NB-IOT在道路照明智能控制系統中的應用研究

尹旭平，杜 望

（中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅蘭州730000）

1 引言

隨著經濟和社會的發展，城市公共照明已經成為城市現代化水平的重要標志之一，也是展現城市景觀、體現城市形象的重要途徑，城市照明設施規模日益增大，能源費用和運維費用節節攀升，社會各方對城市公共照明的要求和希望越來越高。然而，在長期的運營維護過程中，傳統的路燈監控和管理方式相對簡單、粗放，服務質量和節能水平有待提高，難以滿足現代化城市照明的需要，主要表現在以下幾個方面：①控制方式：手動、光控、鐘控等簡單控制方式易受季節、天氣等自然環境和人為因素影響；②參數遠程設置：無法遠程修改開關燈時間，不能根據實際情況（天氣突變，重大事件，節日）及時校時和修改開關燈時間，也無法進行路燈調光以實現二次節能；③狀態監控：缺乏路燈狀態監控，故障依據主要源于人工巡檢上報和市民投訴，不能實時、準確、全面地監控全城的路燈運行狀況；④設備防盜：缺少防盜監測，出現故障難以定位，無法準確發現電纜盜割、燈頭被盜和斷路等，不僅造成經濟損失，同時影響市民的正常生活及安全出行。

近年物聯網、云計算等新一代信息技術的廣泛應用，基于此，提出一種基于NB-IOT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯網）技術的智慧路燈系統，可智能、合理地運營城市道路照明體系，通過對系統內每一盞路燈的管控、調光及監測，可有效節省運維成本，增加經濟效益，提高城市道路照明的管理效率，滿足智慧城市設施智能化、治理精細化的訴求。

2 照明智能控制系統現狀分析

近些年，基于計算機技術、網絡技術、通信技術、控制技術等現代化科學技術的發展，為傳統的路燈管理方式找到了新的突破口，發展出了基于電力載波通信（Power Liner Carrier Communication，PLC），ZigBee等通信技術的“單燈控制系統”，實現了集中、遠程、智能控制與管理。

該系統采由由監控中心、集中控制器和終端控制器（單燈控制器）構成三級邏輯層，通過兩級通信層進行連接（兩跳）。

集中控制器安裝在配電柜內，終端控制器安裝在照明終端。集中控制器通過GPRS／4G無線網路或者光纖以太網與監控中心進行通信，終端控制器采用電力載波通信方式／ZigBee短距無線通信方式與集中控制器進行通信。集中控制器通過接收、執行、轉發上位機管理軟件的命令，對每個終端控制器進行控制，達到控制每盞路燈的亮滅及調光，節約電能。同時集中控制器通過內置的DO輸出端口在配電箱內可實現對路燈整條回路的控制，查詢每個終端控制器的信息，通過模擬量、數字量的DI輸入端口，可以外接其他設備采集現場的光照、溫度等其他信息，反饋到上位機管理軟件，實現對現場的實時監控。“兩跳”式照明智能控制系統架構圖如圖1所示：

圖1 “兩跳”式照明智能控制系統架構圖

目前在城市公共照明單燈智能化監控領域，電纜線載波通信是底層通信技術的主流方向，在實際應用中約占90%的比例；ZigBee技術也有一定應用，約占10%的市場份額；但是這種方式方式需要部署大量網關控制路燈，對中繼網關的維護和施工成本高，組網難度高，操作管理麻煩，且易受干擾，可靠性無法保障。通信干擾較大，延遲較長，且易受天氣影響，對中繼網關的維護和施工成本較大。

3 基于NB-IOT的照明智能控制系統

3.1 控制系統架構

基于NB-IoT技術的道路照明智能控制系統總共分為四層，由監控中心、NB-IoT網絡通信系統（含NB-IoT網絡和IoT平臺）和終端控制器組成，如圖2所示。

系統通過NB-IoT網絡實現數據和命令的遠程傳輸，達到對路燈的實時遠程監控。路燈節點直接與服務器通信，達到“一跳”式通信，遠程監控中心可以直接與單個路燈進行通信，實現真正的單燈控制。

圖2 NB-IOT智能控制系統框架圖

終端層：終端設備是是物聯網的基礎載體，集成NB-IoT標準模組來實現通訊能力，各終端由原有的啞終端逐步向智能終端演進，通過增加各種傳感器、通訊模塊使得終端可以控制每盞路燈的開、關以及采集路燈信息，并通過NB-IoT模組與無線網絡通信。

