基于NBIOT的城市路燈控制系統(tǒng)

趙闊 鐘霈合 黃紹林 張慧敏

摘要：NBIOT是低功耗長距離無線通信技術(shù)，在水電氣等公共事務(wù)領(lǐng)域的遠程抄表中得到廣泛應(yīng)用，本文重點討論了將NBIOT技術(shù)應(yīng)用在城市道路照明的智慧路燈控制系統(tǒng)中的實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：NBIOT;單燈控制器

一、背景

道路照明是城市公共設(shè)施的重要組成部分，目前國內(nèi)的照明系統(tǒng)大多沒有采用網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)管，現(xiàn)有基于GPRS以及其他網(wǎng)絡(luò)的路燈控制系統(tǒng)一般采用集中控制，只能以區(qū)域為單位對照明系統(tǒng)進行簡單的開關(guān)控制，或者以街道為單位進行控制，是粗放式控制，不靈活，不節(jié)能;存在控制要素少，環(huán)境反應(yīng)能力弱等缺點。路燈覆蓋面積廣，而集中控制會導(dǎo)致難以進行統(tǒng)一管理，存在安全隱患，無法快速掌握路燈運行狀態(tài)，無安全保障，統(tǒng)計困難等問題。而且開關(guān)控制缺乏靈活，效率低下，用電浪費，不符合國家對節(jié)能減排的要求。同樣的問題，也存在于學(xué)校、大型展臺及其他大規(guī)模使用電燈照明或裝飾的場合。

隨著 NB-IOT 技術(shù)的成熟成熟，運營商大規(guī)模投資 NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)。以中國移動為例，2017年下半年中國移動加大了在 NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)市場的競爭力度，提前集采了111萬面 NB-IOT天線，招標了14.6萬個基站，并頒布企業(yè)政策，NB-IOT專項補貼率最高可達 80%。其他兩家運營商同樣致力于NB-IOT網(wǎng)絡(luò)的市場競爭。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2020年國內(nèi)NB-IOT網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)規(guī)模在6億左右。 NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)目前主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，推動智慧城市建設(shè)。

運用 NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)智慧化照明系統(tǒng)，提高照明系統(tǒng)的管理效率，減少能耗是值的我們研究的新方向。基于 NB-IOT 網(wǎng)絡(luò)的照明系統(tǒng)也符合未來市場“綠色經(jīng)濟”的發(fā)展方向，具有著很強大的市場潛力。

二、研究內(nèi)容

5G時代來臨，NB-IOT技術(shù)聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯(lián)網(wǎng)（IoT）市場，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。

1、項目主要研究具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)的NB-IOT技術(shù)在單燈控制器中的應(yīng)用;

2、研究NB-IOT技術(shù)與單燈控制器相結(jié)合的實用性;

3、在中國節(jié)能減排號召下，研究NB-IOT無線組網(wǎng)單燈控制器在實踐中的可行性以及可靠性;

4、研究單燈控制器在硬件電路上的功能實現(xiàn)，尋找低成本、更可靠的硬件電路結(jié)構(gòu)。

三、系統(tǒng)的主要功能

在路燈智能控制系統(tǒng)中，NB單燈控制器作為信息采集和控制命令執(zhí)行終端，直接監(jiān)測控制路燈的運行工作，具體應(yīng)用如圖2-2所示。

路燈智能控制系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心（包括控制設(shè)備、服務(wù)器、顯示設(shè)備、監(jiān)控軟件等）、NB-IOT平臺、應(yīng)用平臺、NB單燈控制器及通訊系統(tǒng)等構(gòu)成。

NB單燈控制器與路燈直接連接，采用運營商網(wǎng)絡(luò)通過NB-IOT平臺與應(yīng)用平臺通信，應(yīng)用平臺與監(jiān)控中心之間通過互聯(lián)網(wǎng)等方式進行遠程通信，監(jiān)控中心服務(wù)器上安裝路燈監(jiān)控軟件。同時，遠程監(jiān)控中心可通過服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫對路燈系統(tǒng)進行遠程控制。

