基于NB—IoT的智慧路燈系統(tǒng)

陽波+陳開仁+李忠良

摘 要：為滿足智慧城市對基礎(chǔ)設(shè)施智能化的需求，基于NB-IoT無線通信技術(shù)的智慧路燈系統(tǒng)應(yīng)運而生。文中對該系統(tǒng)的架構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，并對實際案例應(yīng)用進(jìn)行了介紹。該系統(tǒng)可通過電信NB-IoT網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)路燈遙控、遙測等功能，系統(tǒng)簡單、功能強大，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：NB-IoT；智慧路燈系統(tǒng)；單燈控制；物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TP39；TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）12-00-03

0 引 言

國家“十三五”規(guī)劃明確提出建設(shè) “以基礎(chǔ)設(shè)施智能化、公共服務(wù)便利化、社會治理精細(xì)化為重點，充分運用現(xiàn)代信息技術(shù)和大數(shù)據(jù)”的“智慧城市”。而道路照明作為城市的基礎(chǔ)公共設(shè)施之一，對于其如何實現(xiàn)智能化的運營管理是目前熱門的研究課題。采用基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技術(shù)的智慧路燈系統(tǒng)，可智能、合理地運營城市道路照明體系，通過對系統(tǒng)內(nèi)每一盞路燈的管控、調(diào)光及監(jiān)測，可有效節(jié)省運維成本，增加經(jīng)濟(jì)效益，提高城市道路照明的管理效率，滿足智慧城市設(shè)施智能化、治理精細(xì)化的訴求。

1 NB-IoT智慧路燈系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢

傳統(tǒng)的道路照明控制采用組控方式，即通過路燈配電箱內(nèi)電路的通斷來統(tǒng)一控制若干數(shù)量路燈的開關(guān)，不具備單燈控制功能，后臺無法采集個體燈桿的狀態(tài)信息，無法監(jiān)管單燈是否出現(xiàn)故障，難以實現(xiàn)精細(xì)化管理。其主流的節(jié)能措施為時間控制和光照控制，即采用調(diào)節(jié)電壓及半夜燈控制等手段，但效果十分有限。而本文所述的智慧路燈系統(tǒng)采用NB-IoT技術(shù)，不僅能對單燈進(jìn)行遠(yuǎn)程開關(guān)控制，還能實現(xiàn)連續(xù)調(diào)光功能，在照明非高峰期時段調(diào)低燈光亮度，有效降低道路照明能耗。同時，通過采集路燈運行數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行智能分析，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程故障分析定位，從而有效提高維護(hù)人員排查、清障的效率，大大節(jié)省了維護(hù)成本，實現(xiàn)了高效、可靠、節(jié)能的城市照明管理目標(biāo)。此外，智慧路燈還可在關(guān)燈的情況下不斷電，為智慧燈桿上其他需要供電的設(shè)備（微基站、攝像頭、WiFi模塊、環(huán)境監(jiān)測模塊等）提供支持。

NB-IoT智慧路燈系統(tǒng)提供的端到端安全管理方案，可有效保障數(shù)據(jù)的可靠性。電信運營商基于授權(quán)頻譜組建的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，其抗干擾能力、數(shù)據(jù)安全性、技術(shù)服務(wù)等方面均有高安全性保障，易于推廣，為城市照明的數(shù)據(jù)整體安全提供可靠保障。廣域低功耗NB-IoT技術(shù)具備廣覆蓋、大連接、高可靠等優(yōu)勢，可滿足城市路燈部署范圍廣、桿體數(shù)量多、數(shù)據(jù)可靠性要求高的需求。同時，電信運營商提供的統(tǒng)一IoT平臺，可解決不同終端廠商協(xié)議的兼容性問題，滿足單燈控制器接入便捷性的要求，解決了互聯(lián)互通互換的大規(guī)模連接問題。

2 基于NB-IoT技術(shù)的智慧路燈系統(tǒng)

基于NB-IoT技術(shù)的智慧路燈系統(tǒng)運用高安全、廣覆蓋、低功耗、大連接廣域通信技術(shù)，實現(xiàn)了對路燈信息實時采集、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、控制指令下發(fā)等遠(yuǎn)程操作。將采集的路燈運行數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息進(jìn)行及時分析和處理，實現(xiàn)了科學(xué)性的動態(tài)管理，從而提升了路燈運營的管理效率和服務(wù)水平。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于NB-IoT技術(shù)的智慧路燈系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要包含四層結(jié)構(gòu)，即感知層、 傳輸層、平臺層和應(yīng)用層。

