基于NB-IoT技術的智慧照明管理系統(tǒng)在城市中的應用

陳恩銘 汪慶 鄭其存

【摘?要】在智慧城市的建設浪潮中，“互聯(lián)網(wǎng)+交通”處于排頭兵位置，然而，沒有數(shù)據(jù)之間的互相打通融合，形成了局域網(wǎng)孤島?；贜B-IoT技術的智慧照明系統(tǒng)就是大數(shù)據(jù)應用和傳統(tǒng)的太陽能LED路燈相結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)物。利用以計算機技術、通信技術和傳感技術等新興技術為主要特點的物聯(lián)網(wǎng)技術和大數(shù)據(jù)應用來解決城市道路照明管理問題。具有智慧照明、節(jié)能環(huán)保、技術創(chuàng)新、大數(shù)據(jù)控制的優(yōu)點。為未來智慧城市的建設起積極作用。

【關鍵詞】NB-IoT;智慧照明;互聯(lián)網(wǎng)+交通

Application of Intelligent Lighting Management System Based on NB-IoT Technology in Urban Areas

Chen En-ming，Wang Qing，Zheng Qi-cun

（Hunan University?Changsha?Hunan?410012）

【Abstract】In the wave of construction of smart cities， "Internet + traffic" is in the position of the vanguard. However， there is no data to open up and merge with each other， forming a local island of LAN. The intelligent lighting system based on NB-IoT technology is the Internet of Things product of big data application and traditional solar LED street light. IoT technology and big data applications， which are characterized by emerging technologies such as computer technology， communication technology and sensing technology， solve urban road lighting management problems. With the advantages of intelligent lighting， energy saving and environmental protection， technological innovation， and big data control. It will play a positive role in the construction of a smart city in the future.

【Key words】NB-IoT;Smart lighting;Internet + traffic

1. 城市照明現(xiàn)狀

（1）路燈照明是體現(xiàn)地區(qū)發(fā)展程度的窗口，良好的城市照明能帶來巨大的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。不管是路燈照明還是景觀照明都能讓這個城市的面貌煥然一新。

（2）但對于城市經(jīng)濟高速發(fā)展的今天，基建日新月異，公共照明系統(tǒng)建設規(guī)模不斷擴大，時控及簡單的遠程控制手段已經(jīng)無法滿足需求。照明設備缺乏有效的管理手段的問題越來越突出，由此帶來的照明設備過度照明、白天亮燈、早亮燈、晚熄燈等電力浪費愈來愈嚴重。為了做到科學照明、綠色照明、節(jié)約能源、減低能耗，建立優(yōu)質(zhì)高效、生態(tài)環(huán)保的城市照明環(huán)境，確保城市照明節(jié)能減排任務全面完成，實施照明智能化、節(jié)能化建設已迫在眉睫。

2. 智慧照明管理系統(tǒng)簡介

智慧照明，是通過應用新一代信息技術（internet/intarnet、物聯(lián)網(wǎng)、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）、4G/4G）和無線GPRS/CDMA通信技術等，實現(xiàn)對照明燈具的遠程集中控制與管理，具有根據(jù)車/人流量自動調(diào)節(jié)亮度、遠程照明控制、故障主動報警、燈具線纜防盜、遠程抄表等功能，能夠大幅節(jié)省電力資源，提升照明管理水平，節(jié)省運維成本的一種新興照明管理模式。

3. 智慧照明系統(tǒng)的優(yōu)點

（1）智慧照明。本作品是基于能夠在連續(xù)陰雨天作業(yè)的太陽能路燈控制器的智能照明系統(tǒng)，屬太陽能能源控制技術。該系統(tǒng)能夠智能調(diào)節(jié)輸出功率，利用智能感應技術達到陰雨天、霧霾天增強亮度的功能。在夜晚可以感應車輛和行人通過來判斷是否照明，從而達到夜間節(jié)能的作用。

（2）節(jié)能環(huán)保。采用光控+時控模式，利用太陽能板提供電源，并通過太陽能電壓判斷白天和晚上再結(jié)合時段控制以達到精確控制。利用光能來提供照明，并通過光照強度的調(diào)節(jié)來達到節(jié)能環(huán)保。

（3）技術創(chuàng)新。本系統(tǒng)采用發(fā)明專利的能夠在連續(xù)陰雨天作業(yè)的太陽能路燈控制器。它能夠智能調(diào)節(jié)輸出功率，且增強了抗陰雨天數(shù)。硬件部分防短接反接的方案，起到了防反接，防雷擊、精確電壓采樣的作用。軟件部分采用了多項自主研發(fā)的算法，解決了充電過程中的發(fā)燙問題，提高了充電效率，延長了控制器和蓄電池的使用壽命。