四、單燈控制器主要參數(shù)設(shè)計

NB單燈控制器負責采集路燈的實時數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)由應(yīng)用平臺記錄存儲，并定時或根據(jù)監(jiān)控中心的指令將數(shù)據(jù)上報，監(jiān)控中心通過監(jiān)控軟件將數(shù)據(jù)自動匯總，形成數(shù)據(jù)報表或圖表，使得監(jiān)控人員可以實時、直觀地了解路燈的當前情況。監(jiān)控中心的管理人員也可以通過監(jiān)控平臺遠程向設(shè)備發(fā)送指令，如要求上報數(shù)據(jù)、開關(guān)路燈、路燈調(diào)光等。

NB單燈控制器在路燈智能控制系統(tǒng)中的主要功能有：

1、記錄上報燈具實時電壓、電流、功率因素等參數(shù)。

2、接收應(yīng)用平臺的命令，實現(xiàn)開燈、關(guān)燈、調(diào)光的功能。

3、欠載、異常開燈、調(diào)光信號等報警功能。

4、欠載報警：開燈狀態(tài)下，當負載以額定功率工作時檢測到功率小于20W，將發(fā)出欠載報警信號;在使用調(diào)光設(shè)備調(diào)光時，因調(diào)光等級設(shè)置在較低等級而檢測到功率低于20W時，不報警。

5、異常開燈報警：關(guān)燈狀態(tài)下，檢測到功率大于20w時，發(fā)出異常開燈報警。

6、PWM調(diào)光信號報警：當PWM調(diào)光信號報警信號觸發(fā)時，發(fā)出報警信號。

五、單燈控制器的電路功能模塊

NB-IOT單燈控制系統(tǒng)一般由輸入電路、NB-IOT電路、主控電路、輸出電路組成，各個模塊電路之間相互緊密連接，如圖2-3所示。

（一）輸入電路

NB-IOT單燈控制器輸入電路為交流電，并在輸入后，由整流電路轉(zhuǎn)換為直流電供整個單燈控制器使用，其流程如下：

1、輸入端接LAN線，輸入220V交流電，同時連接到電源電路（橋式整流濾波電路）;

2、連接到電源電路后利用變壓器、電容及二極管的特性功能，將220V交流電變?yōu)槠交闹绷麟姾螅斔偷絊TM32組成的主控電路。

（二）NB-IOT電路

基于NB-IOT芯片的信號接收及發(fā)送電路，可以與其余單燈控制器形成蜂窩網(wǎng)絡(luò)和燈聯(lián)網(wǎng)，接受NB云臺的無線傳輸信息和無線遙測，并于主控電路形成單燈控制器主電路，其流程為：

1、首先基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)功能與此區(qū)域的照明設(shè)備和NB云臺形成互聯(lián)狀態(tài);

2、當互聯(lián)狀態(tài)形成，一邊與NB云臺產(chǎn)生數(shù)據(jù)互通，一邊與單燈控制器內(nèi)部電路形成關(guān)聯(lián);

3、同時使用電源電路濾波后的直流電進行驅(qū)動。

（三）主控電路

主控電路是整個NB-IOT單燈控制器的核心，由STM32芯片的CPU電路為主導(dǎo)，周圍集成采集電路、PWM調(diào)光電路、控制電路、報警電路，同時配合NB-IOT模塊和輸出電路，形成完整的控制過程，其流程為：

1、當CPU電路接受到來自電路電源電路的直流電后，供應(yīng)到各個模塊;

2、當NB-IOT模塊接受到來自云臺的指令后，整個系統(tǒng)開始工作。首先采集電路開始采集單燈控制器的電壓、電流、功率、溫度等信息，確保控制器正常后，信息返回至CPU電路。后PWM調(diào)光電路開始依據(jù)CPU電路傳送的數(shù)據(jù)進行智能調(diào)光同時傳送信號到輸出電路;

