基于NB-IoT的智慧照明系統(tǒng)在南昌的應(yīng)用案例

李 澄,高 偉,張 冬,阮 軍,余 湛

(1.北京新時(shí)空科技股份有限公司，北京 101102；2.中關(guān)村半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，北京 100083)

引言

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，城市道路照明不僅是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚墓苍O(shè)施，也是展現(xiàn)城市景觀、體現(xiàn)城市形象的重要途經(jīng)[1]。傳統(tǒng)的照明管理系統(tǒng)中，常見的通信方式主要有：電力線載波通信、ZigBee無線通信。但是電力線載波通信速率較低，故障上報(bào)的實(shí)時(shí)性較差，誤報(bào)率偏高，ZigBee無線通信其穩(wěn)定性一般，安裝不便、成本較高，且易受外界環(huán)境影響[2，3]。NB-IoT技術(shù)是一項(xiàng)可在全球范圍內(nèi)應(yīng)用的新興技術(shù)，其具有低功耗、廣覆蓋、大容量、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn)[4]，近年來得到廣泛的應(yīng)用，基于NB-IoT技術(shù)的智慧照明系統(tǒng)，具有精準(zhǔn)控制、網(wǎng)絡(luò)覆蓋好、可靠性高等特點(diǎn)，具有良好的發(fā)展前景。南昌經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)(簡(jiǎn)稱南昌經(jīng)開區(qū))的LED節(jié)能示范路網(wǎng)工程，將NB-IoT技術(shù)應(yīng)用于智慧照明控制系統(tǒng)，旨在提高城市照明智能化管理水平，節(jié)能增效，打造南昌路網(wǎng)節(jié)能示范的形象展示窗口。

1 項(xiàng)目需求

南昌經(jīng)開區(qū)是江西省首個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，地處長(zhǎng)三角、珠三角、閩東南中心地帶，是一個(gè)功能完善的新型生態(tài)工業(yè)園區(qū)，也是一座綠色宜居的濱江新城。南昌經(jīng)開區(qū)作為南昌市城北的主要出入口，道路形象直接關(guān)乎城市形象，簡(jiǎn)單的道路照明已經(jīng)無法滿足人們的基本需求，照明管理也存在諸多難題，因此實(shí)施智慧照明工程以滿足整體需求。本次項(xiàng)目實(shí)施道路按經(jīng)開區(qū)行政區(qū)域劃分為三個(gè)區(qū)域：蛟橋鎮(zhèn)、白水湖區(qū)、冠山區(qū)，情況現(xiàn)場(chǎng)勘察確定每條道路的實(shí)施方案，遵從統(tǒng)一規(guī)劃、合理布局、因地制宜、綜合開發(fā)、節(jié)約能源的原則，在滿足功能要求的前提下，實(shí)現(xiàn)智慧照明，力求使路燈燈光的布局符合城市一定時(shí)期發(fā)展規(guī)劃的需要，同時(shí)與周圍環(huán)境保持協(xié)調(diào)。

2 NB-IoT智慧照明控制系統(tǒng)

2.1 技術(shù)簡(jiǎn)介

NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)即基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)，主要應(yīng)用在小數(shù)據(jù)量、低速率的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景，是實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)的突破性技術(shù)[5]。NB-IoT技術(shù)具有以下特點(diǎn)[6]：

低功耗：該技術(shù)可以在網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)建立一套溝通機(jī)制，使終端周期性的進(jìn)入休眠態(tài)和激活態(tài)，休眠狀態(tài)下終端不再收發(fā)信號(hào)，從而達(dá)到省電的目的。低功耗模式下設(shè)備續(xù)航可達(dá)兩三年，甚至可以達(dá)到十年。

廣覆蓋：NB-IoT信號(hào)穿透能力更強(qiáng)，覆蓋范圍更大，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量更穩(wěn)定，同時(shí)還能提供完善的室內(nèi)信號(hào)覆蓋服務(wù)。

大連接：在同一基站下，NB-IoT比現(xiàn)有的無線技術(shù)提供超過50～100倍的接入數(shù)，其一個(gè)扇區(qū)支持多大十萬的連接數(shù)，滿足了萬物互聯(lián)時(shí)代海量設(shè)備的接入要求。

基于NB-IoT技術(shù)的智慧照明系統(tǒng)，可以將城市照明，包括路燈、景觀照明等照明設(shè)備統(tǒng)一納入智能化管理平臺(tái)進(jìn)行管理，可以根據(jù)每天不同的時(shí)間、光照度或者特殊要求進(jìn)行智能控制，滿足城市日益增長(zhǎng)的照明需求，提升管理效率，實(shí)現(xiàn)照明的節(jié)能減排。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于NB-IoT技術(shù)的智慧照明控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，包括監(jiān)控中心、IoT平臺(tái)、NB-IoT網(wǎng)絡(luò)以及單燈(含單燈控制器)[7]。

