基于NB-IoT的智慧照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王蓓 彭吉瓊 鄧國(guó)印

摘? 要：本文介紹了基于NB-IoT技術(shù)的智慧照明系統(tǒng)的架構(gòu)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)單燈的遠(yuǎn)程控制，說(shuō)明了傳感器模塊、通信模塊、路燈控制模塊、電力采集模塊的實(shí)現(xiàn)方法。系統(tǒng)通過(guò)軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)照明設(shè)施的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及節(jié)能管理，解決城市照明現(xiàn)存的不足和問(wèn)題。通過(guò)單燈管理改變路燈落后的養(yǎng)護(hù)方式，降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，提升城市照明管理水平，促進(jìn)城市照明節(jié)能減排。

關(guān)鍵詞：NB-IoT;單燈控制;智慧照明系統(tǒng);節(jié)能

中圖分類號(hào)：TM923.5;TN929.5? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）19-0194-03

Abstract：This paper introduces the architecture of intelligent lighting system based on NB-IoT technology，realizes the remote control of single lamp，and explains the implementation method of sensor module，communication module，street lamp control module and power acquisition module. The system solves the problems of urban lighting through real-time monitoring of software platforms and energy-saving management of lighting facilities. Through the single-lamp management to change the out-dated maintenance mode of street lamps，the system can reduce costs of operation and maintenance，improve the level of urban lighting management，and promote energy saving and emission reduction of urban lighting.

Keywords：NB-IoT;single control;intelligent lighting system;energy saving

0? 引? 言

在經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中，城市公共照明已不局限于道路功能照明，而是發(fā)展為表現(xiàn)城市景觀、展示城市形象的標(biāo)志。隨著現(xiàn)代化城市照明設(shè)施規(guī)模與日俱增，用電量節(jié)節(jié)攀升，社會(huì)各方對(duì)公共照明的要求和期望也水漲船高。目前國(guó)內(nèi)城市照明的現(xiàn)狀是監(jiān)控和管理相對(duì)簡(jiǎn)單、粗放，難以滿足現(xiàn)代化城市照明的要求，城市照明在管理和節(jié)能方面的水平都亟待提高。

1? 系統(tǒng)整體架構(gòu)

本智慧照明系統(tǒng)由云平臺(tái)、監(jiān)控中心、智能終端設(shè)備和NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）通信網(wǎng)絡(luò)等部分組成。通過(guò)對(duì)城市照明的點(diǎn)、線、面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)記錄照明設(shè)施的狀態(tài)信息及對(duì)能耗情況進(jìn)行分析，制定控制策略，基于城市照明的運(yùn)營(yíng)情況進(jìn)行節(jié)能管理。協(xié)助照明主管部門完善全市照明信息的統(tǒng)計(jì)，建立客觀的節(jié)能評(píng)價(jià)體系，提升對(duì)城市照明情況指導(dǎo)的針對(duì)性和科學(xué)性。NB-IoT基于運(yùn)營(yíng)商蜂窩網(wǎng)絡(luò)，通信穩(wěn)定。在此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下每個(gè)單燈控制器不需現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)關(guān)即可直接和監(jiān)控中心通信，減少通信環(huán)節(jié)，使網(wǎng)絡(luò)更簡(jiǎn)單、系統(tǒng)對(duì)單燈控制更靈活。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

2? 硬件設(shè)計(jì)

2.1? 傳感器模塊

該模塊主要包括光照度傳感器和車流量傳感器。光傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)所處環(huán)境光的數(shù)據(jù)，為照明策略提供數(shù)據(jù)，車流量傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)道路車流量的統(tǒng)計(jì)，為整個(gè)道路的照明需求做判斷依據(jù)。車流量傳感器通過(guò)RS-485協(xié)議與主控制器通信。

2.2? 通信模塊

此模塊實(shí)現(xiàn)路燈和監(jiān)控中心的通信，采用NB-IoT單層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有覆蓋廣、連接多、功耗低、成本低的優(yōu)點(diǎn)。芯片采用全網(wǎng)通移遠(yuǎn)的BC25，支持TCP（傳輸控制協(xié)議）和UDP（用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議），足以勝任路燈所需無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信功能。NB-IoT模塊通過(guò)串口與主控芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2.3? 路燈控制模塊