感知層是集成了NB-IoT模組的單燈控制器裝置，用以控制每盞路燈的開、關(guān)以及采集路燈信息，并通過NB-IoT模組與無線網(wǎng)絡(luò)通信。

傳輸層采用先進(jìn)的NB-IoT廣域通信技術(shù)，授權(quán)無線頻譜資源以及電信級端到端的安全技術(shù)，以保障數(shù)據(jù)安全和接入安全。

平臺層擁有豐富的協(xié)議適配能力，支持海量多樣化終端設(shè)備接入，基于統(tǒng)一規(guī)約和接口，實現(xiàn)不同類型終端設(shè)備及不同應(yīng)用平臺的統(tǒng)一接入和管理，以確保互聯(lián)互通。

應(yīng)用層是在服務(wù)器上運行的路燈管理平臺，管理員可以在PC終端通過Internet經(jīng)身份驗證后進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢和控制，還可在手機端安裝管理軟件，實現(xiàn)隨時隨地的信息監(jiān)測與管理操控。

2.2 單燈控制器

單燈控制器作為智慧路燈系統(tǒng)的終端節(jié)點，不僅可以采集與路燈運行相關(guān)的信息并發(fā)送給遠(yuǎn)端管理平臺，還可以接收來自管理平臺的各種操作指令，對單個路燈進(jìn)行開關(guān)控制以及燈光亮度調(diào)節(jié)。標(biāo)準(zhǔn)的NB-IoT單燈控制器主要由各類傳感器、功率檢測模塊、單片機微處理器、NB-IoT無線通信模組及驅(qū)動電源模塊組成。單燈控制器使用集成的各類傳感器測量路燈的溫度和周邊光照亮度，使用功率檢測模塊檢測供電狀況及路燈的工作功率，并將采集的數(shù)據(jù)由NB-IoT模組經(jīng)運營商網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至路燈管理平臺，由管理平臺進(jìn)行相應(yīng)的操控。

2.3 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)是整個物聯(lián)網(wǎng)的通信基礎(chǔ)，本系統(tǒng)基于電信運營商的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，具有低速率、低功耗、低成本、廣覆蓋等特點，與其他LPWA技術(shù)相比，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)基于授權(quán)頻譜組建，其抗干擾能力、數(shù)據(jù)安全性、技術(shù)服務(wù)等方面均有高安全性保障。

NB-IoT具備以下幾大特點，可完美匹配城市路燈智能控制的需求：

（1）深度覆蓋：通過提高功率譜密度和增加重傳次數(shù)等技術(shù)手段，在相同頻段下，NB-IoT比GPRS網(wǎng)絡(luò)增益提高約20 dB，可提供更廣更深的覆蓋能力，滿足大街小巷路燈的無縫覆蓋。

（2）海量連接：NB-IoT使每個小區(qū)具備支撐5萬個連接的能力，滿足覆蓋范圍內(nèi)所有路燈可靠接入的需求。

（3）低功耗：NB-IoT使用PSM和eDRX技術(shù)，通過簡化無線協(xié)議、縮短收發(fā)時間等措施，降低終端功耗，符合城市照明節(jié)能的要求。

（4）NB-IoT低速率、低功耗、低帶寬的特性帶來了低成本優(yōu)勢，在模組規(guī)模商用化后可將成本控制在5美元/個以下。

2.4 IoT平臺endprint

IoT平臺擁有提供連接管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理、能力開放等基礎(chǔ)功能，支持多種物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備快速接入及各行業(yè)應(yīng)用的快速集成，支持客戶聚焦應(yīng)用和業(yè)務(wù)創(chuàng)新，平臺提供連接感知、連接診斷、連接控制等連接狀態(tài)查詢及管理功能。同時，IoT平臺還可以屏蔽不同設(shè)備和連接協(xié)議的差異性，使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議與應(yīng)用層連接。平臺可提供靈活高效的數(shù)據(jù)管理，包括數(shù)據(jù)采集、分類、結(jié)構(gòu)化存儲，數(shù)據(jù)調(diào)用、使用量分析，并提供分析性的業(yè)務(wù)定制報表。將業(yè)務(wù)進(jìn)行模塊化設(shè)計，實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯的靈活編排，以滿足行業(yè)應(yīng)用的快速開發(fā)需求。

