基于NB-IoT 的道路照明監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

吳 軍

上海市城市綜合管理事務(wù)中心（上海，200023）

0 引言

2016 年，世界移動(dòng)通信大會(huì)上，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（NB-IoT）成為會(huì)議的一大亮點(diǎn)[1]。NB-IoT 技術(shù)具有窄帶、低速率、低功耗、低成本、高容量、廣覆蓋等特點(diǎn)，隨著技術(shù)應(yīng)用日趨成熟，目前該技術(shù)支持包括水、電、氣、熱等基礎(chǔ)設(shè)施的智能管理[2-3]。

成開(kāi)元等[4]分析了NB-IoT、LTEeMTC、Lo-Ra、SigFox 等通信方式的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于中國(guó)電信NB-IoT 技術(shù)的由數(shù)據(jù)采集層、通信層、應(yīng)用服務(wù)層和用戶(hù)層四層結(jié)構(gòu)組成的智慧路燈監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從客戶(hù)端Web 界面實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控城市路燈狀態(tài)的目標(biāo)。2017 年2 月，由華為、杭州移動(dòng)和浙大網(wǎng)新易盛共同打造的基于標(biāo)準(zhǔn)NB-IoT的智慧照明示范區(qū)在杭州濱江士蘭微園區(qū)完成[5]。

目前，上海市道路照明監(jiān)控系統(tǒng)主要通過(guò)“區(qū)域控制器+終端控制器”的方式，通過(guò)電力載波（PLC）技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的單燈監(jiān)控。但由于配電線路老化、電磁干擾等因素影響，導(dǎo)致通信質(zhì)量較差，從而無(wú)法準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)單燈監(jiān)控。文章基于NB-IoT 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合虹橋路合桿整治工程開(kāi)展了NB-IoT 單燈控制器的試點(diǎn)工作。

1 基于NB-IoT 的道路照明監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

根據(jù)《上海市道路照明設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（DJ/T 08-2296—2019）[6]，道路照明設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)宜采用三層結(jié)構(gòu)的架構(gòu)，如圖1 所示。一般，基于PLC 技術(shù)的路燈終端控制器（TCU）通過(guò)接口B 傳輸數(shù)據(jù)至區(qū)域控制器（ACU），再由區(qū)域控制器（ACU）通過(guò)接口A 傳輸至照明監(jiān)控中心（LCC）。該系統(tǒng)具有無(wú)線通信功能，直接通過(guò)接口C 傳輸至照明監(jiān)控中心（LCC），實(shí)現(xiàn)照明監(jiān)控中心直接對(duì)LED 路燈的遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2 所示。

在NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議清晰、簡(jiǎn)單，無(wú)須區(qū)域控制器（ACU），減少了通信環(huán)節(jié)和故障點(diǎn)，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性得以提高。每臺(tái)終端控制器（TCU）獨(dú)立運(yùn)行，監(jiān)控策略設(shè)置具有多樣性，不僅可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)燈控制和調(diào)光控制，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)以下自動(dòng)監(jiān)測(cè)功能：（1）電壓、電流、功率、功率因數(shù)、時(shí)段用電量、總用電量等；（2）通信異常、單燈故障等故障信息；（3）設(shè)備信號(hào)強(qiáng)度RSRP、無(wú)線信號(hào)干擾噪聲比SINR、無(wú)線信號(hào)覆蓋等級(jí)等。

圖1 道路照明設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 基于NB-IoT 的路燈終端控制器系統(tǒng)架構(gòu)

2 應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

結(jié)合上海市道路合桿整治工程，在虹橋路（番禺路—宜山路）安裝NB-IoT 單燈控制器（TCU）23 臺(tái)，安裝點(diǎn)位如圖3 所示。單燈控制器（TCU）外殼防護(hù)等級(jí)為IP65，具有0-10 V 調(diào)光功能，安裝在綜合桿的檢修艙內(nèi)，可同時(shí)監(jiān)控2 盞LED 路燈。為更好地獲取移動(dòng)信號(hào)，在綜合桿主桿卡槽內(nèi)安裝了貼片天線，如圖4 所示。

設(shè)置該路段的調(diào)光方案如下：開(kāi)燈時(shí)間至24 點(diǎn)整，路燈滿(mǎn)電流工作；24 點(diǎn)至次日關(guān)燈時(shí)間期間，路燈電流在70%狀態(tài)下工作。單盞燈亮燈期間功耗變化情況如圖5 所示。

圖3 NB-IoT 控制器安裝點(diǎn)位

圖4 單燈控制器（TCU）在綜合桿內(nèi)安裝位置

圖5 燈功耗變化曲線

根據(jù)《照明測(cè)量方法》（GB/T 5700—2008），分別對(duì)調(diào)光前后的機(jī)動(dòng)車(chē)道平均照度維持值（lx）、路面平均亮度維持值（cd/m2)，以及非機(jī)動(dòng)車(chē)道路面平均照度維持值Eh,av（lx）、路面最小照度維持值Eh,min（lx）、最小垂直照度維持值Ev,min（lx）進(jìn)行了實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)結(jié)果如表1、表2 所示。從表1 和表2 的數(shù)據(jù)可以看出：調(diào)光后機(jī)動(dòng)車(chē)道的路面平均照度維持值仍能滿(mǎn)足《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ 45—2015）[7]的規(guī)定，平均亮度維持值略低于《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ 45—2015）的規(guī)定；調(diào)光后非機(jī)動(dòng)車(chē)道的路面平均照度維持值、路面最小照度維持值、最小垂直照度維持值均能滿(mǎn)足《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ 45—2015）的規(guī)定。調(diào)光后的現(xiàn)場(chǎng)照明效果如圖6 所示，從圖6 的現(xiàn)場(chǎng)照明效果看，調(diào)光后的照明情況可以滿(mǎn)足交通通行的要求。

表1 機(jī)動(dòng)車(chē)道調(diào)光前后照明質(zhì)量對(duì)比

表2 非機(jī)動(dòng)車(chē)道調(diào)光前后照明質(zhì)量對(duì)比 單位：lx

圖6 調(diào)光后的照明情況

3 結(jié)論

基于NB-IoT 的道路照明監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)LED 路燈的遙信、遙控和遙測(cè)，可根據(jù)管理需求以及道路現(xiàn)場(chǎng)交通情況，合理配置調(diào)光幅度和調(diào)光時(shí)間，在滿(mǎn)足路面照度、亮度維持值的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)揮LED 路燈的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。下一步將在當(dāng)前應(yīng)用的基礎(chǔ)上，開(kāi)展基于NBIoT 技術(shù)的單燈控制器（TCU）綜合桿桿體姿態(tài)監(jiān)測(cè)、光照度控制等方面的擴(kuò)展應(yīng)用研究。