基于NB?IoT的路燈控制系統(tǒng)設計

吳超華 李云飛 嚴建峰

關鍵詞： NB?IoT; 一跳蜂窩網絡; 城市照明; 單控; 路燈控制系統(tǒng); 節(jié)能

中圖分類號： TN345?34; TP393 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2018）24?0005?05

Design of streetlight control system based on NB?IoT

WU Chaohua， LI Yunfei， YAN Jianfeng

（School of Computer Science and Technology， Soochow University， Suzhou 215006， China）

Abstract： A streetlight control system based on the NB?IoT technology is designed to achieve the purpose of intelligent streetlights and energy saving of urban lighting. In the system， the NB?IoT technology is used to realize the single control mode of streetlights based on the one?hop cellular network， so as to resolve the problems of inability to control a single streetlight， inability to control in time， and proneness to interference of the past communication technologies. Measurement of parameters like streetlight voltage， current， power， ambient light intensity and road traffic flow is completed. The real?time monitoring and control of the single streetlight can be realized by using the streetlight management software. The test results show that the system has a high stability and obvious energy?saving effect.

Keywords： NB?IoT; one?hop cellular network; urban lighting; single control; streetlight control system; energy saving

目前路燈行業(yè)存在能源費用高和運維費用高兩大痛點，且中國路燈總體數(shù)量巨大[1?2]，在路燈照明上還有較大的節(jié)能空間。在初期階段，城市照明方式多以人工控制和時間控制為主，存在管理難度大、安全系數(shù)低、工作量大、無信息反饋等缺點。后發(fā)展出三遙系統(tǒng)，具有自動化程度高、應變能力強、設施檢測等優(yōu)點，但是定位精度不高，故障判斷能力低。近些年，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，但是通信干擾較大，延遲較長，且易受天氣影響，對中繼網關的維護和施工成本較大。

在研究和分析已知路燈照明系統(tǒng)的基礎上，設計并實現(xiàn)了基于NB?IoT[3]的路燈控制系統(tǒng)，包括照明終端節(jié)點的軟硬件設計，系統(tǒng)組網設計和上位機端軟件設計。通過將LED[4]路燈作為光源，加上智能化的路燈控制方式，達到節(jié)能的目的。

1 ?系統(tǒng)總體方案設計

系統(tǒng)總體設計如圖1所示。系統(tǒng)通過NB?IoT網絡實現(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。系統(tǒng)采用的NB?IoT網絡是單跳蜂窩網絡，路燈節(jié)點直接與服務器通信;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。

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。

2 ?硬件設計

硬件劃分為三個模塊：

1） 傳感器模塊。用于檢測LED路燈的電壓、電流、環(huán)境光強度和車流量大小。

2） 無線通信模塊。用于路燈和服務器之間的通信。

3） 控制模塊。用于路燈的開關和路燈的亮度調節(jié)。

2.1 ?無線通信設計

采用NB?IoT單層網絡結構，路燈直接與服務器進行通信。NB?IoT與PLC、ZigBee、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）等短距離無線通信技術相比，具有廣覆蓋、低功耗、大連接和低成本四個優(yōu)勢。由于NB?IoT是基于長期演進（Long Term Evolution，LTE）的一個演進模式，可直接在現(xiàn)有運營商的基站上進行平滑升級，搭建NB?IoT網絡，節(jié)省了大量的人力物力，同時也降低了NB?IoT的成本。

2.1.1 ?通信芯片的選型及最小電路設計

通信芯片采用的是華為海思Boudica 120，支持3GPP Release 13標準協(xié)議;相比較于GPRS，有20 dB的信號強度增益，具有更廣的覆蓋;Boudica 120支持IP/UDP/CoAP三種協(xié)議。Boudica 120具有較高的集成度，內部集成了三個ARM內核，有著較強的處理能力，能夠很好地完成無線網絡的通信功能。采用極低功耗設計，能夠很好地滿足低功耗的設計需求。NB?IoT模組最小電路圖如圖2所示。

2.1.2 ?NB?IoT核心網組網方案設計

針對NB?IoT的海量設備接入、低速率小數(shù)據(jù)分組、超低功耗、廣覆蓋等業(yè)務特性，若采用現(xiàn)有演進分組核心（Evolved Packet Core，EPC）核心網將存在控制面效率低下、EPC大量功能冗余、不利于終端節(jié)電、不支持non?IP 數(shù)據(jù)類型等問題。為解決上述問題，3GPP針對NB?IoT核心網進行優(yōu)化，優(yōu)化后的EPC核心網架構如圖3所示。