2.5 智慧路燈管理平臺

智慧路燈管理平臺通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)及IoT平臺與路燈的單燈控制器建立連接，發(fā)送命令實現(xiàn)單盞路燈的遠(yuǎn)程開關(guān)控制和狀態(tài)、故障檢測。智慧路燈管理平臺可在電子地圖上標(biāo)示每盞路燈，并統(tǒng)計每盞路燈的開關(guān)狀態(tài)、功耗等信息，同時建立運行日志數(shù)據(jù)庫，永久保存數(shù)據(jù)。管理平臺可對路燈出現(xiàn)的故障進(jìn)行及時提示、告警，并提供打印維護(hù)訂單等功能。管理平臺可遠(yuǎn)程對單燈控制器進(jìn)行軟件更新升級。

3 應(yīng)用案例

長沙市隆平高科技園為建設(shè)智慧園區(qū)，率先在雄天路路段采用智慧路燈系統(tǒng)進(jìn)行道路照明的體制改造。本系統(tǒng)采用中國電信NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，在單燈控制器上集成上海移遠(yuǎn)BC-95 NB-IoT模組，其接收靈敏度為-129 dBm。基于800 MHz頻段的電信NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，信號穿透力強，在覆蓋方面具有較大優(yōu)勢，能滿足城市路燈分布在各角落復(fù)雜環(huán)境下的覆蓋需求。同時，電信級運營網(wǎng)絡(luò)可保障數(shù)據(jù)的可靠性和安全性。經(jīng)測試，試點路段電信LTE 800 MHz網(wǎng)絡(luò)參考信號接收功率 （Reference Signal Receiving Power，RSRP） 在-80～-90dBm間，按照理論測算，該路段NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的RSRP值應(yīng)大于-70dBm，信號覆蓋完全滿足NB-IoT模組的接收靈敏度要求。而在實際應(yīng)用中，單燈控制器與管理平臺連接穩(wěn)定，也進(jìn)一步驗證了本路段NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能。試點路段電信LTE 800 MHz網(wǎng)絡(luò)RSRP的測試結(jié)果如圖2所示。

本系統(tǒng)基于路段的實際天氣和環(huán)境狀況，通過管理平臺與單燈控制器內(nèi)置的傳感器及控制器進(jìn)行聯(lián)動以進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，在深夜車流稀少時調(diào)低路燈亮度、間隔開燈，在光照條件不好的陰雨天，根據(jù)亮度感知及時開燈。系統(tǒng)結(jié)合LED路燈，并組合使用照明策略，相比高壓鈉燈等傳統(tǒng)路燈，可節(jié)能80%。系統(tǒng)管理平臺以云服務(wù)為主架構(gòu)，搭配可擴(kuò)展性的軟件應(yīng)用，方便路燈管理者通過電腦、手機隨時隨地進(jìn)行路燈操控和監(jiān)測。同時，系統(tǒng)采用可視化管理和預(yù)測性維護(hù)，可有效降低運維成本。智慧路燈管理平臺如圖3所示。

基于NB-IoT的智慧路燈系統(tǒng)有效提高了雄天路的道路照明品質(zhì)和公共照明管理水平，隆平高科技園區(qū)內(nèi)其他主干道后續(xù)也將改造成智慧照明路，并將逐步建設(shè)成一個生活配套齊全、商務(wù)服務(wù)周到、園區(qū)綜合管理高效的多層次智能化智慧園區(qū)。

4 結(jié) 語

基于NB-IoT技術(shù)的智慧路燈系統(tǒng)，結(jié)合電信運營商的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、平臺等服務(wù)功能，通過構(gòu)建形式多樣的管理平臺，可實現(xiàn)路燈的單燈監(jiān)控及故障管理，符合物聯(lián)網(wǎng)智能、互聯(lián)的需求。將NB-IoT技術(shù)應(yīng)用于城市道路照明的智能化管理有助于提升城市及市政服務(wù)能力，是智慧城市的重要組成部分。未來，還將從智慧路燈系統(tǒng)拓展到環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、安全防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、智能充電樁、智能信息告示牌等，從智慧路燈向智慧城市邁進(jìn)，提升社會服務(wù)能力。

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