基于NB—IoT和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地下停車庫(kù)節(jié)能照明系統(tǒng)

周震宇+蔡楊

摘要：地下停車場(chǎng)節(jié)能照明系統(tǒng)從實(shí)際需求出發(fā)，采用基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)和ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將微波感應(yīng)器的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能節(jié)能燈具結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了智能綠色照明。采用該系統(tǒng)后，可使照明系統(tǒng)工作在全自動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)將按預(yù)先設(shè)置切換若干工作狀態(tài)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間自動(dòng)地在各種工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。通過NB-IoT與云平臺(tái)數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)集中管理控制微波感應(yīng)器和智能節(jié)能燈具，同時(shí)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障監(jiān)控和節(jié)能數(shù)據(jù)分析。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)：NB-IoT：云平臺(tái)；ZigBee；智能照明

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2017.9.016

引言

目前很多在建和己建各類建筑大部分都有配套的1址下停車場(chǎng)，這些停車場(chǎng)一般都有多個(gè)人員出入口和多個(gè)車輛出入口，由于這些停車場(chǎng)面積大、光線差，需要大量的照明設(shè)備長(zhǎng)期照明。如采用通常的控制方法則需要較長(zhǎng)的線路，且回路復(fù)雜。由于各出人口與行車路線之間不是簡(jiǎn)單的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此很難用簡(jiǎn)單的強(qiáng)電控制方式實(shí)現(xiàn)停車場(chǎng)內(nèi)部照明的自動(dòng)控制，通常只能采用連續(xù)照明方式。有的地方雖然采用紅外或聲控開關(guān)來控制照明，但只能實(shí)現(xiàn)小區(qū)域內(nèi)的照明效果，無法給行人和司機(jī)提供良好的前端視野。

地下車庫(kù)作為停放車輛的場(chǎng)所，必須保持良好的照明效果，而現(xiàn)實(shí)生活中，車庫(kù)的使用也就車輛進(jìn)出和人員走動(dòng)的時(shí)間需要提供照明，大多數(shù)時(shí)間的照明都屬于“無效照明”。而這些無效照明造成大量的電能浪費(fèi)，增加了物業(yè)公司的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，還浪費(fèi)了大量的社會(huì)公共資源。所以，在地下車庫(kù)中實(shí)行“按需照明”，“節(jié)能照明”是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。采用LED“按需照明”兼顧“照明體驗(yàn)”的控制方式是未來地下車庫(kù)照明的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)也是積極響應(yīng)國(guó)家推行新能源，提倡低碳環(huán)保的政策。采用LED“按需照明”的節(jié)能照明模式大幅度減少用電量，減少對(duì)社會(huì)公共資源的浪費(fèi)。

基于NB-IoT和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地下停車庫(kù)節(jié)能照明系統(tǒng)采用智能化控制的方法改變燈光環(huán)境，延長(zhǎng)光源使用壽命，節(jié)約人力資源和能源，降低人力工作強(qiáng)度，減少人力工作疏忽，增強(qiáng)控制的靈活性和可靠性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

地下停車庫(kù)節(jié)能照明系統(tǒng)以智能網(wǎng)關(guān)為核心，網(wǎng)關(guān)與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互采用NB-IoT通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低成本大容量的數(shù)據(jù)接入，使工程的安裝實(shí)施大大簡(jiǎn)化，也為長(zhǎng)期的運(yùn)維帶來很大的便利，如圖1。

網(wǎng)關(guān)與智能節(jié)能燈具和微波感應(yīng)器之間采用ZigBee的通信技術(shù)，將微波感應(yīng)器的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和節(jié)能燈具結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了智能綠色照明。采用該系統(tǒng)后，可使照明系統(tǒng)工作在全自動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)將按預(yù)先設(shè)置切換若干工作狀態(tài)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間自動(dòng)地在各種工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。例如，上下班時(shí)間，此時(shí)車庫(kù)的車流量最大，可以打開所有區(qū)域的燈光，以方便人員進(jìn)出：白天的時(shí)候，車庫(kù)車流量小，室外照度充足，就可以關(guān)閉車庫(kù)內(nèi)車位照明，車道照明保持1/2或1/3照度，以節(jié)約能源；等到深夜后，此時(shí)車庫(kù)車流量最小，可以關(guān)閉車庫(kù)內(nèi)所有照明，只保留指示照明，以保證最基本的照度。另外還可以通過后臺(tái)管理系統(tǒng)，根據(jù)特殊情況，隨時(shí)切換不同場(chǎng)景，以適應(yīng)各種情況下對(duì)燈光的要求。

