配電柜內(nèi)，終端控制器安裝在照明終端。集中控制器通過GPRS／4G無線網(wǎng)路或者光纖以太網(wǎng)與監(jiān)控中心進行通信，終端控制器采用電力載波通信方式／ZigBee短距無線通信方式與集中控制器進行通信。集中控制器通過接收、執(zhí)行、轉(zhuǎn)發(fā)上位機管理軟件的命令，對每個終端控制器進行控制，達到控制每盞路燈的亮滅及調(diào)光，節(jié)約電能。同時集中控制器通過內(nèi)置的DO輸出端口在配電箱內(nèi)可實現(xiàn)對路燈整條回路的控制，查詢每個終端控制器的信息，通過模擬量、數(shù)字量的DI輸入端口，可以外接其他設備采集現(xiàn)場的光照、溫度等其他信息，反饋到上位機管理軟件，實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)控?！皟商笔秸彰髦悄芸刂葡到y(tǒng)架構圖如圖1所示：

圖1 “兩跳”式照明智能控制系統(tǒng)架構圖

目前在城市公共照明單燈智能化監(jiān)控領域，電纜線載波通信是底層通信技術的主流方向，在實際應用中約占90%的比例；ZigBee技術也有一定應用，約占10%的市場份額；但是這種方式方式需要部署大量網(wǎng)關控制路燈，對中繼網(wǎng)關的維護和施工成本高，組網(wǎng)難度高，操作管理麻煩，且易受干擾，可靠性無法保障。通信干擾較大，延遲較長，且易受天氣影響，對中繼網(wǎng)關的維護和施工成本較大。

3 基于NB-IOT的照明智能控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)架構

基于NB-IoT技術的道路照明智能控制系統(tǒng)總共分為四層，由監(jiān)控中心、NB-IoT網(wǎng)絡通信系統(tǒng)（含NB-IoT網(wǎng)絡和IoT平臺）和終端控制器組成，如圖2所示。

系統(tǒng)通過NB-IoT網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)和命令的遠程傳輸，達到對路燈的實時遠程監(jiān)控。路燈節(jié)點直接與服務器通信，達到“一跳”式通信，遠程監(jiān)控中心可以直接與單個路燈進行通信，實現(xiàn)真正的單燈控制。

圖2 NB-IOT智能控制系統(tǒng)框架圖

終端層：終端設備是是物聯(lián)網(wǎng)的基礎載體，集成NB-IoT標準模組來實現(xiàn)通訊能力，各終端由原有的啞終端逐步向智能終端演進，通過增加各種傳感器、通訊模塊使得終端可以控制每盞路燈的開、關以及采集路燈信息，并通過NB-IoT模組與無線網(wǎng)絡通信。

網(wǎng)絡層：網(wǎng)絡是整個物聯(lián)網(wǎng)的通訊基礎，提供上下行通信網(wǎng)絡，用于數(shù)據(jù)上報與應答以及配置參數(shù)與軟件版本下發(fā)。

平臺層：擁有豐富的協(xié)議適配能力，支持海量多樣化終端設備接入，基于統(tǒng)一規(guī)約和接口，實現(xiàn)不同類型終端設備及不同應用平臺的統(tǒng)一接入和管理，以確?；ヂ?lián)互通。

應用層：是物聯(lián)網(wǎng)中人直接感知的最上層，以統(tǒng)一界面進行資源管理、集中監(jiān)控、單燈節(jié)能；可以在應用側(cè)進行路燈的控制，查看路燈的狀態(tài)，進行路燈軟件升級等，還可在手機端安裝管理軟件，實現(xiàn)隨時隨地的信息監(jiān)測與管理操控。

系統(tǒng)可實現(xiàn)兩種控制方式：人工控制、智能控制。其中人工控制分為人工現(xiàn)場控制和人工遠程控制：前者適用于突發(fā)狀況；后者則是通過監(jiān)控平臺對路燈進行遠程控制。智能控制則是根據(jù)道路的真實照明需求，包括道路的車流量和環(huán)境光亮度等，進行智能照明。

3.2 NB-IOT 技術簡介

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）即基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)，主要應用在小數(shù)據(jù)量、低速率的物聯(lián)網(wǎng)應用場景，是實現(xiàn)萬物互聯(lián)的突破性技術。

傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)通信技術根據(jù)通信距離的長短分為兩大類：第一類是如GPRS、3G／4G等長距離的通信方式；另一類則是如zigBee、藍牙、wiFi等短距離通信方式，適用于智能家居、工業(yè)數(shù)據(jù)采集等局域網(wǎng)通信場合。長距離通信方式具有通信距離遠、速率高等優(yōu)勢，但如3G／4G傳輸方式的功耗較大，流量成本比較高，不適合非實時通信的情景忙；目前，短距離的通信方式具有低成本、低功耗等優(yōu)勢，但當應用到中長距離時就需要部署中繼節(jié)點，因此導致網(wǎng)絡拓撲復雜、穩(wěn)定性差。

