基于NB-IoT的城市路燈智能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王燦田，陳育中，殷芃坤

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京分院，江蘇 南京 210000）

0 引 言

路燈作為城市照明中必不可少的公共基礎(chǔ)設(shè)施，與人們的日常生活和城市交通安全有著密不可分的聯(lián)系，路燈控制和管理水平的高低則是檢驗(yàn)一個(gè)城市現(xiàn)代文明的標(biāo)志。在“互聯(lián)網(wǎng)+”的時(shí)代背景下，城市道路的智能照明是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。為了確保城市照明系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和科學(xué)管控，實(shí)現(xiàn)城市亮化和節(jié)能環(huán)保管理，處理好城市居民與城市景觀形象之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，如何實(shí)現(xiàn)城市化照明系統(tǒng)的管理，已經(jīng)成為當(dāng)前城市管理者主要解決的問(wèn)題。

現(xiàn)今大多數(shù)城市仍在采用傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)[1-3]，對(duì)區(qū)域內(nèi)的所有路燈進(jìn)行統(tǒng)一管理，定時(shí)開(kāi)關(guān)。但是目前的照明系統(tǒng)存在一些問(wèn)題，例如：路燈數(shù)量的不斷增加導(dǎo)致維護(hù)成本、社會(huì)成本的上升問(wèn)題；夜間車(chē)輛行人稀少時(shí)，路燈仍然全部運(yùn)行的能源浪費(fèi)問(wèn)題；沒(méi)有多功能的后臺(tái)管理系統(tǒng)，路燈也無(wú)法采集周邊環(huán)境的有用數(shù)據(jù)，出現(xiàn)故障需要人工排查，不能及時(shí)被照明控制中心發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。為解決傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)的缺陷，本文設(shè)計(jì)一種城市路燈智能照明系統(tǒng)，將NB-IoT技術(shù)與TCP/IP技術(shù)相結(jié)合，添加實(shí)際功能模塊實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制等功能，從而能有效地監(jiān)測(cè)路燈的運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)時(shí)分析路燈狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)控制和維護(hù)。系統(tǒng)通過(guò)若干個(gè)光照度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光照度，并結(jié)合氣象部門(mén)發(fā)布的每日日出日落時(shí)間智能決策進(jìn)行無(wú)線(xiàn)照明控制，從而解決上述問(wèn)題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

該系統(tǒng)將城市中某一片區(qū)的照明燈全部連接起來(lái)，由PC端應(yīng)用程序統(tǒng)一進(jìn)行控制。PC端應(yīng)用程序有自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種工作方式。當(dāng)自動(dòng)控制模式開(kāi)啟時(shí)，路燈會(huì)自動(dòng)根據(jù)當(dāng)前的實(shí)際光照值和當(dāng)日日出日落時(shí)間指揮決策，自動(dòng)進(jìn)行路燈開(kāi)關(guān)的控制；當(dāng)手動(dòng)控制模式開(kāi)啟時(shí)，管理員可以一鍵開(kāi)關(guān)街道上所有的照明設(shè)施，也可以進(jìn)行個(gè)別控制。

當(dāng)下無(wú)線(xiàn)通信方式主要有以下5種：WiFi、藍(lán)牙、LoRa、ZigBee和NB-IoT。WiFi成本較高，對(duì)于路燈控制這樣簡(jiǎn)單的場(chǎng)景而言有些浪費(fèi)；藍(lán)牙通信距離太短，難以實(shí)現(xiàn)全城市的覆蓋；ZigBee可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)功能，且傳輸時(shí)延較短，但是其多條轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)衰減較大，信號(hào)傳輸可靠性受氣象影響較大；LoRa傳輸距離可達(dá)十幾公里，功耗也更小，但需要自建基站，且基站部署位置要求較高。對(duì)比上述，從通信可靠性來(lái)說(shuō)，NB-IoT無(wú)衰傳輸距離一般都可以達(dá)到10 km以上，且網(wǎng)絡(luò)可容納節(jié)點(diǎn)數(shù)量可達(dá)20萬(wàn)；從建設(shè)難度來(lái)說(shuō)，NB-IoT直接與移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商搭建的現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接，無(wú)需自行搭建基站，非常適合城市內(nèi)設(shè)施使用；從建設(shè)成本來(lái)說(shuō)，NB-IoT模塊每塊成本為5～10美元，待機(jī)情況下功耗僅5 μA，電池理論上可提供長(zhǎng)達(dá)10年的續(xù)航。雖然其通信時(shí)延為6～10 s，但對(duì)路燈控制而言影響不大。綜上所述，本系統(tǒng)選擇使用NB-IoT進(jìn)行通信[4-7]。