3、當采集電路采集的信號正常時，報警電路繼續(xù)工作，如采集數(shù)據(jù)不正常，報警電路是由LED組成，將發(fā)出報警紅光并上傳數(shù)據(jù)至云臺;

4、控制電路與PWM調(diào)光電路配合，一起連接到輸出電路中，所有一切正常時，控制電路連接通輸入電路的分支，運送220V交流電至輸出電路。

（四）輸出電路

輸出電路主要由控制電路與PWM調(diào)光電路配合，然后將調(diào)光數(shù)據(jù)和220V電輸送到單燈控制器外部的LED Driver和LED燈泡，此時整個照明設(shè)備完全正常工作。

一切電路的運行指標和數(shù)據(jù)檢測，都會實時上傳到NB云臺，可以隨時在NB云臺進行查看。

六、單燈控制器的具體電路設(shè)計

NB-IOT單燈控制器基于32位ARM處理器為核心，配合控制電路、供電電路、NB通信模塊、調(diào)光模塊、參數(shù)采集模塊形成整個單燈控制器的硬件電路結(jié)構(gòu)，同時結(jié)合NB-IOT傳輸網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)上傳到NB云服務(wù)器進行處理。

如圖2所示電路是以32位微控制器為核心，配合相關(guān)的硬件和軟件設(shè)計，接收主站命令，實現(xiàn)開燈、關(guān)燈、調(diào)光、數(shù)據(jù)查詢以及故障報警等功能。

如圖3所示電路為NB-IOT模塊電路，基于NB-IOT芯片的信號接受及發(fā)送電路，可以與其余單燈控制器形成蜂窩網(wǎng)絡(luò)和燈聯(lián)網(wǎng)，接受NB云臺的無線傳輸信息和無線遙測，并于主控電路形成單燈控制器主電路。

單燈控制器內(nèi)置電壓、電流、溫度采集模塊，如圖4所示，可以實時偵測單燈控制器的工作狀態(tài)，及時檢測單燈控制器的故障信息，并傳給集中控制器，完成單燈的預(yù)警功能，解決了路燈維護的工作量。并由橋式整流濾波電路，與單燈控制器的輸入端連接，接收220V交流電，并把交流電轉(zhuǎn)換為平滑的直流電，由CPU電路分送到各個模塊。

如圖5電路為控制電路基于SRD-05VDC-SL繼電器，配合 Circuit Breaker斷路器，用于電子鎮(zhèn)流器調(diào)光控制，實現(xiàn)LED照明的開關(guān)控制，系統(tǒng)開關(guān)量調(diào)光具有三種狀態(tài)：全開、全關(guān)、節(jié)能。

如圖6所示，系統(tǒng)內(nèi)置兩路PWM調(diào)光輸出，配合1路內(nèi)置開關(guān)繼電器輸出，完成單燈的開關(guān)和調(diào)光。通過PWM調(diào)光的方式可以實現(xiàn)led線性調(diào)光。產(chǎn)品內(nèi)置光耦隔離器件，在完成調(diào)光的同時保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠。

系統(tǒng)具有0～10VDC模擬量輸出，用于具有模擬調(diào)光的燈具。燈具可以根據(jù)輸入電壓調(diào)節(jié)輸出電流完成led的線性調(diào)光。

提供三路電壓調(diào)光信號或三路PWM調(diào)光信號輸出接口;

1、PWM調(diào)光信號：頻率為400Hz，10V TTL電平，占空比0 ～ 100%可調(diào)（占空比為100%時候，對應(yīng)的輸出為5V）;

電壓調(diào)光信號：0 ～ 10V輸出可調(diào)。

2、PWM調(diào)光信號輸入信號：當PWM調(diào)光信號報警信號觸發(fā)時，發(fā)出報警信號。用來在緊急情況下報警。

參考文獻：

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作者簡介：

趙闊（1983—），男，漢族，四川綿陽，大學(xué)本科，副教授，專業(yè)主任，教育教學(xué)改革。