網絡層：網絡是整個物聯網的通訊基礎，提供上下行通信網絡，用于數據上報與應答以及配置參數與軟件版本下發。

平臺層：擁有豐富的協議適配能力，支持海量多樣化終端設備接入，基于統一規約和接口，實現不同類型終端設備及不同應用平臺的統一接入和管理，以確保互聯互通。

應用層：是物聯網中人直接感知的最上層，以統一界面進行資源管理、集中監控、單燈節能；可以在應用側進行路燈的控制，查看路燈的狀態，進行路燈軟件升級等，還可在手機端安裝管理軟件，實現隨時隨地的信息監測與管理操控。

系統可實現兩種控制方式：人工控制、智能控制。其中人工控制分為人工現場控制和人工遠程控制：前者適用于突發狀況；后者則是通過監控平臺對路燈進行遠程控制。智能控制則是根據道路的真實照明需求，包括道路的車流量和環境光亮度等，進行智能照明。

3.2 NB-IOT 技術簡介

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）即基于蜂窩的窄帶物聯網，主要應用在小數據量、低速率的物聯網應用場景，是實現萬物互聯的突破性技術。

傳統物聯網通信技術根據通信距離的長短分為兩大類：第一類是如GPRS、3G／4G等長距離的通信方式；另一類則是如zigBee、藍牙、wiFi等短距離通信方式，適用于智能家居、工業數據采集等局域網通信場合。長距離通信方式具有通信距離遠、速率高等優勢，但如3G／4G傳輸方式的功耗較大，流量成本比較高，不適合非實時通信的情景忙；目前，短距離的通信方式具有低成本、低功耗等優勢，但當應用到中長距離時就需要部署中繼節點，因此導致網絡拓撲復雜、穩定性差。

針對現有的通信傳輸技術中存在的傳輸距離與能耗之間的矛盾，近幾年產生的低功耗廣域網（Low Power Wide Area，LPWA）技術正好解決了這一矛盾問題。LPWA技術是面向物聯網中遠距離和低功耗通信需求的通信技術，具有廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接的特點。LPWA又可分為兩類：一類是工作于未授權頻譜的LoRa、SigFox等技術；另一類是工作于授權頻譜下，如LTEeMTC、NB-IoT等。NB-IoT是運營商主流技術選擇。各技術參數對比如表1所示：

表1 LPWA物聯網技術參數比較

3.3 NB-IOT 技術特點

NB-IoT構建于蜂窩網絡，只消耗大約180kHz的帶寬，其主要包括以下特點：

廣覆蓋：NB-IoT部署于運行商通信頻段，比現有的GSM／LTE網絡增益20dB，信號穿透能力更強，覆蓋范圍更大，網絡質量更穩定，同時還能都提供完善的室內信號覆蓋服務。

低功耗：主要采用PSM和eDRX這兩種省電技術，其核心是在網絡側和終端側建立一套溝通機制，使終端周期性的進入休眠態和激活態，休眠狀態下終端不再收發信號，從而達到省電的目的。低功耗模式下的NB-IoT設備續航可達兩三年，甚至可以達到十年。

低成本：較低的模塊成本，低速率、低功耗、低帶寬使得終端復雜度降低，便于實現終端低成本，單個接連模塊的成本預估可控制在5美金以內，甚至更低。同時，NB-IoT基于蜂窩網絡，可直接部署于現有的LTE網絡，運營商部署成本也比較低。

大連接：具備支持海量連接的能力。在同一基站下，NB-IoT比現有的無線技術提供超過50-100倍的接入數，單個扇區能夠支持10萬個連接，滿足了萬物互聯時代海量設備的接入要求。

3.4 部署方式

現階段的NB-IoT主要支持FDD傳輸模式，系統帶寬為200kHz，傳輸寬帶為180kHz，對于運營商來說，NB-IoT支持三種網絡部署模式如圖3，即保護帶（Guard-Band）內部署、獨立（Standalone）部署、LTE帶內（In-Band）部署。