圖1 基于NB-IoT的智慧照明控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Intelligent lighting system architecture based on NB-IoT

單燈控制器通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)將單燈相關(guān)的運(yùn)行信息、設(shè)備狀態(tài)等上傳給IoT平臺(tái)，監(jiān)控中心管理系統(tǒng)可以通過IoT平臺(tái)獲取來自終端的數(shù)據(jù)，同時(shí)單燈控制器可以接收監(jiān)控中心管理系統(tǒng)通過IoT平臺(tái)下發(fā)的開關(guān)燈及亮度調(diào)節(jié)等指令，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與單燈控制器的雙向通信。

3 項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)原則

項(xiàng)目不以簡(jiǎn)單提高亮度為主要目的，而是要滿足路燈燈光的布局符合城市一定時(shí)期發(fā)展規(guī)劃，同時(shí)與周圍環(huán)境保持協(xié)調(diào)。每一盞路燈都將是一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，可以按需實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)與控制。

3.2 監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心即智慧照明的智能控制平臺(tái)，用若干計(jì)算機(jī)建立一個(gè)計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)，通過VPN專網(wǎng)的Internet網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。設(shè)立照明系統(tǒng)中央控制室，控制平臺(tái)根據(jù)設(shè)計(jì)效果或場(chǎng)景需要將控制信息傳達(dá)到各區(qū)域的各個(gè)配電箱和控制箱，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理和控制，并通過電腦端，將現(xiàn)場(chǎng)情況、數(shù)據(jù)報(bào)表、地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，管理部門可依此做出精準(zhǔn)的判斷與決策。監(jiān)控中心管理系統(tǒng)基于NB-IoT技術(shù)將城市照明的智能管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理集一體，并通過群控或組控實(shí)現(xiàn)對(duì)不同監(jiān)控的控制功能。

3.3 單燈控制器設(shè)計(jì)

項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)每盞路燈都加裝單燈控制器，組成框圖如圖2所示。電源模塊采用AC220 V轉(zhuǎn)DC12 V模塊供電，可提供3.8 V、3.3 V電源，保證電路各部分的正常工作。存儲(chǔ)器選用超大EEPROM AT24C256，最多可支持100條調(diào)光策略。MCU通過串口和NB-IoT模組通信，來實(shí)現(xiàn)與后臺(tái)數(shù)據(jù)交互。通過MCU生成3種調(diào)光方式，0～10 V、PWM和數(shù)字調(diào)光。

圖2 單燈控制器組成框圖Fig.2 Structure diagram of terminal controller

單燈控制器控制原理如圖3所示，可實(shí)現(xiàn)以下功能：可實(shí)現(xiàn)單燈經(jīng)緯時(shí)控、定時(shí)控、手動(dòng)控等多種控制管理模式；具有電流、電壓、溫度、有功功率、無功功率等參數(shù)檢測(cè)功能；具有PWM 調(diào)光、0～10 V 調(diào)光、數(shù)字調(diào)光接口，可軟件切換；具有遠(yuǎn)程開、關(guān)控制功能，內(nèi)部集成16 A繼電器輸出；具有LED燈故障檢測(cè)功能；具有電能統(tǒng)計(jì)功能，可遠(yuǎn)程讀數(shù)、清除；路燈工作出現(xiàn)異常后及時(shí)上報(bào)告警，可將路燈系統(tǒng)的故障精確到點(diǎn)。

配備單燈管理器，可以快速準(zhǔn)確地對(duì)城市道路照明系統(tǒng)進(jìn)行智能監(jiān)控及調(diào)光，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈和電源的遠(yuǎn)程遙控和遙監(jiān)，同時(shí)可點(diǎn)對(duì)點(diǎn)針對(duì)性地快速維修與養(yǎng)護(hù)，使維護(hù)人員隨時(shí)了解路燈運(yùn)用狀況，極大提高路燈運(yùn)行質(zhì)量和效率，降低了照明系統(tǒng)運(yùn)維成本和能耗。

圖3 單燈控制器控制原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of terminal controller’s control principle