此模塊實(shí)現(xiàn)路燈通斷及亮度調(diào)節(jié)，包括負(fù)載通斷控制、路燈驅(qū)動(dòng)電路、路燈亮度調(diào)節(jié)等。路燈控制電路圖如圖2所示。路燈的開關(guān)控制和亮度控制分別由兩路電路完成，路燈的開關(guān)控制由繼電器完成，亮度調(diào)節(jié)由PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)控制。

2.4? 電力采集模塊

該模塊實(shí)現(xiàn)路燈實(shí)時(shí)電壓、電流等各種功率采集及數(shù)據(jù)傳輸。圖3為電力采集電路圖。采用ATT7053AU（單相電力采集芯片），可直接通過(guò)串口讀取到各種電力參數(shù)。

3? 軟件設(shè)計(jì)

3.1? 環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊

調(diào)光器的主控芯片通過(guò)I2C（串行總線）和光照度傳感器相連，可實(shí)時(shí)讀取環(huán)境光照強(qiáng)度，其步驟為：SendData （）通過(guò)I2C向傳感器發(fā)送命令然后設(shè)置其工作模式為H- resolution等，完成光照強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換后即可通過(guò)I2C讀取環(huán)境光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

3.2? 通信模塊

模塊的初始化包括加電、寫入IMEI號(hào)、搜索基站、連接基站等。節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)按通信協(xié)議進(jìn)行編碼發(fā)送給NB-IoT模塊，然后封裝成CoAP協(xié)議發(fā)送至平臺(tái)，平臺(tái)對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。通過(guò)數(shù)據(jù)查詢接口服務(wù)器可獲取平臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步操作。

3.3? 路燈控制模塊

該模塊把路燈節(jié)點(diǎn)信息發(fā)送至服務(wù)器，再對(duì)收到的命令進(jìn)行處理，若路燈處于離線狀態(tài)或未入網(wǎng)，則按控制模塊的RTC時(shí)鐘決定路燈的開關(guān)和亮度以保證照明。其流程如圖4所示。

3.4? 應(yīng)用層軟件

3.4.1? 照明設(shè)施資源管理

照明設(shè)施資源管理是單燈管理乃至照明智能監(jiān)控等應(yīng)用的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)燈桿、控制柜、變壓器等照明設(shè)施進(jìn)行編碼和定位，以GIS為基礎(chǔ)進(jìn)行可視化動(dòng)態(tài)管理，為設(shè)施的養(yǎng)護(hù)和維修提供依據(jù)，為照明能耗統(tǒng)計(jì)分析、城市照明監(jiān)控和節(jié)能管理提供數(shù)據(jù)依據(jù)。照明設(shè)施資源管理具有以下功能：

（1）電子地圖基本功能。采用主流電子地圖展示城市最新地貌、道路等信息。地圖基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可更新，有利于照明設(shè)施資源的入庫(kù)、管理和查詢。

（2）分層顯示功能。對(duì)不同路燈設(shè)施采用分層方式以更好進(jìn)行管理，按需要可將不同層（燈桿、基礎(chǔ)地理信息、變壓器等）進(jìn)行疊加，滿足不同層次的設(shè)施查看需求。

（3）設(shè)施信息管理。能對(duì)路燈設(shè)施提供詳細(xì)的檔案管理，可直觀顯示控制箱的接線圖、電氣設(shè)備拓?fù)潢P(guān)系、控制箱的控制范圍、單獨(dú)回路的控制設(shè)施及相關(guān)信息。

（4）照明設(shè)施定位及查詢。能對(duì)照明設(shè)施進(jìn)行準(zhǔn)確定位和查找，可按照所屬區(qū)域、創(chuàng)建時(shí)間、設(shè)備類型對(duì)設(shè)施信息進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)。

3.4.2? 照明智能監(jiān)控系統(tǒng)

完成照明設(shè)施運(yùn)行控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析，提供日常所需統(tǒng)計(jì)、查詢、分析，對(duì)路燈進(jìn)行智能化、集中化、自動(dòng)化監(jiān)控管理。