保護帶部署是將NB-IoT網絡部署在LTE頻譜邊緣的保護頻段，使用較弱的信號強度，可以最大化地利用頻譜資源。

獨立部署是將NB-IoT網絡部署在傳統的2G頻譜或其他離散頻譜，利用現網的空閑頻譜或新的頻譜，不與現網LTE網絡形成干擾。

帶內部署是將NB-IoT網絡部署在LTE帶內的一個PRB資源，作為NB-IoT的工作載波，通常選擇在低頻段上（如700MHz、800MHz、900MHz等）。

圖3 NB-IOT部署方式

圖4 NB-IoT終端節點硬件架構

三種運行模式的設計具有一致性原則，但保護帶部署和帶內部署需要特別考慮對LTE系統的兼容性，如干擾規避、射頻指標等。其中保護帶部署沒有占用頻譜資源，不過由于設備具有復雜性，射頻指標最嚴格，系統性能與LTE帶內部署模式比較類似，所以產業發展進程呈現緩慢的態勢，現階段只有少數個別設備與終端芯片廠商支持；獨立部署方式和其他方式相比配置的限制比較少，并且覆蓋的能力較大，具有較優的下行性能，在下行覆蓋受限中，獨立部署覆蓋能力比保護帶部署方式要高。

4 NB-IoT終端硬件設計方案

4.1 NB-IoT終端硬件架構設計

NB-IoT終端控制器作為智慧路燈系統的終端節點，不僅可以采集與路燈運行相關的信息并發送給遠端管理平臺，還可以接收來自管理平臺的各種操作指令，對單個路燈進行開關控制以及燈光亮度調節。標準的NB-IoT終端控制器主要由MCU（微控制器）、NB-IoT模塊、電源模塊、各類傳感器模塊、輸出控制模塊組成，如圖4所示。

圖4中，MCU微控制器是終端主控芯片，主要接收各個模塊發送的信息，根據信息的情況判斷模塊的工作狀態，并發出相應的控制命令。電壓／電流、光強、車流量等傳感器可實時采集得到電壓／電流、光照強度、交通量等數據傳送給MCU，MCU通過UART（串口）通信方式將數據傳輸至NBIoT通信模組，然后通過NBIoT網絡傳輸到監控中心，且MCU的PWM管腳與led路燈組件的恒流驅動的調光引腳連接。同時，其通過NB-IoT通信模組接收監控中心下發的指令，監控道路路燈的運行狀態，并對LED路燈進行調光。每一個路燈終端擁有唯一的通用身份識別模塊（SIM卡），監控中心可以識別每一盞路燈，進而實現單燈控制。

圖5 MCU電路圖

電源模塊采用AC／DC開光電源將220V交流電轉換為5V直流電，并利用LT1963-3.3芯片將電壓降至3.3V，給系統內部供電。

4.2 MCU（微控制器）選型

根據路燈控制系統的設計要求，要實現的功能要求以及開發成本等因素，MCU選用STM32L471作為主控芯片，具有低功耗、高性能的特點，工作電壓 3.3V。

STM32L4系列的微控制器采用新型結構制造，具有高度靈活性和高級外設集，實現了超低功耗性能。STM32L471器件基于ARM?Cortex?-M4，具有FPU內核。工作頻率可達80MHz，實現了在80MHz頻率下具有100DMIPS的性能。

4.3 NB-IOT 模塊硬件設計

NB-IOT無線通信模塊是由移遠公司的BC95-B8通信模組（基于800MHz頻段的電信NB-IoT網絡），以及SIM卡座、濾波天線、復位電路組成，由電源模塊供電。

圖6 NB-IOT通信模塊電路圖

BC95-B8是一款高性能、低功耗的NB-IoT無線通信模塊。其尺寸僅為 23.6mmx19.9mmx2.2mm，能最大限度地滿足終端設備對小尺寸模塊產品的需求，該芯片內嵌網絡服務協議棧，通過AT命令進行控制，硬件通信端口為UART。可以工作在-40℃到+85℃的環境下，適合路燈部署環境，具有超低功耗、高靈敏度、可靠性高。模塊的SIM卡采用中國電信的物聯網終端專用卡。

本模塊將來自MCU的路燈實時狀態、光照強度以及故障狀態通過GSM網絡將數據發送給IOT平臺，并接收用戶通過GSM網絡發送來的控制命令。NB-IOT無線通信模塊設計原理圖如圖6所示。

4.4 電源模塊設計

電源模塊采用全橋式整流電路將220V三相交流電轉換成脈動的直流電，后經濾波電容和穩壓電路，輸出5V直流電壓。由于STM32L4和BC95B8的輸入電壓選用的是3.3V，5V電源難以直接對其進行供電，因此采用LT1963-3.3芯片將5V電壓轉換為3.3V工作電壓。

