淺談路燈控制系統(tǒng)的發(fā)展

李正杰

【摘 要】路燈作為城市不可或缺的配套設(shè)施，其控制系統(tǒng)近年來備受關(guān)注。隨著半導(dǎo)體技術(shù)、無線通信技術(shù)的發(fā)展，目前有越來越多的新技術(shù)、新方案應(yīng)用到路燈控制系統(tǒng)中，這些方案特性、架構(gòu)各有不同，都各有優(yōu)點和缺點。文章對目前主流的路燈控制系統(tǒng)方案進行了研究，從經(jīng)濟性、方案實現(xiàn)難易程度、工程部署便利性、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面進行分析，剖析了各個方案的優(yōu)勢和不足，并對路燈控制系統(tǒng)的發(fā)展方向提出了自己的觀點。

【關(guān)鍵詞】路燈控制系統(tǒng);電力線載波;Zigbee;NB-IoT;窄帶物聯(lián)網(wǎng)

【中圖分類號】TM923 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）06-0217-03

路燈是城市公共設(shè)施的重要組成部分，截至2016年全國路燈存量大約為2 620萬盞，以每年10%的增速預(yù)測，預(yù)計到2020年增加到3 836萬盞。面對如此巨大的路燈數(shù)量，城市的路燈管理部門需要建立一套行之有效的管理系統(tǒng)對城市路燈進行管理和運維。路燈控制系統(tǒng)也經(jīng)歷了多次的迭代發(fā)展，從最初的人工控制、人工巡檢、定時控制發(fā)展到具備“三遙”特性，即遙控、遙測、遙信的智能化控制系統(tǒng)。本文對目前市面上常見的、主流的路燈控制系統(tǒng)進行了研究，分析其優(yōu)點和缺點，并對路燈控制系統(tǒng)的發(fā)展提出了自己的觀點。

1 基于時控開關(guān)的路燈控制系統(tǒng)

基于時控開關(guān)的路燈控制系統(tǒng)屬于傳統(tǒng)的路燈控制方式，其系統(tǒng)的核心部件是經(jīng)緯度時控開關(guān)，通過經(jīng)緯度時控開關(guān)控制路燈供電回路的上電和掉電來達到控制路燈的目的。這種系統(tǒng)有其優(yōu)勢，如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便，系統(tǒng)部署時對工程人員的專業(yè)素質(zhì)要求不高，同時系統(tǒng)經(jīng)濟實惠，適合于路燈數(shù)量不多、對成本控制要求高的項目。但時控方式的路燈控制系統(tǒng)也有其弊端，如只能對路燈的供電回路進行控制，無法對單盞路燈進行單獨控制，因此實現(xiàn)不了路燈調(diào)光功能，不利于減能減排。此外，系統(tǒng)屬于無反饋系統(tǒng)，管理人員無法獲取路燈的工作狀態(tài)，需要配合人工巡檢來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。時控開關(guān)的定時時間需要人工現(xiàn)場輸入，因此當(dāng)需要更改定時時間時，工作人員需要對管轄范圍內(nèi)的所有定時開關(guān)進行定時操作，工作量繁重。時控開關(guān)無聯(lián)網(wǎng)功能，因此無法自動校時，長時間工作后會出現(xiàn)時間偏差的問題，需要人工定時地進行人工校時，增加了人工成本。基于上述功能上的缺點，目前基于時控開關(guān)的路燈控制系統(tǒng)已經(jīng)逐漸被淘汰，取代它的是具備“三遙”特性的新一代路燈控制系統(tǒng)。

2 基于電力線載波的路燈控制系統(tǒng)

電力線載波通信是一種以輸電線作為信息傳播介質(zhì)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，該技術(shù)是把載有信息的高頻信號加載于電流，然后用輸電線傳輸信息，適配器再把高頻信息從電流中分離出來并傳送到終端以實現(xiàn)信息傳遞。基于電力線載波通信的路燈控制系統(tǒng)具備“三遙”功能，是新一代的路燈控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)單盞路燈可控，其系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。整個系統(tǒng)由硬件、軟件兩個部分組成。軟件采用C/S或者B/S架構(gòu)，使用C/S架構(gòu)時管理人員通過客戶端管理路燈設(shè)備，使用B/S架構(gòu)時管理人員通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器進行路燈管理工作，操作方便，是新一代系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。硬件上系統(tǒng)由單燈控制器和網(wǎng)關(guān)/集中器組成，單燈控制器配合路燈燈頭使用，單燈控制器接收管理人員下發(fā)的指令對路燈進行調(diào)光、開關(guān)燈操作，同時單燈控制器實時監(jiān)測路燈的工作狀態(tài)，檢測其各項指標(biāo)如電壓、電流、功率、功率因素是否符合標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時及時地發(fā)出報警信息提供給路燈管理人員。網(wǎng)關(guān)/集中器在系統(tǒng)中起到橋接數(shù)據(jù)的作用，將管理人員下發(fā)的指令通過電力線載波傳輸給單燈控制器，同時將單燈控制器的反饋信息通過2 G/3 G/4 G/以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)回饋給管理人員。