針對現(xiàn)有的通信傳輸技術中存在的傳輸距離與能耗之間的矛盾，近幾年產(chǎn)生的低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area，LPWA）技術正好解決了這一矛盾問題。LPWA技術是面向物聯(lián)網(wǎng)中遠距離和低功耗通信需求的通信技術，具有廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接的特點。LPWA又可分為兩類：一類是工作于未授權頻譜的LoRa、SigFox等技術；另一類是工作于授權頻譜下，如LTEeMTC、NB-IoT等。NB-IoT是運營商主流技術選擇。各技術參數(shù)對比如表1所示：

表1 LPWA物聯(lián)網(wǎng)技術參數(shù)比較

3.3 NB-IOT 技術特點

NB-IoT構建于蜂窩網(wǎng)絡，只消耗大約180kHz的帶寬，其主要包括以下特點：

廣覆蓋：NB-IoT部署于運行商通信頻段，比現(xiàn)有的GSM／LTE網(wǎng)絡增益20dB，信號穿透能力更強，覆蓋范圍更大，網(wǎng)絡質(zhì)量更穩(wěn)定，同時還能都提供完善的室內(nèi)信號覆蓋服務。

低功耗：主要采用PSM和eDRX這兩種省電技術，其核心是在網(wǎng)絡側(cè)和終端側(cè)建立一套溝通機制，使終端周期性的進入休眠態(tài)和激活態(tài)，休眠狀態(tài)下終端不再收發(fā)信號，從而達到省電的目的。低功耗模式下的NB-IoT設備續(xù)航可達兩三年，甚至可以達到十年。

低成本：較低的模塊成本，低速率、低功耗、低帶寬使得終端復雜度降低，便于實現(xiàn)終端低成本，單個接連模塊的成本預估可控制在5美金以內(nèi)，甚至更低。同時，NB-IoT基于蜂窩網(wǎng)絡，可直接部署于現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡，運營商部署成本也比較低。

大連接：具備支持海量連接的能力。在同一基站下，NB-IoT比現(xiàn)有的無線技術提供超過50-100倍的接入數(shù)，單個扇區(qū)能夠支持10萬個連接，滿足了萬物互聯(lián)時代海量設備的接入要求。

3.4 部署方式

現(xiàn)階段的NB-IoT主要支持FDD傳輸模式，系統(tǒng)帶寬為200kHz，傳輸寬帶為180kHz，對于運營商來說，NB-IoT支持三種網(wǎng)絡部署模式如圖3，即保護帶（Guard-Band）內(nèi)部署、獨立（Standalone）部署、LTE帶內(nèi)（In-Band）部署。

保護帶部署是將NB-IoT網(wǎng)絡部署在LTE頻譜邊緣的保護頻段，使用較弱的信號強度，可以最大化地利用頻譜資源。

獨立部署是將NB-IoT網(wǎng)絡部署在傳統(tǒng)的2G頻譜或其他離散頻譜，利用現(xiàn)網(wǎng)的空閑頻譜或新的頻譜，不與現(xiàn)網(wǎng)LTE網(wǎng)絡形成干擾。

帶內(nèi)部署是將NB-IoT網(wǎng)絡部署在LTE帶內(nèi)的一個PRB資源，作為NB-IoT的工作載波，通常選擇在低頻段上（如700MHz、800MHz、900MHz等）。

圖3 NB-IOT部署方式

圖4 NB-IoT終端節(jié)點硬件架構

三種運行模式的設計具有一致性原則，但保護帶部署和帶內(nèi)部署需要特別考慮對LTE系統(tǒng)的兼容性，如干擾規(guī)避、射頻指標等。其中保護帶部署沒有占用頻譜資源，不過由于設備具有復雜性，射頻指標最嚴格，系統(tǒng)性能與LTE帶內(nèi)部署模式比較類似，所以產(chǎn)業(yè)發(fā)展進程呈現(xiàn)緩慢的態(tài)勢，現(xiàn)階段只有少數(shù)個別設備與終端芯片廠商支持；獨立部署方式和其他方式相比配置的限制比較少，并且覆蓋的能力較大，具有較優(yōu)的下行性能，在下行覆蓋受限中，獨立部署覆蓋能力比保護帶部署方式要高。