NB?IoT 核心網[4]采用簡化網絡架構，將原EPC的MME，SGW，PGW中NB?IoT所需的功能單獨優(yōu)化出來組成一個新的網元，EPC原有的S11，S5/S8等接口全部變成網元內部交互，且可以復用已經產生的網絡附屬存儲（Network Attached Storage，NAS）設置安全連接，使得整體效率得到提升。

通過改造部分現(xiàn)網EPC核心網支持NB?IoT業(yè)務接入，負責全市的NB?IoT業(yè)務接入，以此實現(xiàn)對NB?IoT核心網的建設。這種建設方案的改造規(guī)模小，對現(xiàn)網業(yè)務影響范圍小，能夠縮短項目開發(fā)時間和成本。

2.2 ?路燈控制器設計

路燈控制器包括LED的驅動，燈光強度調節(jié)，路燈負載的開關控制，路燈的電壓、功率采集，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)?需滿足路燈的信息采集，數(shù)據(jù)的傳輸，路燈的狀態(tài)控制。

系統(tǒng)將NB?IoT無線通信模塊置于路燈控制器之內，使得路燈節(jié)點通過NB?IoT模塊直接與服務器進行通信，可以直接獲取服務器的控制命令，便于實現(xiàn)對LED路燈的實時遠程控制。使用電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）濾波電路[5]去除電網上的諧波，抑制浪涌的侵入，保證控制電路的正常工作。全橋式整流電路將220 V三相交流電轉換成脈動的直流電，后經濾波電容和電感，輸出直流電壓。然后經過有源功率因數(shù)校正（Active Power Factor Correction，APFC）電路提高電源的功率。

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，能夠減少控制板維持繼電器常開或者常關的能耗。LED的驅動方式使用恒流驅動，選用HV9910B芯片，能夠避免LED正向電壓的改變而引起的電流變動，通過脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）模塊和NB?IoT模塊，實現(xiàn)遠程對路燈的燈光調節(jié)。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，電源相電壓經過電阻限流后，經過微型電壓互感器將電壓信號轉換成電流信號，并加入電壓鉗位電路進行超高壓保護控制器不被電網的脈沖電壓等因素損壞。

使用光敏電阻實現(xiàn)對環(huán)境光強度采集，光敏電阻選用LXD3537，通過A/D口對光敏電阻兩端電壓進行采集，然后根據(jù)其伏安特性得出光照強度。

2.3 ?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10 m以上。由于傳感器的輸出信號比較微弱且雜波較多，需經過由濾波整形、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。

3 ?軟件設計

3.1 ?無線通信設計

NB?IoT網絡[7]由NB?IoT終端、NB?IoT基站、NB?IoT分組核心網、物聯(lián)網（Internet of Things，IoT）聯(lián)接管理平臺和服務器組成。通信模塊主要解決路燈節(jié)點和服務器之間的通信問題，由主控芯片Boudica 120實現(xiàn)路燈節(jié)點的通信和控制。路燈控制系統(tǒng)的通信流程如圖4所示。

NB?IoT模塊初始化也即其聯(lián)網過程，包括模塊上電、寫IMEI號、基站搜索、基站連接等。路燈節(jié)點采集到數(shù)據(jù)之后按照自定義編碼規(guī)則進行編碼，然后以AT命令的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送至NB?IoT模塊;而后NB?IoT將數(shù)據(jù)封裝成CoAP協(xié)議包發(fā)送至IoT平臺;IoT平臺收到數(shù)據(jù)后，進行CoAP協(xié)議包的解析，數(shù)據(jù)的存儲;服務器通過北向數(shù)據(jù)查詢接口獲取平臺上的數(shù)據(jù)。