結(jié)合以上的系統(tǒng)架構(gòu)和地下停車庫(kù)的實(shí)際需求，智能網(wǎng)關(guān)具備特性如表1。

2 基于蜂窩的窄帶物a關(guān)網(wǎng)NB-IoT的設(shè)計(jì)

基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet ofThings，B-IoT）成為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。NB-IoT是IoT領(lǐng)域一個(gè)新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）。NB-IoT支持待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)、對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。據(jù)說NB-IoT設(shè)備電池壽命可以提高至至少10年，同時(shí)還能提供非常全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋。

2.1 NB-IoT的主要特性

NB-IoT與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商通信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備使用廣播協(xié)議（3GPP NB-IoT Rel-13），關(guān)鍵特性如表2。嵌入到應(yīng)用電路中的N B-IoT系統(tǒng)框圖如圖2。

2.2 NB-IoT供電時(shí)序設(shè)計(jì)

NB-IoT供電范圍為3.1V至4.2V，要確保輸入電壓不會(huì)低于3.1V。如果電源電壓低于3.1V，將會(huì)出現(xiàn)異常。NB-IoT性能的好壞很大程度上取決于電源，所以電源模塊的設(shè)計(jì)是非常重要的，其中電源提供的電流至少0.5A。為更好的提高性能，需要在在VBAT附近放一個(gè)lOOμF的鉭電容和三個(gè)陶瓷電容器100μf、100p和22pf。電源設(shè)計(jì)如圖3。

上電模式：該模塊可以通過給VBAT引腳供電而自動(dòng)開始工作，時(shí)序圖如圖4。

掉電模式：該模塊可以通過斷開VBAT引腳的電而自動(dòng)停止工作，時(shí)序圖如圖5。

2.3 USIM卡接口

ESIM、USIM接口采用3 GPP規(guī)范，適用于常規(guī)的應(yīng)用工具。在模塊上有一個(gè)USIM接口的監(jiān)控電路，只支持3.0V的USIM卡。6個(gè)引腳的USIM卡電路設(shè)計(jì)如圖6：

為了提高USIM卡在應(yīng)用中的可靠性和可用性。 按照USIM電路設(shè)計(jì)中的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

（1） USIM卡槽在模塊的距離盡可能近，走線長(zhǎng)度盡可能小于200mm。

（2） USIM信號(hào)遠(yuǎn)離RF和VBAT電路。

（3）確保模塊和USIM卡槽之間的地連接短而寬。地線的走線寬度不小于0.5mm，以保持相同的電勢(shì)。USIM- VDD靠近USIM卡槽處需添加小于luF去耦電容。

（4）避免USIM- DATA和USIM- CLK之間的串?dāng)_。保持它們彼此遠(yuǎn)離，并用包圍的地面屏蔽它們。endprint

（5）為了提供良好的ESD保護(hù)，建議添加一個(gè)TVS_極管陣列。將TVS管靠近UStM卡槽，保證模組的USIM接口不會(huì)被ESD損壞。在模塊和USIM卡槽之間應(yīng)串聯(lián)22Q電阻，以抑制EMI雜散傳輸并增強(qiáng)ESD保護(hù)。請(qǐng)注意，USIM外圍電路應(yīng)靠近USIM卡連接器。

（6）將RF旁路電容（33pF）靠近USIM卡槽放置，以提高EMI抑制。

2.4 RF參考設(shè)計(jì)

射頻電路設(shè)計(jì)參考如圖7。

在天線焊盤兩邊有一些接地腳，目的是為了給射頻部分提供更好的對(duì)地連接，此外，有一個(gè)與電路相配的π電容用來調(diào)節(jié)射頻的性能，設(shè)計(jì)時(shí)最好靠近模塊的RF- ANT引腳。在射頻PCB設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意，模塊射頻引腳與天線射頻端的特性阻抗應(yīng)該設(shè)置在50歐姆。

