基于NB-IoT的智慧照明系統設計

王蓓 彭吉瓊 鄧國印

摘? 要：本文介紹了基于NB-IoT技術的智慧照明系統的架構組成，實現對單燈的遠程控制，說明了傳感器模塊、通信模塊、路燈控制模塊、電力采集模塊的實現方法。系統通過軟件平臺實現對照明設施的實時監測及節能管理，解決城市照明現存的不足和問題。通過單燈管理改變路燈落后的養護方式，降低運營維護成本，提升城市照明管理水平，促進城市照明節能減排。

關鍵詞：NB-IoT;單燈控制;智慧照明系統;節能

中圖分類號：TM923.5;TN929.5? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）19-0194-03

Abstract：This paper introduces the architecture of intelligent lighting system based on NB-IoT technology，realizes the remote control of single lamp，and explains the implementation method of sensor module，communication module，street lamp control module and power acquisition module. The system solves the problems of urban lighting through real-time monitoring of software platforms and energy-saving management of lighting facilities. Through the single-lamp management to change the out-dated maintenance mode of street lamps，the system can reduce costs of operation and maintenance，improve the level of urban lighting management，and promote energy saving and emission reduction of urban lighting.

Keywords：NB-IoT;single control;intelligent lighting system;energy saving

0? 引? 言

在經濟社會發展中，城市公共照明已不局限于道路功能照明，而是發展為表現城市景觀、展示城市形象的標志。隨著現代化城市照明設施規模與日俱增，用電量節節攀升，社會各方對公共照明的要求和期望也水漲船高。目前國內城市照明的現狀是監控和管理相對簡單、粗放，難以滿足現代化城市照明的要求，城市照明在管理和節能方面的水平都亟待提高。

1? 系統整體架構

本智慧照明系統由云平臺、監控中心、智能終端設備和NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯網）通信網絡等部分組成。通過對城市照明的點、線、面實時監測、實時記錄照明設施的狀態信息及對能耗情況進行分析，制定控制策略，基于城市照明的運營情況進行節能管理。協助照明主管部門完善全市照明信息的統計，建立客觀的節能評價體系，提升對城市照明情況指導的針對性和科學性。NB-IoT基于運營商蜂窩網絡，通信穩定。在此網絡架構下每個單燈控制器不需現場通信網關即可直接和監控中心通信，減少通信環節，使網絡更簡單、系統對單燈控制更靈活。系統整體架構如圖1所示。

2? 硬件設計

2.1? 傳感器模塊

該模塊主要包括光照度傳感器和車流量傳感器。光傳感器實時檢測所處環境光的數據，為照明策略提供數據，車流量傳感器實現對道路車流量的統計，為整個道路的照明需求做判斷依據。車流量傳感器通過RS-485協議與主控制器通信。

2.2? 通信模塊

此模塊實現路燈和監控中心的通信，采用NB-IoT單層網絡結構，具有覆蓋廣、連接多、功耗低、成本低的優點。芯片采用全網通移遠的BC25，支持TCP（傳輸控制協議）和UDP（用戶數據包協議），足以勝任路燈所需無線網絡通信功能。NB-IoT模塊通過串口與主控芯片進行數據通信。

2.3? 路燈控制模塊

此模塊實現路燈通斷及亮度調節，包括負載通斷控制、路燈驅動電路、路燈亮度調節等。路燈控制電路圖如圖2所示。路燈的開關控制和亮度控制分別由兩路電路完成，路燈的開關控制由繼電器完成，亮度調節由PWM信號實現控制。

2.4? 電力采集模塊

該模塊實現路燈實時電壓、電流等各種功率采集及數據傳輸。圖3為電力采集電路圖。采用ATT7053AU（單相電力采集芯片），可直接通過串口讀取到各種電力參數。

3? 軟件設計

3.1? 環境監測模塊

調光器的主控芯片通過I2C（串行總線）和光照度傳感器相連，可實時讀取環境光照強度，其步驟為：SendData （）通過I2C向傳感器發送命令然后設置其工作模式為H- resolution等，完成光照強度的轉換后即可通過I2C讀取環境光照強度數據。

3.2? 通信模塊

模塊的初始化包括加電、寫入IMEI號、搜索基站、連接基站等。節點將采集的數據按通信協議進行編碼發送給NB-IoT模塊，然后封裝成CoAP協議發送至平臺，平臺對收到的數據進行解析完成數據存儲。通過數據查詢接口服務器可獲取平臺的數據進行下一步操作。

