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      基于NB-IoT技術的照明監(jiān)控系統(tǒng)

      2019-08-17 06:48:50儲昭兵劉凱凱
      關鍵詞:單燈調光框圖

      儲昭兵,劉凱凱

      (上海五零盛同信息科技有限公司,上海 200331)

      0 引言

      物聯(lián)網(wǎng)時代,城市道路照明的智能化管理需求逐步增強。20世紀90年代起,常州首先引進了智能化管理的三遙系統(tǒng),實現(xiàn)了以整條道路為單位的路燈遠程控制。進入21世紀后,隨著人們節(jié)能減排和綠色環(huán)保意識逐漸增強,道路照明對路燈的單燈化管理需求愈來愈強烈,需要對每盞燈進行開關、調光控制,搜集每盞燈的運行狀態(tài),以達到及時處理故障的目的。傳統(tǒng)單燈管理系統(tǒng)中,常見的通信方式主要有:電力線載波通信、ZigBee無線通信。其中電力線載波通信是以電力線路作為傳輸途徑,通過載波方式傳輸信號,具有通道可靠性較高、路由合理等特點[1-2]。但電力載波通信速率較低,導致故障主報的實時性等相對較差。ZigBee無線通信是一種近程無線網(wǎng)絡通信技術[3],它是2002年由ZigBee聯(lián)盟推動發(fā)展的,基于IEEE802.15.4標準,傳輸距離一般在100 m內。其通信速率在20~250 kb/s,相對較快,但其安裝不便、成本較高,天線安裝于燈桿內部通信較差,安裝于外部易被破壞,且其與WiFi、藍牙共用2.4 GHz公用頻段易受同頻干擾影響。

      近年來,NB-IoT作為物聯(lián)網(wǎng)通信的重要組成部分,愈來愈得到重視[4-5]。2017年6月,工信部發(fā)布《全面推進移動物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)建設發(fā)展的通知》[6-7],鼓勵各地因地制宜,結合城市管理和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求,拓展基于NB-IoT技術的新應用、新模式和新業(yè)態(tài),開展NB-IoT試點示范,并逐步擴大應用行業(yè)和領域范圍。路燈行業(yè)內,自2017年起,國內多個城市逐步試點NB通信設備[8],有的城市更是全城批量使用,潛在需求呈爆發(fā)趨勢。傳統(tǒng)路燈控制廠家、燈具廠家還有很多跨界廠家追逐熱點,進入NB單燈控制器領域。但由于技術背景不同,導致各廠家NB單燈控制器質量參差不齊,目前在路燈應用方面遇到的問題主要有以下幾個方面。

      (1)同時上線問題。路燈一般是白天斷電,晚上開燈時上電,晚上同一時間上電時,網(wǎng)絡堵塞,造成上線率低,且對運營商網(wǎng)絡也會造成沖擊。

      (2)通信問題。NB單燈控制器一般分為外置天線和內置天線兩種,當采用內置天線時,天線放置在電路板上,干擾大,設計不佳導致接收靈敏度性能差,將造成通信問題。

      本文設計了基于NB-IoT技術的照明監(jiān)控系統(tǒng),并針對以上問題給出了解決方案。

      1 系統(tǒng)設計

      基于NB-IoT技術的照明監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖如圖1所示,主要由主站軟件(NB物聯(lián)網(wǎng)平臺)、IoT平臺、NB單燈控制器組成,其中IoT平臺為三大運營商物聯(lián)網(wǎng)平臺。主站軟件(NB物聯(lián)網(wǎng)平臺)為用戶提供交互界面,與IoT平臺間進行數(shù)據(jù)轉換;NB單燈控制器為執(zhí)行設備,通過NB-IoT通信方式與運營商的IoT平臺進行數(shù)據(jù)交互,初上電時進行開機申請,與主站建立鏈接,響應用戶操作,實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、控制、調光等功能,檢測到故障時,進行主動報警,擁有調試接口,便于現(xiàn)場工程維護。

      圖1 基于NB-IoT的物聯(lián)網(wǎng)照明監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖

      2 NB單燈控制器設計

      NB單燈控制器組成框圖如圖2所示。采集控制器通過接入220 V交電流,實現(xiàn)對路燈的單點控制、監(jiān)測和調光。采用NB-IoT通信與運營商物聯(lián)網(wǎng)平臺直接通信,將采集到的路燈數(shù)據(jù)上傳給主站并執(zhí)行主站下發(fā)的命令。

      主要電路包括電源、采集、主控、控制、通信、調光6個部分。

      電源部分為電路其他部分的正常工作提供電源,主要可分為三個部分,第一路為電路提供電源,第二路為主控、控制、通信電路提供12 V和3.3 V電源,第三路為調光電路提供電源。