3 基于ZigBee技術(shù)的傳感控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ZigBee傳感控制系統(tǒng)中主要包含ZigBee智能調(diào)光LED T8燈和Zig Bee微波感應(yīng)器，結(jié)合智能網(wǎng)關(guān)的邏輯控制，實(shí)現(xiàn)地下車庫(kù)節(jié)能照明系統(tǒng)人來車來調(diào)高亮度，人走車走調(diào)低亮度。

3.1 ZigBee智能調(diào)光LED T8燈管

采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)亮度，低能耗，安裝方式和普通T8燈管完全一致。如表3。

3.2 ZigBee微波感應(yīng)器

微波雷達(dá)感應(yīng)優(yōu)點(diǎn)：感應(yīng)距離更遠(yuǎn)，角度廣，無死區(qū)，能穿透玻璃和薄木板，不受環(huán)境、溫度、灰塵等影響，在37度情況下，感應(yīng)距離不會(huì)縮短。反映速度快。是聲控、紅外感應(yīng)的最佳替代品。如表4：

兩個(gè)微波感應(yīng)器相隔距離需要在3米以上，不能會(huì)造成微波誤報(bào)，實(shí)際設(shè)計(jì)中微波感應(yīng)器每隔6-7米安裝一個(gè)設(shè)備，微波探測(cè)距離計(jì)算方法如圖8。

4 先進(jìn)性和節(jié)能效益

4.1節(jié)能，降低能耗浪費(fèi)

地下停車場(chǎng)照明需求存在明顯的“潮汐現(xiàn)象”，即高峰時(shí)段與低谷時(shí)段的差異明顯，但傳統(tǒng)的日光燈管不會(huì)因?yàn)檫@種差異而改變亮度，達(dá)不到按需照明的目的，這就造成了低谷時(shí)段照明的大量浪費(fèi)。

針對(duì)于車庫(kù)車輛的駛?cè)肱c駛出存在“潮汐現(xiàn)象”，高峰期主要集中在上下班時(shí)段，一天中約有3/4的時(shí)間停車場(chǎng)處在休眠期，如果能有效的控制這3/4的時(shí)間段內(nèi)的能耗輸出，能夠很大程度上降低能耗的浪費(fèi)。

4.2 降低運(yùn)營(yíng)成本

迫于經(jīng)濟(jì)壓力，地下停車場(chǎng)的經(jīng)營(yíng)企業(yè)曾經(jīng)采用多種辦法，例如，減少照明燈具安裝數(shù)量、減少亮燈數(shù)量、人工控制亮燈時(shí)間等達(dá)到節(jié)能的目的，但這些都是以降低照明品質(zhì)為代價(jià)來換取電能的節(jié)約，改造效果往往不能令人滿意。由于地下停車場(chǎng)這種場(chǎng)合在地下需要長(zhǎng)時(shí)間照明，耗能比較嚴(yán)重，所以照明費(fèi)用較高，企業(yè)不得不承擔(dān)高額的運(yùn)營(yíng)成本。因此實(shí)現(xiàn)智能化的節(jié)能是企業(yè)迫切需要的。

4.3 做到節(jié)能的同時(shí)兼顧照明體驗(yàn)

采用可以做單盞燈光亮度調(diào)節(jié)的T8 LED智能燈管，通過系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)，使得整體照明在做到節(jié)能化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)用戶角度的正常光照體驗(yàn)。在無人無車狀態(tài)下，燈光調(diào)暗，有人有車的時(shí)候，在其行進(jìn)路線上，燈管逐步提前調(diào)亮。

4.4 節(jié)能效益分析

普通的地下車庫(kù)照明都是分高峰和低谷兩個(gè)時(shí)間段開啟車庫(kù)照明，不論有沒有車輛進(jìn)入，高峰時(shí)段內(nèi)所有庫(kù)照明始終都是成開啟狀態(tài)。實(shí)際應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)節(jié)能智能照明系統(tǒng)后，無人無車是燈的功率調(diào)喑至5%，有車有人是功率調(diào)亮至70%，實(shí)測(cè)中，寫字樓地下停車庫(kù)和住宅地下停車庫(kù)24小時(shí)中，平均30%的時(shí)間比例處于有人或有車狀態(tài)，平均70%的時(shí)間比例處于無人無車燈暗的狀態(tài)，所以針對(duì)寫字樓和住宅地下停車庫(kù)的節(jié)能率高大70%。

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