3.3? 路燈控制模塊

該模塊把路燈節點信息發送至服務器，再對收到的命令進行處理，若路燈處于離線狀態或未入網，則按控制模塊的RTC時鐘決定路燈的開關和亮度以保證照明。其流程如圖4所示。

3.4? 應用層軟件

3.4.1? 照明設施資源管理

照明設施資源管理是單燈管理乃至照明智能監控等應用的基礎。通過對燈桿、控制柜、變壓器等照明設施進行編碼和定位，以GIS為基礎進行可視化動態管理，為設施的養護和維修提供依據，為照明能耗統計分析、城市照明監控和節能管理提供數據依據。照明設施資源管理具有以下功能：

（1）電子地圖基本功能。采用主流電子地圖展示城市最新地貌、道路等信息。地圖基礎數據可更新，有利于照明設施資源的入庫、管理和查詢。

（2）分層顯示功能。對不同路燈設施采用分層方式以更好進行管理，按需要可將不同層（燈桿、基礎地理信息、變壓器等）進行疊加，滿足不同層次的設施查看需求。

（3）設施信息管理。能對路燈設施提供詳細的檔案管理，可直觀顯示控制箱的接線圖、電氣設備拓撲關系、控制箱的控制范圍、單獨回路的控制設施及相關信息。

（4）照明設施定位及查詢。能對照明設施進行準確定位和查找，可按照所屬區域、創建時間、設備類型對設施信息進行查詢統計。

3.4.2? 照明智能監控系統

完成照明設施運行控制、狀態監測、數據分析，提供日常所需統計、查詢、分析，對路燈進行智能化、集中化、自動化監控管理。

（1）遠程數據采集。通過RTU（遠程終端單元）按設定時間自動獲取照明設施的運行參數，可對控制箱總回路和分支回路的各電力參數進行遙測。也可隨時手動完成巡測。

（2）遠程路燈控制。可根據城市所處經緯度計算不同季節的日照時間，得到全年開關燈時間數據，采用時控和光控結合方式自動對整個城市進行開關控制;也可手動控制每盞燈的開關。

（3）遠程抄表。遠程監控終端自身具備電能計量功能，可通過采集監控終端的電能數據計算各種參數。系統具有自動抄表機制，也可手動抄表。

（4）控制方案：1）分組控制。按區域、路段分組。不同分組可編制不同控制方案。2）預案控制。為節假日提供預案管理可完成特殊亮燈要求，其他時間控制方案不受此影響。

（5）故障報警。若設備狀態異常（缺相、滅燈、控制箱門異常打開等）可永久保存并產生報警記錄，報警信息可通過多種方式（短信、郵件）告知用戶。

3.4.3? 單燈節能管理系統

（1）單燈狀態監測。對每一盞路燈的工作狀態實時在線巡測，也可手動巡測。

（2）單燈節能控制。依據時間、天氣、車流等設定節能方案，實現關輔道燈、智能調光等節能控制。

（3）單燈節能管理及亮燈率統計。根據采集的電力數據，可精確統計指定區域的亮燈率。結合單燈節能控制方案綜合計算，按日、月、年生成節能報表，分析城市照明節能情況。

（4）單燈故障定位及管理。根據單燈運行情況分析匯總，生成單燈故障報表，可在電子地圖上實現故障設施定位，可方便快速地確定地點，提高維護效率。

（5）系統運行統計分析。采用報表模式對每天的運行情況進行匯總分析，包括系統運行總表和6張二級報表。

3.4.4? 移動監控

針對城市照明管理移動辦公的需要，設計開發智慧照明移動應用，系統支持智能手機或平板通過3G、4G、Wi-Fi等實現移動監控功能，為管理人員及維護人員提供最大工作便利。

4? 結? 論

本系統采用NB-IoT通信方式實現了對單燈的直接控制，提高了路燈維護效率，延長了設施使用年限，降低了運營管理成本，為智慧城市的建設提供了良好的基礎。在全夜燈模式下，開關燈控制平均節電率可達32%，智能調光平均節電率可達40%。實現良好的社會效益和經濟價值。

參考文獻：

[1] 葉煒，呂偉，洪寬，等.基于NB-IoT技術的道路照明智能控制系統 [J].照明工程學報，2017，28（5）：20-23+41.

[2] 吳超華，李云飛，嚴建峰.基于NB-IoT的路燈控制系統設計 [J].現代電子技術，2018，41（24）：5-9.

[3] 鄒玉龍，丁曉進，王全全.NB-IoT關鍵技術及應用前景 [J].中興通訊技術，2017，23（1）：43-46.

[4] 袁峰，李引，吳鴻.面向智慧城市的物聯網共享平臺建設 [J].城市觀察，2016（6）：123-130.

作者簡介：王蓓（1980-），女，漢族，浙江海寧人，專任教師，講師，碩士，研究方向：嵌入式系統開發;彭吉瓊（1987-），女，漢族，福建寧德人，專任教師，助教，學士學位，研究方向：計算機科學與技術;鄧國印（1980-），男，漢族，江西南豐人，專任教師，助教，學士學位，研究方向：計算機網絡。