      采集部分主要對燈具的電壓、電流、功率等模擬量參數(shù)進行實時采集并與MCU進行數(shù)據(jù)交互。

      主控部分采用STM32F1XX系列芯片,實現(xiàn)對整個控制器各功能模塊部分的控制和數(shù)據(jù)處理。

      控制部分通過對繼電器進行開合操作實現(xiàn)對路燈的開關燈控制。

      圖2 單燈控制器組成框圖

      調光部分分為兩種方式:有源PWM波調光、0~10 V調光分別對應相應的電源實現(xiàn)調光功能。

      通信模塊使用NB-IoT通信模塊實現(xiàn)與主站通信,本設計采用BC28模組,它是一款超緊湊、高性能、低功耗的多頻段NB-IoT無線通信模塊,支持B1/B 3/B5/B8/B20/B28頻段。其尺寸僅為17.7 mm×15.8 mm ×2.0 mm,能最大限度地滿足終端設備對小尺寸模塊產(chǎn)品的需求。

      3 主站軟件設計

      主站軟件通過HTTPS與運營商平臺進行信息交互,主要由管理平臺、數(shù)據(jù)庫、NB對接服務組成。其中管理平臺主要負責報警推送、設備控制、數(shù)據(jù)查詢、電子地圖等功能,數(shù)據(jù)庫主要負責數(shù)據(jù)存儲功能,NB對接服務主要負責協(xié)議轉換、接收運營商平臺推送、命令轉發(fā)等功能。主站軟件可在電子地圖上顯示每盞路燈的位置,統(tǒng)計每盞路燈的開關、調光等運營狀態(tài),當有故障產(chǎn)生時,及時推送報警信息。同時建立運行日志數(shù)據(jù)庫,保存一個月運行數(shù)據(jù)。主站軟件組成框圖如圖3所示。

      圖3 主站軟件組成框圖

      4 關鍵性問題設計

      4.1 離散上線設計

      以電信為例,NB通信基站一般有3個扇區(qū),每個扇區(qū)最多可同時接收12臺設備的注冊信息。而每個扇區(qū)可覆蓋的區(qū)域內分布的路燈數(shù)量遠大于12臺,若單燈控制器上電時間不離散,當大量單燈控制器同時接入網(wǎng)絡時,將會對運營商網(wǎng)絡造成一定沖擊。故采用隨機數(shù)×離散間隔的方式,來區(qū)分不同單燈控制器的接入時間,具體方案如下:

      T=(A%x)×y

      (1)

      其中,T為單燈控制器初上電后,進行入網(wǎng)注冊的延遲時間;A為單燈控制器的地址,每個單燈控制器具有唯一地址;x為單燈控制器上電參數(shù),x設計為可配變量,NB下行12個子載波,x范圍為1~12,考慮一定余量,其初始值默認為10;y為單燈控制器上電參數(shù),y設計為可配變量,路燈行業(yè)實時性要求較高,按統(tǒng)一上電后300 s內主站軟件可檢測所有單燈控制器上線,按照可配置變量x默認為10分組后,y初始默認值為30 s。

      4.2 電路板關鍵設計

      NB設備根據(jù)天線位置可分為內置天線、外置天線兩種,一般NEMA接口結構使用內置天線,此種方式天線安放于電路板上,易受殼體內電磁環(huán)境影響,對電路板的傳導性能有了更高的要求。本設計采用NEMA接口內置天線設計,電路板設計原則如表1所示。

      表1 電路板設計注意事項

      5 測試結果及應用情況

      研制完成后,使用R&S?CMW500 無線綜測儀測試單燈控制器的傳導靈敏度,如圖4所示,參考信號功率(NRS EPRE)為-125.0 dBm時通信正常,整體性能優(yōu)異。

      批量生產(chǎn)后,安裝于現(xiàn)場試用,路燈斷電再上電后,主站軟件可在5 min內檢測到所有NB單燈控制器的運行數(shù)據(jù)。運行一段時間后,隨機查看數(shù)個控制器運行數(shù)據(jù),如圖5所示,通信效果優(yōu)異,可有效監(jiān)測燈具運行狀態(tài),整體系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

      圖4 傳導靈敏度測試結果

      圖5 NB單燈控制器運行數(shù)據(jù)

      6 結論

      本文基于NB-IoT技術的照明監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)了通過運營商的IoT平臺對路燈的運行狀態(tài)進行監(jiān)控,可實時查詢路燈的電壓、電流、功率、電量等模擬量數(shù)據(jù),可實時遠程控制路燈的開關、調光操作,燈具狀態(tài)異常時可實時進行故障報警。測試結果表明,NB單燈控制器上線及時、通信穩(wěn)定,整體系統(tǒng)能夠穩(wěn)定高效地實現(xiàn)上述功能。逐步推廣后,該系統(tǒng)可有效地助力城市照明的精細化管理,節(jié)約運營成本和管理成本,進而提高管理效率提升城市品牌形象[9]。

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