2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件部分主要由路燈節(jié)點(diǎn)組成，軟件部分主要由應(yīng)用云平臺(tái)和應(yīng)用客戶(hù)端組成。該系統(tǒng)與PC端后臺(tái)管理系統(tǒng)相結(jié)合，以NB-IoT為核心，由路燈終端節(jié)點(diǎn)和云平臺(tái)組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

選擇NB-IoT技術(shù)與TCP/IP技術(shù)相結(jié)合作為系統(tǒng)的通信方式，添加實(shí)際功能模塊實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制等功能，從而實(shí)現(xiàn)管理方便、節(jié)約電能能源的目的。

3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

該控制系統(tǒng)的主要硬件包含NB-IoT模塊、繼電器模塊和光照度傳感器，還可選擇性安裝其他各類(lèi)的輔助性傳感器。硬件架構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 硬件架構(gòu)示意圖

3.1 NB-IoT模塊

本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)階段所使用的NB-IoT模塊搭載Lierda NB05-01芯片，通過(guò)中國(guó)電信物聯(lián)網(wǎng)卡接入中國(guó)電信云平臺(tái)“天翼云”。NB-IoT芯片與硬件連線(xiàn)圖如圖3所示。

圖3 NB-IoT芯片與硬件連線(xiàn)圖

3.2 繼電器模塊

繼電器模塊通過(guò)引腳安裝在NB-IoT模塊上，由NB-IoT模塊中的程序控制繼電器狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)用電設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。每路控制器稱(chēng)為“聯(lián)”，即根據(jù)繼電器模塊可控制的路的數(shù)量可確定繼電器的聯(lián)數(shù)，如可以分別控制兩個(gè)設(shè)備的繼電器稱(chēng)為雙聯(lián)繼電器。為了增加使用效率，采用單聯(lián)繼電器和雙聯(lián)繼電器混合設(shè)計(jì)，在光照需求較大處或照明設(shè)備相對(duì)密集處使用雙聯(lián)繼電器減少需要的NB-IoT模塊的數(shù)量。

3.3 光照度傳感器模塊

該系統(tǒng)選用的光照度傳感器以深圳龍信達(dá)科技有限公司LXD_GB5_A1E光敏傳感器為核心，按照?qǐng)D4所示連接到NB-IoT模塊上。

圖4 光照度傳感器模塊電路連接圖

3.4 其他各類(lèi)輔助性傳感器

為了更全面、更精確、更智能地獲知街道的實(shí)際照明需求，系統(tǒng)還可兼容各種市政輔助類(lèi)傳感器，例如噪聲傳感器、溫濕度傳感器、紫外線(xiàn)傳感器等。只需修改NB-IoT模塊上的部分代碼即可為本系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，也可以為其他市政工程或氣象預(yù)測(cè)提供幫助，為系統(tǒng)提供了較高的可擴(kuò)展性，方便視實(shí)際需求改造升級(jí)。

4 系統(tǒng)搭建與開(kāi)發(fā)

4.1 硬件安裝與布置

本系統(tǒng)的目的是對(duì)街道照明設(shè)備的智能控制，因此在每個(gè)照明設(shè)備處都需要設(shè)置繼電器模塊，而每個(gè)繼電器模塊都需要連接在NB-IoT模塊上以進(jìn)行組網(wǎng)。因此，在每個(gè)路面照明點(diǎn)都需要安裝如圖5所示的NB-IoT無(wú)線(xiàn)控制照明組合。

圖5 NB-IoT模塊與燈控制示意圖

當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)通信不暢或故障時(shí)，運(yùn)營(yíng)商云平臺(tái)將會(huì)自動(dòng)鎖定發(fā)生故障的節(jié)點(diǎn)并推送給應(yīng)用云平臺(tái)，應(yīng)用云平臺(tái)立即下發(fā)維修任務(wù)給專(zhuān)門(mén)人員。整套系統(tǒng)均采用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)無(wú)線(xiàn)連接，網(wǎng)絡(luò)和中繼設(shè)備的維護(hù)工作將由運(yùn)營(yíng)商的專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行，降低了本系統(tǒng)出現(xiàn)通信故障的概率。

4.2 系統(tǒng)軟件建設(shè)