使用電力線載波作為路燈控制系統(tǒng)的下行通信方式有兩點優(yōu)勢：第一，由于通信數(shù)據(jù)是通過電力線傳播，因此對于路燈控制系統(tǒng)的部署不需要額外架設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)，前期投入小，有一定的經(jīng)濟優(yōu)勢。第二，作為通信介質(zhì)的電力線，通常情況下可靠性高，抗破壞的能力強，因此在物理介質(zhì)層面有一定的可靠性。但是電力線載波通信也有其局限性，一是在電力線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)只能在一個配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳播，不能跨變壓器，所以在部署基于電力線載波通信的路燈控制系統(tǒng)時需要注意路燈的配電情況，當(dāng)有回路屬于不同變壓器時需要增設(shè)網(wǎng)關(guān)/集中器。二是電力線載波通信的質(zhì)量容易受到電網(wǎng)上其他用電設(shè)備的干擾。當(dāng)電網(wǎng)的環(huán)境比較純凈時，電力線載波的通信成功率較高，同時傳輸距離也比較遠，可達1～2 km，但是當(dāng)電網(wǎng)上存在如日光燈管的電子整流器、發(fā)電機、電動機等設(shè)備時會對電力線載波通信造成很大干擾，傳輸距離會由原來的1～2 km縮短為十幾米甚至幾米。這種情況經(jīng)常會在舊城區(qū)路燈改造工程中遇到，舊城區(qū)的路燈線路的負(fù)載情況往往比較復(fù)雜，除路燈外，還有燈桿廣告燈箱、高壓鈉燈等設(shè)備，這些設(shè)備會對電力線通信造成影響，導(dǎo)致某些位置的路燈控制器通信故障，工程上遇到此類情況，需要通過在線路上排除干擾源、增加中繼節(jié)點等方法來消除影響，這需要工作人員具備良好的理論基礎(chǔ)和工程實操經(jīng)驗，同時也增加了路燈控制系統(tǒng)的部署難度。

3 基于Zigbee技術(shù)的路燈控制系統(tǒng)

Zigbee是一種短距離無線通信技術(shù)，具有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了其物理層和數(shù)據(jù)鏈路層定義，Zigbee聯(lián)盟制定了其網(wǎng)絡(luò)層和安全層的定義，用戶可以根據(jù)自己的需求對其應(yīng)用層進行定義。此外，Zigbee技術(shù)能夠為用戶提供機動、靈活的組網(wǎng)方式。在組網(wǎng)性能上，ZigBee可以構(gòu)造為星形網(wǎng)絡(luò)或者點對點對等網(wǎng)絡(luò)，在每一個ZigBee組成的無線網(wǎng)絡(luò)中，連接地址碼分為16比特短地址或者64比特長地址，可容納的最大設(shè)備個數(shù)分別為216個和264個，具有較大的網(wǎng)絡(luò)容量。在無線通信技術(shù)上，采用CSMA-CA方式，有效地避免了無線電載波之間的沖突。

