發布時間：2022-02-24所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要 ：針對目前大多數城市對路燈照明控制和管理水平的不足，設計一種基于 NB-IoT 的城市路燈智能照明系統。該系統與 PC 端后臺管理系統相結合，以 NB-IoT 為核心，由路燈終端節點和云平臺組成。將 NB-IoT 技術與 TCP/IP 技術相結合作為系統的通信方式，添加實際功能
摘 要 ：針對目前大多數城市對路燈照明控制和管理水平的不足，設計一種基于 NB-IoT 的城市路燈智能照明系統。該系統與 PC 端后臺管理系統相結合，以 NB-IoT 為核心，由路燈終端節點和云平臺組成。將 NB-IoT 技術與 TCP/IP 技術相結合作為系統的通信方式，添加實際功能模塊實現環境監測、遠程控制等功能，從而實現方便管理、節約電能能源的目的。經過實驗測試，該系統性能可靠，報障準確。證明了該系統架構合理，功能完備，能夠大大提高當前城市道路路面照明系統的智能化程度，具有一定的應用價值。
關鍵詞 ：城市路燈 ;NB-IoT ;智能照明系統 ;無線網關 ;路燈控制 ;云平臺
0 引 言
路燈作為城市照明中必不可少的公共基礎設施，與人們的日常生活和城市交通安全有著密不可分的聯系，路燈控制和管理水平的高低則是檢驗一個城市現代文明的標志。在 “互聯網 +”的時代背景下，城市道路的智能照明是物聯網發展的必然趨勢。為了確保城市照明系統的穩定運行和科學管控，實現城市亮化和節能環保管理，處理好城市居民與城市景觀形象之間的協調關系，如何實現城市化照明系統的管理，已經成為當前城市管理者主要解決的問題。
現今大多數城市仍在采用傳統路燈系統 [1-3]，對區域內的所有路燈進行統一管理，定時開關。但是目前的照明系統存在一些問題，例如 ：路燈數量的不斷增加導致維護成本、社會成本的上升問題 ;夜間車輛行人稀少時，路燈仍然全部運行的能源浪費問題 ;沒有多功能的后臺管理系統，路燈也無法采集周邊環境的有用數據，出現故障需要人工排查，不能及時被照明控制中心發現的問題。為解決傳統路燈系統的缺陷，本文設計一種城市路燈智能照明系統，將 NB-IoT 技術與 TCP/IP 技術相結合，添加實際功能模塊實現環境監測、遠程控制等功能，從而能有效地監測路燈的運行狀態，并實時分析路燈狀態進行相應控制和維護。系統通過若干個光照度傳感器實時監測光照度，并結合氣象部門發布的每日日出日落時間智能決策進行無線照明控制，從而解決上述問題。
1 系統設計需求
該系統將城市中某一片區的照明燈全部連接起來，由 PC 端應用程序統一進行控制。PC 端應用程序有自動控制和手動控制兩種工作方式。當自動控制模式開啟時，路燈會自動根據當前的實際光照值和當日日出日落時間指揮決策，自動進行路燈開關的控制 ;當手動控制模式開啟時，管理員可以一鍵開關街道上所有的照明設施，也可以進行個別控制。
當下無線通信方式主要有以下 5 種 ：WiFi、 藍 牙、 LoRa、ZigBee 和 NB-IoT。WiFi 成本較高，對于路燈控制這樣簡單的場景而言有些浪費 ;藍牙通信距離太短，難以實現全城市的覆蓋 ;ZigBee 可實現自動組網功能，且傳輸時延較短，但是其多條轉發信號衰減較大，信號傳輸可靠性受氣象影響較大 ;LoRa 傳輸距離可達十幾公里，功耗也更小，但需要自建基站，且基站部署位置要求較高。對比上述，從通信可靠性來說，NB-IoT 無衰傳輸距離一般都可以達到 10 km 以上，且網絡可容納節點數量可達 20萬 ;從建設難度來說， NB-IoT 直接與移動運營商搭建的現有蜂窩網絡連接，無需自行搭建基站，非常適合城市內設施使用 ;從建設成本來說， NB-IoT 模塊每塊成本為 5 ～ 10 美元，待機情況下功耗僅 5 μA，電池理論上可提供長達 10 年的續航。雖然其通信時延為 6 ～ 10 s，但對路燈控制而言影響不大。綜上所述，本系統選擇使用 NB-IoT 進行通信 [4-7]。
2 系統框架設計
該系統硬件部分主要由路燈節點組成，軟件部分主要由應用云平臺和應用客戶端組成。該系統與 PC 端后臺管理系統相結合，以 NB-IoT 為核心，由路燈終端節點和云平臺組成，如圖 1 所示。
選擇 NB-IoT 技術與 TCP/IP 技術相結合作為系統的通信方式，添加實際功能模塊實現環境監測、遠程控制等功能，從而實現管理方便、節約電能能源的目的。
3 系統硬件構成
該控制系統的主要硬件包含 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的輔助性傳感器。硬件架構示意圖如圖 2 所示。
3.1 NB-IoT 模塊