3.2 ?車流量檢測系統(tǒng)設計

紅外熱釋電傳感器[8]以數(shù)字量的方式輸出脈沖串，經過一系列的整形放大之后送至單片機;不同種類的車輛經過道路時所產生的脈沖串不盡相同，經道路實地測試，記錄不同車型車速所產生的脈沖規(guī)律，通過對數(shù)據(jù)分析得知不同車型對應的脈沖規(guī)律。為避免干擾信號的影響，通過提高道路監(jiān)測靈敏度，使得每輛車經過傳感器探頭時產生至少兩個脈沖輸出數(shù)，用以區(qū)分干擾和實際車輛信號。

3.3 ?路燈控制模塊軟件設計

路燈控制模塊[9]用于路燈的開關控制、亮度調節(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，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)點上電后進行連網處理，入網后將本節(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)點在未能入網或掉網的情況下，會根據(jù)路燈控制模塊內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。

3.4 ?節(jié)能方案設計

按照當?shù)厝粘鋈章鋾r刻確定開燈時刻 To和關燈時刻 Tc，表1給出不同區(qū)域、不同時間段的初始照度值，因版面有限，只列舉三個區(qū)域。在亮燈期間，根據(jù)路段的實時車流量，在設定的初始照度值基礎上進行路燈亮度的調節(jié);因路燈的奇數(shù)開或偶數(shù)開（隔盞開）會影響司機的視覺，增大交通事故的發(fā)生率，故本系統(tǒng)不采用此方式作為節(jié)能方案，而是通過合理降低路燈的照度值來達到節(jié)能的目的。在路燈未能入網或掉網的情況下會根據(jù)環(huán)境光亮度進行路燈的開關，并根據(jù)車流量做調光處理。

3.5 ?應用層管理軟件設計

使用Java語言在IntelliJ IDEA平臺下編寫應用層管理軟件。該軟件包括4個模塊。

3.5.1 ?設施管理模塊

設施管理是城市照明管理最為基礎的一項內容，照明設施信息的不齊全或不準確都會給整個管理工作造成混亂。該模塊對路燈基本信息進行錄入及查看。路燈的基本信息包括光源的類型、功率，燈桿的桿高和桿距等規(guī)格信息以及每種規(guī)格的路燈的數(shù)量;同時還包括路燈的名稱、編號和經緯度信息等。

3.5.2 ?位置管理模塊

位置管理模塊是對設施管理的進一步深化，以管轄區(qū)域內不同道路為單位，統(tǒng)計每條道路上所布置的路燈的基本信息，并借助地理信息系統(tǒng)[10]（Geographic Information System，GIS）劃分和記錄每一桿路燈的編號和相對應的精確坐標信息，也可實現(xiàn)對單燈的直接控制，其界面如圖6所示。

3.5.3 ?運行管理模塊

通過對道路車流量以及路燈的電壓、電流、功率等信息采集，實現(xiàn)對每盞路燈工作狀態(tài)的實時監(jiān)控，能夠及時發(fā)現(xiàn)故障，提高路燈維護工作的及時性和準確性。

該模塊可實現(xiàn)對路燈的手動控制和智能控制，手動既可實現(xiàn)對單個路燈的開關或調光，也可實現(xiàn)單個區(qū)域的整體開關和調光。智能控制則是從節(jié)省能源的角度出發(fā)，對不同區(qū)域、不同時間、不同車流量制定節(jié)能控制方案，進行精確的燈光亮度控制，以達到節(jié)能的目的。

3.5.4 ?能耗管理模塊

通過對路燈的精確開關控制及合理照度調節(jié)，在保證城市道路照明功能和品質的基礎上，實現(xiàn)最低的能源消耗[11]。能耗管理界面如圖7所示。通過對能耗的分析對比，確定運維管理單位的實際管理情況，為運維管理單位提供數(shù)據(jù)支撐。

4 ?系統(tǒng)測試

應用層管理軟件以網頁形式訪問，軟件內嵌百度地圖，能夠實時展示路燈節(jié)點的位置及狀態(tài)信息，同時也可直接對路燈進行開關和調光控制。

在實際道路安裝NB?IoT路燈節(jié)點，利用電信的基站進行組網，每個路燈節(jié)點直接與服務器通信，保證了信號傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性。在管理軟件添加完路燈的基本信息之后，可通過GIS實時地顯示每個路燈節(jié)點的地理位置和運行狀態(tài)，并可以直接對單個路燈節(jié)點進行開關和調光處理。