基于Zigbee技術(shù)的路燈控制系統(tǒng)同樣也是新一代的路燈控制系統(tǒng)，具備“三遙”功能，系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D2所示。該系統(tǒng)整體上與基于電力線載波的控制系統(tǒng)非常類似，只是系統(tǒng)的下行通信方案改為Zigbee無線通信方式。Zigbee做下行通信方案有其優(yōu)勢，由于是無線技術(shù)，因此不需要額外架設(shè)下行通信網(wǎng)絡(luò)，投入小，有一定的經(jīng)濟性。Zigbee通信技術(shù)具有mesh功能，當(dāng)節(jié)點的信號被遮擋時，可以通過臨近的其他節(jié)點維持與網(wǎng)關(guān)/集中器的通信。使用Zigbee作為下行網(wǎng)絡(luò)的路燈控制系統(tǒng)也有其不足的地方。Zigbee網(wǎng)絡(luò)的工作頻段是2.4 GHz，在這個頻段上有WIFI、藍牙等其他無線通信方式，這幾種工作在相同頻段的無線通信方式之間會形成相互的干擾，特別是在城市中心區(qū)域存在著大量的智能手機、家庭無線熱點、智能穿戴設(shè)備，干擾的情況會更加突出，嚴(yán)重時會導(dǎo)致Zigbee網(wǎng)絡(luò)的丟包率增加，通信的成功率下降。Zigbee屬于短波通信技術(shù)，因此Zigbee網(wǎng)絡(luò)的信號繞射障礙物的能力弱，在一些樹木茂盛的園區(qū)，或者道路曲折、遮擋物較多的道路應(yīng)用時，會有可能出現(xiàn)孤立的節(jié)點，無法通過mesh的方式跟網(wǎng)關(guān)/集中器通信，遇到這種情況需要通過增設(shè)中繼器或者調(diào)整控制器安裝位置來解決，這需要工作人員具備良好的理論基礎(chǔ)和工程實操經(jīng)驗，同時增加了路燈控制系統(tǒng)的部署難度。

4 基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的路燈控制系統(tǒng)

NB-IoT，即窄帶物聯(lián)網(wǎng)，是近年來新興的一種低功耗物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，主要基于LTE技術(shù)（3GPP Release 13），目前國內(nèi)的三大運營商——移動、電信、聯(lián)通都已經(jīng)部署了各自的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋范圍廣的特點，與傳統(tǒng)的GSM網(wǎng)絡(luò)相比，其覆蓋范圍是后者的10倍，同時NB-IoT比傳統(tǒng)的LTE無線網(wǎng)絡(luò)提高了20 dB的增益，因此可以覆蓋到地下車庫、地下管廊、井蓋等傳統(tǒng)通信方式難以覆蓋的地區(qū)。NB-IoT還具有海量連接的特點，其相比2G/3G/4G/等傳統(tǒng)通信方式有50～100倍的上行容量提升，因此可以比傳統(tǒng)的LTE無線技術(shù)容納更多的終端節(jié)點。NB-IoT還具有低功耗的特性，當(dāng)NB-IoT模組工作在PSM低功耗模式下時，耗電量僅為微安級別，這樣即使使用電池供電也可以工作數(shù)年。

當(dāng)NB-IoT技術(shù)應(yīng)用于路燈控制系統(tǒng)時，NB-IoT的特性可以完美地契合路燈控制系統(tǒng)的應(yīng)用要求。路燈在城市中覆蓋范圍大，不僅在城區(qū)主干道設(shè)有路燈，在城區(qū)的支路、城鄉(xiāng)結(jié)合處、城中村等偏遠或者傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)信號不佳的地區(qū)同樣也設(shè)有路燈，這時NB-IOT網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，收發(fā)靈敏度高的優(yōu)勢可以保證即使處在偏遠或者信號不佳地區(qū)的路燈仍然處在NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的覆蓋下。同時路燈的數(shù)量大，極有可能在一個基站的覆蓋范圍內(nèi)存在數(shù)千盞路燈，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的大容量連接可以保證這些路燈終端節(jié)點可以同時接入網(wǎng)絡(luò)，保持通信。