（4）大數(shù)據(jù)應用。利用大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)應用，通過LED路燈智慧照明系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集可以精確的采集路燈故障問題，從而降低維修成本。還可以利用車輛通行數(shù)據(jù)來達到智能調(diào)節(jié)光照強度，并可以利用數(shù)據(jù)與紅綠燈系統(tǒng)聯(lián)動從而起到交通調(diào)節(jié)的作用。

4. 智慧照明系統(tǒng)構成和功能

4.1?基本組成和工作方式：

智慧照明分為四層架構：云處理中心，通訊層，感知層，控制執(zhí)行層。圖1為系統(tǒng)架構圖。

（1）監(jiān)控中心：建立基礎GIS和基礎數(shù)據(jù)庫;接受和歸檔來自遠程的路燈工作狀態(tài)數(shù)據(jù);方便快捷生成各種管理報表;提供豐富的智慧控制策略實現(xiàn)“按需照明”;通過電腦、手機或平板電腦遠程遙控和巡視。

（2）通訊層：采用4G無線網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng)，將道路智慧照明控制系統(tǒng)的監(jiān)控中心、控制裝置RTU和路燈控制器聯(lián)系在一起。通訊層是遙感、遙測、遙控的基礎，是高效可靠的信息通道。

（3）感知層：感知道路實時路況、環(huán)境信息智慧，及時反饋信息給云處理中心。

（4）控制執(zhí)行層：采用微控制技術、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）通訊技術實現(xiàn)道路控制點的自動采集、智能控制和道路單燈調(diào)光控制（系統(tǒng)架構圖見圖1）。

4.2?主要硬件和功能。

4.2.1?集中控制器。

集中控制器做為控制的中繼部分，接收監(jiān)控中心指令，控制單雙燈及節(jié)點工作方式，采集信息發(fā)送到監(jiān)控中心。

（1）保護功能：具備有防止雷擊、強脈沖干擾等自我保護功能，同時具有內(nèi)部參數(shù)保護功能，保證設備運行的可靠性和穩(wěn)定性。

（2）終端數(shù)量：每個主控器可控制不小于800桿數(shù)量的雙燈頭路燈。

（3）斷電保護：能夠在供電線路斷電時，自動切換至備用電池供電，并及時告警，第一時間相關人員搶修，并系統(tǒng)能夠保存斷電時間段的相關數(shù)據(jù)。

4.2.2?單雙燈控制器。

單雙燈控制器為智慧照明控制系統(tǒng)終端設備，接收集中控制器及節(jié)點控制器指令，控制路燈工作方式，反饋路燈數(shù)據(jù)信息到集中控制器。

（1）控制方式：對一個燈桿上的兩個燈頭分別進行開/關控制、檢測，并將數(shù)據(jù)傳回，故障主動報警。

（2）在線狀態(tài)：路燈運行時，始終在線，非運行狀態(tài)時，可在監(jiān)控中心或通過手持檢修設備操作，使線路帶電，從而讓設備在線，方便檢修。

（3）自動報警：燈具燈泡損壞故障報警、燈具功率因數(shù)異常報警、開關燈異常故障報警、保險絲斷開故障報警、單燈供電故障報警。

（4）自主運行能力：在無人值守的情況下，當三遙控制器出現(xiàn)意外而無法與中心正常通訊時，單燈仍能按照預置的開關燈時間以及模式轉(zhuǎn)換時間可穩(wěn)定地執(zhí)行開關燈和模式轉(zhuǎn)換操作。

4.2.3?節(jié)點控制器。

節(jié)點控制器接收傳感器采集的采集車流量信息，控制單雙燈控制器進行工作。

（1）控制方式：與附近燈桿上的控制器分組組網(wǎng)，對應控制器的數(shù)量可選擇。

（2）自動照度控制：在檢測到附近有人員活動時，自動的按照設定的照度，控制關聯(lián)的單燈控制器進行功率調(diào)節(jié)，以提高路面的照度。

（3）在人員離開該區(qū)域后n分鐘后（時間可設置），照度自動恢復到原來的級別，以節(jié)約能耗。

4.2.4?傳感器網(wǎng)絡模板。

本模塊旨在解決常規(guī)路燈在各種條件下無法達到人們預期工作效果，通過多功能的傳感器實現(xiàn)對溫度、光照、煙霧、濕度準確的捕捉，達到在各種條件下的智能工作。通過GPS全球定位，實現(xiàn)突發(fā)事件的高效準確定位。通過云端可以將采集的數(shù)據(jù)進行分析統(tǒng)計，實現(xiàn)精細化管理以及節(jié)約資源，低碳環(huán)保的功能。其主要由人車檢測傳感器、人車檢測傳感器、雨水傳感器、能見度傳感器等四大傳感器組成。

4.3?軟件系統(tǒng)和功能。

4.3.1?監(jiān)控中心建設。

監(jiān)控中心是整個系統(tǒng)運行的核心部分，由工作站、服務器、路由交換設備、辦公設備等構成。服務器通過無線網(wǎng)絡（公網(wǎng)）將各個點的狀況采集上來。檢測中心計算機可以及時檢測并報告所有在測得監(jiān)控終端的工作狀況，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的記錄和管理，進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計。發(fā)現(xiàn)異?？梢约皶r將故障定位，同時將現(xiàn)狀報告給相關人員，管理人員可以隨時隨地主動查詢監(jiān)控終端的運行信息。