4 NB-IoT終端硬件設計方案

4.1 NB-IoT終端硬件架構設計

NB-IoT終端控制器作為智慧路燈系統(tǒng)的終端節(jié)點，不僅可以采集與路燈運行相關的信息并發(fā)送給遠端管理平臺，還可以接收來自管理平臺的各種操作指令，對單個路燈進行開關控制以及燈光亮度調(diào)節(jié)。標準的NB-IoT終端控制器主要由MCU（微控制器）、NB-IoT模塊、電源模塊、各類傳感器模塊、輸出控制模塊組成，如圖4所示。

圖4中，MCU微控制器是終端主控芯片，主要接收各個模塊發(fā)送的信息，根據(jù)信息的情況判斷模塊的工作狀態(tài)，并發(fā)出相應的控制命令。電壓／電流、光強、車流量等傳感器可實時采集得到電壓／電流、光照強度、交通量等數(shù)據(jù)傳送給MCU，MCU通過UART（串口）通信方式將數(shù)據(jù)傳輸至NBIoT通信模組，然后通過NBIoT網(wǎng)絡傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，且MCU的PWM管腳與led路燈組件的恒流驅(qū)動的調(diào)光引腳連接。同時，其通過NB-IoT通信模組接收監(jiān)控中心下發(fā)的指令，監(jiān)控道路路燈的運行狀態(tài)，并對LED路燈進行調(diào)光。每一個路燈終端擁有唯一的通用身份識別模塊（SIM卡），監(jiān)控中心可以識別每一盞路燈，進而實現(xiàn)單燈控制。

圖5 MCU電路圖

電源模塊采用AC／DC開光電源將220V交流電轉(zhuǎn)換為5V直流電，并利用LT1963-3.3芯片將電壓降至3.3V，給系統(tǒng)內(nèi)部供電。

4.2 MCU（微控制器）選型

根據(jù)路燈控制系統(tǒng)的設計要求，要實現(xiàn)的功能要求以及開發(fā)成本等因素，MCU選用STM32L471作為主控芯片，具有低功耗、高性能的特點，工作電壓 3.3V。

STM32L4系列的微控制器采用新型結構制造，具有高度靈活性和高級外設集，實現(xiàn)了超低功耗性能。STM32L471器件基于ARM?Cortex?-M4，具有FPU內(nèi)核。工作頻率可達80MHz，實現(xiàn)了在80MHz頻率下具有100DMIPS的性能。

4.3 NB-IOT 模塊硬件設計

NB-IOT無線通信模塊是由移遠公司的BC95-B8通信模組（基于800MHz頻段的電信NB-IoT網(wǎng)絡），以及SIM卡座、濾波天線、復位電路組成，由電源模塊供電。

圖6 NB-IOT通信模塊電路圖

BC95-B8是一款高性能、低功耗的NB-IoT無線通信模塊。其尺寸僅為 23.6mmx19.9mmx2.2mm，能最大限度地滿足終端設備對小尺寸模塊產(chǎn)品的需求，該芯片內(nèi)嵌網(wǎng)絡服務協(xié)議棧，通過AT命令進行控制，硬件通信端口為UART?？梢怨ぷ髟?40℃到+85℃的環(huán)境下，適合路燈部署環(huán)境，具有超低功耗、高靈敏度、可靠性高。模塊的SIM卡采用中國電信的物聯(lián)網(wǎng)終端專用卡。

本模塊將來自MCU的路燈實時狀態(tài)、光照強度以及故障狀態(tài)通過GSM網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送給IOT平臺，并接收用戶通過GSM網(wǎng)絡發(fā)送來的控制命令。NB-IOT無線通信模塊設計原理圖如圖6所示。

4.4 電源模塊設計

電源模塊采用全橋式整流電路將220V三相交流電轉(zhuǎn)換成脈動的直流電，后經(jīng)濾波電容和穩(wěn)壓電路，輸出5V直流電壓。由于STM32L4和BC95B8的輸入電壓選用的是3.3V，5V電源難以直接對其進行供電，因此采用LT1963-3.3芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V工作電壓。

LT1963-3.3是針對快速瞬態(tài)響應優(yōu)化的低壓差穩(wěn)壓器，靜態(tài)電流為1mA，關斷時降至＜1μA。除了快速瞬態(tài)響應外，LT1963穩(wěn)壓器具有非常低的輸出噪聲。

4.5 傳感器模塊選型

4.4.1 電壓／電流模塊

路燈的電流電壓采集通過計量芯片RN8302實現(xiàn)，使用4只精密電流互感器轉(zhuǎn)換電流信號，對于不同種類的路燈規(guī)格采用不同電流變換比例的電流互感器。采用3只微型電壓互感器來隔離交流電壓，電源相電壓經(jīng)過電阻限流后，經(jīng)過微型電壓互感器將電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號，并加入電壓鉗位電路進行超高壓保護控制器不被電網(wǎng)的脈沖電壓等因素損壞。