采用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的路燈控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，從圖3可以看出與采用電力線載波和Zigbee網(wǎng)絡(luò)的路燈控制系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有很大的不同。在使用電力線載波或者Zigbee網(wǎng)絡(luò)的路燈控制系統(tǒng)中，上行傳輸時節(jié)點的數(shù)據(jù)通過下行網(wǎng)絡(luò)（電力線載波/Zigbee）匯聚到網(wǎng)關(guān)/集中器，網(wǎng)關(guān)/集中器再通過2 G/3 G/4 G/以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器，下行傳輸時下發(fā)給節(jié)點的數(shù)據(jù)通過2 G/3 G/4 G/以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)下發(fā)至網(wǎng)關(guān)/集中器，網(wǎng)關(guān)/集中器再通過下行網(wǎng)絡(luò)（電力線載波/Zigbee）發(fā)送到節(jié)點。網(wǎng)關(guān)/集中器在系統(tǒng)中起到橋接上行網(wǎng)絡(luò)（2 G/3 G/4 G/以太網(wǎng)）和下行網(wǎng)絡(luò)（電力線載波/Zigbee）的作用。在使用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的路燈控制系統(tǒng)中，因為NB-IoT網(wǎng)絡(luò)是電信級別網(wǎng)絡(luò)，與2 G/3 G/4 G/同級別，所以NB-IoT模組是直接通過運營商的基站進行數(shù)據(jù)收發(fā)。上行傳輸時節(jié)點數(shù)據(jù)通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)直接發(fā)送到服務(wù)器，下行傳輸時下行數(shù)據(jù)通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)直接發(fā)送到節(jié)點，中間不需要網(wǎng)關(guān)/集中器進行數(shù)據(jù)的橋接。這種系統(tǒng)拓?fù)溆袔c優(yōu)勢，一是節(jié)省了網(wǎng)關(guān)/集中器，降低了系統(tǒng)的成本。二是在使用網(wǎng)關(guān)/集中器的系統(tǒng)架構(gòu)中，網(wǎng)關(guān)/集中器是重要的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)點，一旦出現(xiàn)故障，網(wǎng)關(guān)/集中器管轄范圍內(nèi)的節(jié)點都會失去控制。在使用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)中，每個節(jié)點都是相互獨立的，單個節(jié)點故障不影響其他節(jié)點的通信，系統(tǒng)的可靠性上要高于使用網(wǎng)關(guān)/集中器的系統(tǒng)。三是網(wǎng)關(guān)/集中器功能復(fù)雜，往往需要基于linux這種級別的操作系統(tǒng)開發(fā)，在系統(tǒng)開發(fā)上具有一定的難度。而在使用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)中，不需要網(wǎng)關(guān)/集中器，降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度。

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)節(jié)點有3種工作模式：第一種工作模式是PSM省電模式，在這種工作模式下，NB-IoT模組在一定時間內(nèi)如果沒有數(shù)據(jù)發(fā)送會自動進入到休眠狀態(tài)，此時下行數(shù)據(jù)不能夠送到NB-IoT模組，節(jié)點的功耗最低，但是下行數(shù)據(jù)不能實時下達，不適合于對下行操作有一定實時要求的路燈控制應(yīng)用。第二種工作模式是eDRX模式，在這種工作模式下，NB-IoT模組間隔性地進入尋呼窗口進行下行數(shù)據(jù)的接收，間隔的時間從幾十秒到幾小時不等（由不同的APN接入點決定），數(shù)據(jù)接收的實時性不高，也不適合路燈控制的應(yīng)用需求。第三種工作模式是DRX模式，在這種工作模式下，NB-IoT模組一直處于工作狀態(tài)，能夠?qū)崟r接收下行數(shù)據(jù)，下行數(shù)據(jù)的延時在1～10 s之間，符合路燈控制應(yīng)用的需求。因此，在基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的路燈控制系統(tǒng)中，需要將NB-IoT通信模組配置為DRX模式。

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)雖然有眾多的優(yōu)點，但是由于是新興的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，各個運營商之間及各個城市之間的覆蓋范圍及信號質(zhì)量參差不齊，同時由于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)是電信運營商的商用收費網(wǎng)絡(luò)，因此部署基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的路燈控制系統(tǒng)除了前期的硬件設(shè)備投入外，運營期間還需要對每個路燈節(jié)點的流量費用進行投入，在運維成本上會比電力線載波、Zigbee這些自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)高。

5 結(jié)語

通過對上述幾種類型的路燈控制器的優(yōu)缺點分析，筆者認(rèn)為基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的路燈控制系統(tǒng)在系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾能力，以及實現(xiàn)難易程度上都具有明顯的優(yōu)勢。雖然目前NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的部署范圍和信號質(zhì)量上存在各地區(qū)參差不齊的情況，但是由于國家大力推行NB-IoT網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，這些情況肯定會在不久的將來得以改善，基于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的路燈控制系統(tǒng)會成為路燈控制系統(tǒng)新的發(fā)展方向。

參 考 文 獻

[1]黃貞升.百色市城市照明路燈現(xiàn)狀分析[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2017（5）.

[2]吳超華，李云飛，嚴(yán)建峰.基于NB-IoT的路燈控制系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018（24）.

[3]張群.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能路燈控制系統(tǒng)研究[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計，2018（3）.

[責(zé)任編輯：高海明]