（1）遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。通過(guò)RTU（遠(yuǎn)程終端單元）按設(shè)定時(shí)間自動(dòng)獲取照明設(shè)施的運(yùn)行參數(shù)，可對(duì)控制箱總回路和分支回路的各電力參數(shù)進(jìn)行遙測(cè)。也可隨時(shí)手動(dòng)完成巡測(cè)。

（2）遠(yuǎn)程路燈控制?？筛鶕?jù)城市所處經(jīng)緯度計(jì)算不同季節(jié)的日照時(shí)間，得到全年開關(guān)燈時(shí)間數(shù)據(jù)，采用時(shí)控和光控結(jié)合方式自動(dòng)對(duì)整個(gè)城市進(jìn)行開關(guān)控制;也可手動(dòng)控制每盞燈的開關(guān)。

（3）遠(yuǎn)程抄表。遠(yuǎn)程監(jiān)控終端自身具備電能計(jì)量功能，可通過(guò)采集監(jiān)控終端的電能數(shù)據(jù)計(jì)算各種參數(shù)。系統(tǒng)具有自動(dòng)抄表機(jī)制，也可手動(dòng)抄表。

（4）控制方案：1）分組控制。按區(qū)域、路段分組。不同分組可編制不同控制方案。2）預(yù)案控制。為節(jié)假日提供預(yù)案管理可完成特殊亮燈要求，其他時(shí)間控制方案不受此影響。

（5）故障報(bào)警。若設(shè)備狀態(tài)異常（缺相、滅燈、控制箱門異常打開等）可永久保存并產(chǎn)生報(bào)警記錄，報(bào)警信息可通過(guò)多種方式（短信、郵件）告知用戶。

3.4.3? 單燈節(jié)能管理系統(tǒng)

（1）單燈狀態(tài)監(jiān)測(cè)。對(duì)每一盞路燈的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)在線巡測(cè)，也可手動(dòng)巡測(cè)。

（2）單燈節(jié)能控制。依據(jù)時(shí)間、天氣、車流等設(shè)定節(jié)能方案，實(shí)現(xiàn)關(guān)輔道燈、智能調(diào)光等節(jié)能控制。

（3）單燈節(jié)能管理及亮燈率統(tǒng)計(jì)。根據(jù)采集的電力數(shù)據(jù)，可精確統(tǒng)計(jì)指定區(qū)域的亮燈率。結(jié)合單燈節(jié)能控制方案綜合計(jì)算，按日、月、年生成節(jié)能報(bào)表，分析城市照明節(jié)能情況。

（4）單燈故障定位及管理。根據(jù)單燈運(yùn)行情況分析匯總，生成單燈故障報(bào)表，可在電子地圖上實(shí)現(xiàn)故障設(shè)施定位，可方便快速地確定地點(diǎn)，提高維護(hù)效率。

（5）系統(tǒng)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)分析。采用報(bào)表模式對(duì)每天的運(yùn)行情況進(jìn)行匯總分析，包括系統(tǒng)運(yùn)行總表和6張二級(jí)報(bào)表。

3.4.4? 移動(dòng)監(jiān)控

針對(duì)城市照明管理移動(dòng)辦公的需要，設(shè)計(jì)開發(fā)智慧照明移動(dòng)應(yīng)用，系統(tǒng)支持智能手機(jī)或平板通過(guò)3G、4G、Wi-Fi等實(shí)現(xiàn)移動(dòng)監(jiān)控功能，為管理人員及維護(hù)人員提供最大工作便利。

4? 結(jié)? 論

本系統(tǒng)采用NB-IoT通信方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)單燈的直接控制，提高了路燈維護(hù)效率，延長(zhǎng)了設(shè)施使用年限，降低了運(yùn)營(yíng)管理成本，為智慧城市的建設(shè)提供了良好的基礎(chǔ)。在全夜燈模式下，開關(guān)燈控制平均節(jié)電率可達(dá)32%，智能調(diào)光平均節(jié)電率可達(dá)40%。實(shí)現(xiàn)良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：王蓓（1980-），女，漢族，浙江海寧人，專任教師，講師，碩士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā);彭吉瓊（1987-），女，漢族，福建寧德人，專任教師，助教，學(xué)士學(xué)位，研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù);鄧國(guó)印（1980-），男，漢族，江西南豐人，專任教師，助教，學(xué)士學(xué)位，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。