4.3.2?系統(tǒng)功能。

（1）主控、單燈監(jiān)控軟件一體化運行。

（2）數(shù)據(jù)存儲。

（3）數(shù)據(jù)采集。

（4）報警處理。

（5）短信和智能手機push報警分組管理。

（6）故障報表自動生成。

（7）歷史數(shù)據(jù)瀏覽及打印。

（8）界面要求。

系統(tǒng)要求操作界面簡單、明了，全中文輸入輸出。主控監(jiān)控界面與單燈監(jiān)控界面可自由切換。

（9）系統(tǒng)安全管理。

（10）自動/手動運行。

（11）自動巡測。

（12）校時管理。

（13）系統(tǒng)組態(tài)設置功能。

能夠設置修改三遙控制器和單燈控制器的編號和名稱;

能夠設置修改各時段的定時巡測周期;

能夠設置修改365天的開關等時間策略;

能夠設置任意開/關燈時間;

能夠編輯電子地圖，且在地圖上通過組件添加主控箱、單燈標記。

（14）報警級別管理。

（15）終端分組管理。

（16）GIS地圖編輯管理。

5. 應用前景

5.1?經(jīng)濟效益分析。

5.1.1?智慧照明改造前能耗計算。

（1）昌北經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)實施兩條道路路燈情況表如表1所示。

（2）根據(jù)南昌市日升日落全年統(tǒng)計計算得出南昌市路燈平均開燈時間為11小時/天，則得出能耗分析如下表2所示：

（3）南昌市路燈照明電價按1元/度計算，則由表2可知智慧照明改造前年電費費用為：

264990度*1元/度 = 264990元≈26.5萬元。

5.1.2?智慧照明改造后能耗計算。

由表3可知進行智慧照明改造后管理節(jié)能達到58%。

由表3可知，進行智慧照明系統(tǒng)改造后年電費費用為（具體數(shù)據(jù)以合同計算為準）：

111295.8度*1元/度=111295.8元≈11萬元。

5.1.3?智慧照明改造后經(jīng)濟效益分析。

由5.1.1與5.1.2可知智慧照明改造后年節(jié)省電費費用為：

26.5萬元-11萬元=15.5萬元。

5.2?社會效益分析。

5.2.1?直接社會效益分析。

根據(jù)計量標準，節(jié)約一度電，相當于節(jié)省了0.327千克煤的能耗和4升水。同時還減少了0.96千克二氧化碳和0.03千克二氧化硫的排放;使用1000度電的“碳足跡”是960公斤，需要栽種2.6棵樹進行“碳中和”。由此得出每年數(shù)據(jù)如表4所示：

5.2.2?隱形的社會效益分析。

（1）故障及時維修，減少居民投訴，提高政府形象;

故障短信提醒，2個小時內(nèi)即可解決故障問題。

（2）按需照明，減少交通事故發(fā)生。

（3）可以減少因照明問題引發(fā)事故的50%。

（4）可為智慧城市建設提供大數(shù)據(jù)（車輛人流等）。

6. 總結(jié)

（1）隨著城市規(guī)模不斷擴大，道路照明能耗浪費嚴重。管理問題日益突出，維護檢修的工作量不斷加大，針對這些問題，我們研究了一套照明系統(tǒng)——現(xiàn)代城市智慧照明系統(tǒng)。她未仆先知，自動診斷故障，智能調(diào)節(jié)亮度。她可以全城定，為社會安全服務系統(tǒng)提供準確地理定位。她節(jié)能省錢，以西安陵城區(qū)秦王璐和渭水路兩條道路改造為例，年經(jīng)濟效益為355364元，不到兩年可收回全部投資。

（2）基于無線窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NARROW BAND INTERNET OF THINGS， NB-IOT）技術的節(jié)能系統(tǒng)是新時代技術的產(chǎn)物。利用大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術打造的城市照明系統(tǒng)為智慧城市、智能城市建設添加新活力，是智慧城市建設由數(shù)據(jù)信息技術從虛擬數(shù)字空間走向真實物理世界的重要階梯，未來前景與影響力不可估量。

參考文獻

[1]?吳睿. 智慧照明系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].電子科技大學，2015.

[2]?車都. 城市路燈智慧照明系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].哈爾濱工業(yè)大學，2014.

[3]?王靜遠，李超，熊璋，單志廣. 以數(shù)據(jù)為中心的智慧城市研究綜述[J]. 計算機研究與發(fā)展，2014，（02）：239～259.

[4]?辜勝阻，楊建武，劉江日. 當前我國智慧城市建設中的問題與對策[J]. 中國軟科學，2013，（01）：6～12.