4.2.1 PC端總控軟件

該系統(tǒng)PC端總控軟件使用Microsoft Visual Studio開(kāi)發(fā)，選用C#語(yǔ)言編寫(xiě)。軟件主界面如圖6所示。

圖6 總控軟件界面

4.2.2 維保人員移動(dòng)端

維保人員移動(dòng)端應(yīng)用于通知維保人員對(duì)照明設(shè)施進(jìn)行維護(hù)或搶修，客戶(hù)端界面如圖7所示。

圖7 維護(hù)人員手機(jī)客戶(hù)端界面

4.2.3 應(yīng)用云平臺(tái)

應(yīng)用云平臺(tái)作為運(yùn)營(yíng)商云平臺(tái)和各種客戶(hù)端之間的橋梁。為保障數(shù)據(jù)傳輸安全，云平臺(tái)與外界采用HTTPS連接。

云平臺(tái)主要有如下幾個(gè)功能：

（1）指令下發(fā)功能

當(dāng)云平臺(tái)接收到來(lái)自控制中心的指令時(shí)，解碼指令信息并驗(yàn)證和記錄操作者，將對(duì)應(yīng)的命令發(fā)送到指定設(shè)備或指定設(shè)備組當(dāng)中。

（2）整合記錄功能

接收各NB-IoT節(jié)點(diǎn)發(fā)送到云平臺(tái)的數(shù)據(jù)，包括環(huán)境信息、報(bào)警信息、維修記錄等，并將其保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。所有信息實(shí)時(shí)推送到PC總控程序當(dāng)中。

（3）任務(wù)分發(fā)功能

路燈設(shè)備報(bào)障后，系統(tǒng)自動(dòng)將維修任務(wù)推送到負(fù)責(zé)該區(qū)域的維修小組的手機(jī)應(yīng)用上，并對(duì)維保任務(wù)完成情況進(jìn)行追蹤和督促。

（4）智能決策功能

云平臺(tái)能通過(guò)第三方API獲取每日的天氣、日出日落時(shí)間等情況，通過(guò)部分路燈上另設(shè)的傳感器獲取分區(qū)實(shí)際光照情況，進(jìn)行綜合性分析，按照分析結(jié)果對(duì)各道路上的照明設(shè)備分別指定其開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在確保滿(mǎn)足市民光照需求的情況下最大程度地減少電力消耗。

（5）API拓展功能

云平臺(tái)預(yù)留市民報(bào)障的API，以方便維修人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決路燈故障。市民可通過(guò)城市已有的市民服務(wù)客戶(hù)端（如南京市的“我的南京”APP等）快捷地通過(guò)此API向系統(tǒng)上報(bào)設(shè)備故障信息，大大減少故障設(shè)備在被巡檢員發(fā)現(xiàn)前所消耗的時(shí)間。

4.2.4 終端控制程序

終端控制程序燒寫(xiě)在NB-IoT模塊上，使NB-IoT模塊完成入網(wǎng)和控制路燈繼電器的功能。NB-IoT上加裝傳感器時(shí)，只需要增加傳感器相關(guān)代碼即可完成擴(kuò)展。NB-IoT入網(wǎng)流程如圖8所示。

圖8 NB-IoT入網(wǎng)流程

5 系統(tǒng)測(cè)試

本文使用2個(gè)NB-IoT模塊、2個(gè)燈泡和1個(gè)光照度傳感器對(duì)所提系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試?？偪刂行某绦蚬?jié)點(diǎn)連接如圖9所示。手機(jī)端維保信息如圖10所示。

圖9 總控中心程序節(jié)點(diǎn)連接

圖10 手機(jī)端維保信息

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)性能可靠，報(bào)障迅速，分配準(zhǔn)確，且能夠充分利用城市已有基礎(chǔ)設(shè)施，節(jié)約建設(shè)成本，提高道路照明的智能化。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種基于NB-IoT的城市路燈智能照明系統(tǒng)，尤其適合現(xiàn)有非智能化路燈系統(tǒng)的改造升級(jí)。該系統(tǒng)能充分利用城市已有設(shè)施，非智能化路燈改造為本文提出的智能路燈系統(tǒng)時(shí)無(wú)需挖開(kāi)地面布管設(shè)線(xiàn)，也不需要另外建設(shè)基站等通信設(shè)備，投入回報(bào)比高。另外，該系統(tǒng)架構(gòu)合理，功能完備，能夠大大提高當(dāng)前城市道路路面照明系統(tǒng)的智能化程度，滿(mǎn)足智慧城市一體化管理需求，且易于維護(hù)和升級(jí)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。