LT1963-3.3是針對快速瞬態響應優化的低壓差穩壓器，靜態電流為1mA，關斷時降至＜1μA。除了快速瞬態響應外，LT1963穩壓器具有非常低的輸出噪聲。

4.5 傳感器模塊選型

4.4.1 電壓／電流模塊

路燈的電流電壓采集通過計量芯片RN8302實現，使用4只精密電流互感器轉換電流信號，對于不同種類的路燈規格采用不同電流變換比例的電流互感器。采用3只微型電壓互感器來隔離交流電壓，電源相電壓經過電阻限流后，經過微型電壓互感器將電壓信號轉換成電流信號，并加入電壓鉗位電路進行超高壓保護控制器不被電網的脈沖電壓等因素損壞。

4.4.2 光強傳感器模塊

光照傳感器模塊主要負責采集外界的光照強度信號，微控制器根據接收到的光強信號控制路燈的亮度。采用BH1750芯片組成電路。該芯片工作電壓為3.3V，消耗功率極低，內置了16位模數轉換器，具有優良光譜靈敏度特性，可對光照強度進行高精度測定，實現數字化輸出。

4.4.3 車流量檢測硬件設計

選擇熱釋電紅外傳感器P2288實現對道路車流量的檢測[6]。由于P2288本身無法滿足一個條狀探測范圍的要求，需在傳感器前面加裝菲涅爾透鏡，達到聚焦和限定測量范圍的作用，使得P2288的檢測范圍達到10m以上。由于傳感器的輸出信號比較微弱且雜波較多，需經過由濾波整形、兩級放大、電壓比較等部分組成的信號檢測放大電路進行濾波放大。兩級放大電路采用LM324集成運算放大芯片，可將傳感器的輸出信號放大100～150倍，放大后的信號進入電壓比較器并經窗口比較器處理，最后進入單片機進行波形的分析和計數，實現對車流量的統計。

4.6 輸出控制模塊

路燈負載的開關控制通過繼電器實現，選用雙穩態繼電器JE7，減少控制板維持繼電器常開或者常關的能耗。

市電經LED恒流驅動給led路燈供電，MCU的PWM管腳連接led恒流驅動的調光引腳，通過監控中心下發的命令進行調光控制。

5 軟件設計

路燈控制模塊用于路燈的開關控制、亮度調節、道路環境光強度采集。軟件設計主要包括NB？IoT模塊聯網，對指令的處理和自啟動工作設計。路燈節點的程序流程圖如圖5所示，路燈節點上電后進行連網處理，入網后將本節點信息發送至服務器，節點在接收到服務器的指令后進行相應處理；節點在未能入網或掉網的情況下，會根據路燈控制模塊內部的實時時鐘進行開關燈處理，保證路燈的正常使用，同時服務器進行報警處理，方便及時進行維修處理。

圖7 路燈節點程序流程圖

6 應用前景分析

隨著智能城市、大數據時代的來臨，無線通信將實現萬物連接。移動通信正在從人和人的連接，向人與物以及物與物的連接邁進，萬物互聯是必然趨勢。對于NB-IoT產業的發展，中國移動、中國聯通、中國電信三大運營商皆就NB-IOT發布了各自的發展計劃。同時，工信部也發文《關于全面推進移動物聯網（NB-IoT）建設發展的通知》工信廳通信函[2017]351號，要求加快NB-IoT在國內落地，到2017年末建成基站規模40萬個，到2020年建成基站規模150萬個。中國NB-IoT產業加速布局，將是全球NB-IoT產業領跑者。目前在上海、廣州、江門、鷹潭、長沙落地了NBIoT智慧路燈項目，實現了到處開花、處處結果。

7 結束語

城市智慧照明是智慧能源的開端，以NB-IoT新一代通信技術為支撐，實現整個城市一張網，對城市道路每盞燈實現全面的感知、智能的控制、廣泛的交互和深度的融合，在滿足市民正常照明需求的前提下，通過智能調光、降功率、按需開關燈等管理方式，減少過度照明，電能節約率可達20%，真正實現節能減排，減少對大氣的污染，建設資源節約型、環境友好型社會。同時通過對城市照明設施實現精細化管理，通過對城市道路每個燈具的運行狀態進行準確分析和故障報警，并根據故障等級啟動相應的處置流程，將被動巡檢改為定點維護，反應更加敏捷處置效率更高，將使城市的燈光管理水平與現代化的大都市相適應，提高亮燈率，減少各種故障，合理照明，美化照明，安全照明，營造出現代城市科學和藝術完美結合的照明效果，樹立和提升城市的品牌形象。