4 實(shí)施效果

4.1 智慧照明管理系統(tǒng)軟件

智慧照明以整合亮化設(shè)施管理資源，優(yōu)化管理流程，提高工作效率，降低管理成本，節(jié)約能耗資源為目標(biāo)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、控制技術(shù)、地理信息技術(shù)、實(shí)現(xiàn)對(duì)亮化設(shè)備的智能化調(diào)控和信息化管理，提高亮化管理水平和節(jié)能效率。其智慧照明管理系統(tǒng)軟件主要功能模塊有GIS地圖監(jiān)控、資產(chǎn)管理、能耗分析、事件警告、系統(tǒng)用戶、項(xiàng)目管理、工單管理等，可以遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)項(xiàng)目?jī)?nèi)每一盞燈的精準(zhǔn)實(shí)時(shí)操作、維護(hù)、處理、分析和監(jiān)管的控制，從而使城市管理人員、單位管理人員、設(shè)施管理人員、中心監(jiān)控人員、維護(hù)管理人員、維護(hù)人員、施工人員等相關(guān)人員可以通過系統(tǒng)軟件進(jìn)行協(xié)同工作。功能模塊如圖4所示。

圖4 智慧管理系統(tǒng)軟件功能模塊Fig.4 Software function module of intelligent management system

系統(tǒng)結(jié)合地理信息系統(tǒng)，提供了圖形化操作頁面，如圖5所示，直觀顯示燈具布控情況，支持批量部署和燈具操作，便于管理和設(shè)施維護(hù)；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線路，電壓、電流、功率及各開關(guān)量狀態(tài)，顯示設(shè)備工作狀態(tài)；實(shí)時(shí)告警信息提示；單個(gè)配電柜的狀態(tài)實(shí)時(shí)查詢、實(shí)時(shí)控制操作；單個(gè)路燈的狀態(tài)、能耗、開關(guān)燈、調(diào)光的實(shí)時(shí)查詢與操作；回路分組、燈具分組，并設(shè)置定時(shí)控制以及定時(shí)策略的下發(fā)。

圖5 GIS圖形化操作頁面Fig.5 Operation interface of GIS system

4.2 應(yīng)用展示

項(xiàng)目實(shí)施過程中，針對(duì)不同路段，根據(jù)實(shí)際需求選用了不同規(guī)格的設(shè)備，以滿足多樣化的需求，如圖6、圖7所示，選取了其中兩個(gè)路段白天與夜晚的路燈應(yīng)用展示，在滿足燈光布局合理、智能化控制的同時(shí)，整體設(shè)計(jì)與環(huán)境相適應(yīng)，有效地提升了城市的形象。

根據(jù)所在道路的照明等級(jí)、季節(jié)、夜間不同時(shí)間段的交通流量等因素，確定相應(yīng)時(shí)段需要達(dá)到的照明水平，智能控制系統(tǒng)可對(duì)燈具進(jìn)行自由編組，實(shí)現(xiàn)分組分區(qū)控制，按亮燈時(shí)間加亮燈模式自由組合，實(shí)現(xiàn)任務(wù)部署靈活化，調(diào)節(jié)路面照度或亮度。圖7為根據(jù)日出日落時(shí)間智能調(diào)節(jié)場(chǎng)景。

圖6 某路段白天與夜晚路燈展示(1)Fig.6 Street pole in day and night of a road section (1)

圖7 某路段白天與夜晚路燈展示(2)Fig.7 Street pole in day and night of a road section (2)

圖8 智能調(diào)節(jié)場(chǎng)景Fig.8 Intelligent adjustment scene

主干路運(yùn)行時(shí)照度測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 道路照明實(shí)測(cè)值Table 1 Measured value of road lighting

基于NB-IoT技術(shù)的智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用不限于燈具的形式和應(yīng)用場(chǎng)景，整體上滿足了經(jīng)開區(qū)的城市要求，實(shí)現(xiàn)了智能化控制，滿足了照明需求。

5 結(jié)論

南昌經(jīng)開區(qū)LED節(jié)能示范路網(wǎng)項(xiàng)目，照明設(shè)計(jì)與實(shí)施亮化工程，搭配先進(jìn)的智慧照明設(shè)備，展示出道路界面應(yīng)有的層次清晰、豐富多彩、特色鮮明的城市形象，對(duì)一些標(biāo)志性道路亮化工程，使其與城市形象相適應(yīng)的照明設(shè)計(jì)環(huán)境，能夠烘托出城市的特色，從而增加城市空間的吸引力。將NB-IoT技術(shù)應(yīng)用于照明系統(tǒng)，獲得了良好的控制效果，降低了人力資源成本，降低了能耗，真正實(shí)現(xiàn)了智慧照明。此項(xiàng)目對(duì)城市的發(fā)展、改善居民的居住環(huán)境等，產(chǎn)生了積極的影響，體現(xiàn)了地域文化特色，為城市帶來巨大的社會(huì)效益。項(xiàng)目還將試點(diǎn)智慧燈桿的建設(shè)，輔助市政管理，同時(shí)為智慧城市建設(shè)打下基礎(chǔ)。