經實際運行，每個NB?IoT路燈節(jié)點都能夠迅速組網并返回節(jié)點信息，在收到處理命令后能夠及時的處理，并且能夠及時地反饋報警信息，各個區(qū)域、時間段的路燈工作均正常，系統(tǒng)在長時間的運行后工作正常。通過近10個月的運行數(shù)據(jù)分析得知，本系統(tǒng)能夠達到30%左右的節(jié)能率。

5 ?結 ?論

本文以NB?IoT作為通信手段，能夠實現(xiàn)真正意義上的單燈控制，提高開、關燈的可靠性、及時性和可檢查性，為以后智慧城市的建設打好基礎;根據(jù)道路照度信息和車流量信息對路燈進行開關和調光，不僅能夠節(jié)能，還可延長照明設施的使用壽命。單燈控制還可監(jiān)測每個路燈的狀態(tài)，能夠及時發(fā)現(xiàn)路燈故障、斷路等問題，方便管理，提高了維護、維修的針對性和工作效率。經實際測試，應用層管理軟件功能完整，運行穩(wěn)定。

參考文獻

[1] 張立萍，柴萬東，孟散散.蟻群算法在智能LED路燈控制中的應用研究[J].光電子·激光，2017，28（6）：584?590.

ZHANG Liping， CHAI Wandong， MENG Sansan. Research on ant colony algorithm application in intelligent LED street light control [J]. Journal of optoelectronics·laser， 2017， 28（6）： 584?590.

[2] ELEJOSTE P， PERALLOS A， CHERTUDI A， et al. Easily deployable streetlight intelligent control system based on wireless communication [C]// Proceedings of 6th International Conference on Ubiquitous Computing and Ambient Intelligence. Berlin： Springer， 2012： 334?337.

[3] WANG Y P E， LIN X， ADHIKARY A， et al. A primer on 3GPP Narrowband Internet of Things （NB?IoT） [J]. IEEE communications magazine， 2016， 55（3）： 69?72.

[4] 肖韶榮，李曼.一種LED照明光源均勻度設計[J].應用光學，2015，36（4）：600?605.

XIAO Shaorong， LI Man. Design of uniform LED light source [J]. Journal of applied optics， 2015， 36（4）： 600?605.

[5] OH S M， SHIN J S. An efficient small data transmission scheme in the 3GPP NB?IoT system [J]. IEEE communications letters， 2017， 21（3）： 660?663.

[6] 劉素貞，李麗濱，蔡智超，等.電磁超聲檢測系統(tǒng)中消除電磁干擾電路的設計[J].電工技術學報，2016，31（1）：80?84.

LIU Suzhen， LI Libin， CAI Zhichao， et al. The design for electromagnetic interference eliminating circuits in electromagnetic ultrasonic testing systems [J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2016， 31（1）： 80?84.

[7] MILITANO L， ORSINO A， ARANITI G， et al. NB?IoT for D2D?enhanced content uploading with social trustworthiness in 5G systems [J]. Future Internet， 2017， 9（3）： 31?44.

[8] 易金橋，黃勇，廖紅華，等.熱釋電紅外傳感器及其在人員計數(shù)系統(tǒng)中的應用[J].紅外與激光工程，2015，44（4）：1186?1192.

YI Jinqiao， HUANG Yong， LIAO Honghua， et al. Pyroelectric infrared sensor and its application in people counting system [J]. Infrared and laser engineering， 2015， 44（4）： 1186?1192.

[9] 賀一鳴，王崇貴，劉進宇.智能路燈控制系統(tǒng)設計與應用研究[J].現(xiàn)代電子技術，2010，33（1）：207?210.

HE Yiming， WANG Chonggui， LIU Jinyu. Design and application of street lamp intelligent control system [J]. Modern electronics technique， 2010， 33（1）： 207?210.

[10] MILOSAVLJEVI? A， RAN?I? D， DIMITRIJEVI? A， et al. Integration of GIS and video surveillance [J]. International journal of geographical information science， 2016， 30（10）： 2089?2107.

[11] 劉三梅，程韜波，胡戰(zhàn)虎.基于GPRS/WEBGIS的路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設計，2008，29（1）：187?189.

LIU Sanmei， CHENG Taobo， HU Zhanhu. Design and implementation of road lamp economizing and supervising system based on GPRS/WEBGIS [J]. Computer engineering and design， 2008， 29（1）： 187?189.