4.4.2 光強傳感器模塊

光照傳感器模塊主要負責采集外界的光照強度信號，微控制器根據(jù)接收到的光強信號控制路燈的亮度。采用BH1750芯片組成電路。該芯片工作電壓為3.3V，消耗功率極低，內(nèi)置了16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有優(yōu)良光譜靈敏度特性，可對光照強度進行高精度測定，實現(xiàn)數(shù)字化輸出。

4.4.3 車流量檢測硬件設計

選擇熱釋電紅外傳感器P2288實現(xiàn)對道路車流量的檢測[6]。由于P2288本身無法滿足一個條狀探測范圍的要求，需在傳感器前面加裝菲涅爾透鏡，達到聚焦和限定測量范圍的作用，使得P2288的檢測范圍達到10m以上。由于傳感器的輸出信號比較微弱且雜波較多，需經(jīng)過由濾波整形、兩級放大、電壓比較等部分組成的信號檢測放大電路進行濾波放大。兩級放大電路采用LM324集成運算放大芯片，可將傳感器的輸出信號放大100～150倍，放大后的信號進入電壓比較器并經(jīng)窗口比較器處理，最后進入單片機進行波形的分析和計數(shù)，實現(xiàn)對車流量的統(tǒng)計。

4.6 輸出控制模塊

路燈負載的開關控制通過繼電器實現(xiàn)，選用雙穩(wěn)態(tài)繼電器JE7，減少控制板維持繼電器常開或者常關的能耗。

市電經(jīng)LED恒流驅(qū)動給led路燈供電，MCU的PWM管腳連接led恒流驅(qū)動的調(diào)光引腳，通過監(jiān)控中心下發(fā)的命令進行調(diào)光控制。

5 軟件設計

路燈控制模塊用于路燈的開關控制、亮度調(diào)節(jié)、道路環(huán)境光強度采集。軟件設計主要包括NB？IoT模塊聯(lián)網(wǎng)，對指令的處理和自啟動工作設計。路燈節(jié)點的程序流程圖如圖5所示，路燈節(jié)點上電后進行連網(wǎng)處理，入網(wǎng)后將本節(jié)點信息發(fā)送至服務器，節(jié)點在接收到服務器的指令后進行相應處理；節(jié)點在未能入網(wǎng)或掉網(wǎng)的情況下，會根據(jù)路燈控制模塊內(nèi)部的實時時鐘進行開關燈處理，保證路燈的正常使用，同時服務器進行報警處理，方便及時進行維修處理。

圖7 路燈節(jié)點程序流程圖

6 應用前景分析

隨著智能城市、大數(shù)據(jù)時代的來臨，無線通信將實現(xiàn)萬物連接。移動通信正在從人和人的連接，向人與物以及物與物的連接邁進，萬物互聯(lián)是必然趨勢。對于NB-IoT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中國移動、中國聯(lián)通、中國電信三大運營商皆就NB-IOT發(fā)布了各自的發(fā)展計劃。同時，工信部也發(fā)文《關于全面推進移動物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）建設發(fā)展的通知》工信廳通信函[2017]351號，要求加快NB-IoT在國內(nèi)落地，到2017年末建成基站規(guī)模40萬個，到2020年建成基站規(guī)模150萬個。中國NB-IoT產(chǎn)業(yè)加速布局，將是全球NB-IoT產(chǎn)業(yè)領跑者。目前在上海、廣州、江門、鷹潭、長沙落地了NBIoT智慧路燈項目，實現(xiàn)了到處開花、處處結果。

7 結束語

城市智慧照明是智慧能源的開端，以NB-IoT新一代通信技術為支撐，實現(xiàn)整個城市一張網(wǎng)，對城市道路每盞燈實現(xiàn)全面的感知、智能的控制、廣泛的交互和深度的融合，在滿足市民正常照明需求的前提下，通過智能調(diào)光、降功率、按需開關燈等管理方式，減少過度照明，電能節(jié)約率可達20%，真正實現(xiàn)節(jié)能減排，減少對大氣的污染，建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會。同時通過對城市照明設施實現(xiàn)精細化管理，通過對城市道路每個燈具的運行狀態(tài)進行準確分析和故障報警，并根據(jù)故障等級啟動相應的處置流程，將被動巡檢改為定點維護，反應更加敏捷處置效率更高，將使城市的燈光管理水平與現(xiàn)代化的大都市相適應，提高亮燈率，減少各種故障，合理照明，美化照明，安全照明，營造出現(xiàn)代城市科學和藝術完美結合的照明效果，樹立和提升城市的品牌形象。