本系統在實驗階段所使用的 NB-IoT 模塊搭載 Lierda NB05-01 芯片，通過中國電信物聯網卡接入中國電信云平臺 “天翼云”。NB-IoT 芯片與硬件連線圖如圖 3 所示。
3.2 繼電器模塊
繼電器模塊通過引腳安裝在 NB-IoT 模塊上，由 NB-IoT 模塊中的程序控制繼電器狀態，以實現對用電設備的遠程控制。每路控制器稱為“聯”，即根據繼電器模塊可控制的路的數量可確定繼電器的聯數，如可以分別控制兩個設備的繼電器稱為雙聯繼電器。為了增加使用效率，采用單聯繼電器和雙聯繼電器混合設計，在光照需求較大處或照明設備相對密集處使用雙聯繼電器減少需要的 NB-IoT 模塊的數量。
3.3 光照度傳感器模塊
該系統選用的光照度傳感器以深圳龍信達科技有限公司 LXD_GB5_A1E 光敏傳感器為核心，按照圖 4 所示連接到 NB-IoT 模塊上。
3.4 其他各類輔助性傳感器
為了更全面、更精確、更智能地獲知街道的實際照明需求，系統還可兼容各種市政輔助類傳感器，例如噪聲傳感器、溫濕度傳感器、紫外線傳感器等。只需修改 NB-IoT 模塊上的部分代碼即可為本系統進行擴展，也可以為其他市政工程或氣象預測提供幫助，為系統提供了較高的可擴展性，方便視實際需求改造升級。
4 系統搭建與開發
4.1 硬件安裝與布置
本系統的目的是對街道照明設備的智能控制，因此在每個照明設備處都需要設置繼電器模塊，而每個繼電器模塊都需要連接在 NB-IoT 模塊上以進行組網。因此，在每個路面照明點都需要安裝如圖 5 所示的 NB-IoT 無線控制照明組合。
當某一節點通信不暢或故障時，運營商云平臺將會自動鎖定發生故障的節點并推送給應用云平臺，應用云平臺立即下發維修任務給專門人員。整套系統均采用運營商網絡無線連接，網絡和中繼設備的維護工作將由運營商的專業人員進行，降低了本系統出現通信故障的概率。
4.2 系統軟件建設
4.2.1 PC 端總控軟件
該系統 PC 端總控軟件使用 Microsoft Visual Studio 開發，選用 C# 語言編寫。軟件主界面如圖 6 所示。
4.2.2 維保人員移動端
維保人員移動端應用于通知維保人員對照明設施進行維護或搶修，客戶端界面如圖 7 所示。
4.2.3 應用云平臺
應用云平臺作為運營商云平臺和各種客戶端之間的橋梁。為保障數據傳輸安全，云平臺與外界采用 HTTPS 連接。
云平臺主要有如下幾個功能 ：
(1)指令下發功能
當云平臺接收到來自控制中心的指令時，解碼指令信息并驗證和記錄操作者，將對應的命令發送到指定設備或指定設備組當中。
(2)整合記錄功能
接收各 NB-IoT 節點發送到云平臺的數據，包括環境信息、報警信息、維修記錄等，并將其保存在數據庫中。所有信息實時推送到 PC 總控程序當中。
(3)任務分發功能
路燈設備報障后，系統自動將維修任務推送到負責該區域的維修小組的手機應用上，并對維保任務完成情況進行追蹤和督促。
(4)智能決策功能
云平臺能通過第三方 API 獲取每日的天氣、日出日落時間等情況，通過部分路燈上另設的傳感器獲取分區實際光照情況，進行綜合性分析，按照分析結果對各道路上的照明設備分別指定其開關狀態，在確保滿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
云平臺預留市民報障的 API，以方便維修人員及時發現和解決路燈故障。市民可通過城市已有的市民服務客戶端(如南京市的“我的南京”APP 等)快捷地通過此 API 向系統上報設備故障信息，大大減少故障設備在被巡檢員發現前所消耗的時間。
4.2.4 終端控制程序
終端控制程序燒寫在 NB-IoT 模塊上，使 NB-IoT 模塊完成入網和控制路燈繼電器的功能。NB-IoT 上加裝傳感器時，只需要增加傳感器相關代碼即可完成擴展。NB-IoT 入網流程如圖 8 所示。
5 系統測試
本文使用 2 個 NB-IoT 模塊、2 個燈泡和 1 個光照度傳感器對所提系統進行測試�？偪刂行某绦蚬濣c連接如圖 9 所示。手機端維保信息如圖 10 所示。
經過實驗測試，該系統性能可靠，報障迅速，分配準確，且能夠充分利用城市已有基礎設施，節約建設成本，提高道路照明的智能化。
6 結 語
本文提出一種基于 NB-IoT 的城市路燈智能照明系統，尤其適合現有非智能化路燈系統的改造升級。該系統能充分利用城市已有設施，非智能化路燈改造為本文提出的智能路燈系統時無需挖開地面布管設線，也不需要另外建設基站等通信設備，投入回報比高。另外，該系統架構合理，功能完備，能夠大大提高當前城市道路路面照明系統的智能化程度，滿足智慧城市一體化管理需求，且易于維護和升級，具有一定的應用價值。——論文作者：王燦田，陳育中，殷芃坤
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