基于NB-IoT技術(shù)的智慧道路照明系統(tǒng)優(yōu)化

鄧碧波，金 珠，王 俊

(1.同濟大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，上海 200092；2.上海麥索照明設(shè)計咨詢有限公司，上海 201102)

引言

道路照明是城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施。在5G網(wǎng)絡(luò)和“新基建”的推動下，道路照明成為多功能燈桿的基本功能，而智慧道路智能照明系統(tǒng)則成為智慧城市建設(shè)、運營及維護(hù)的重要載體。

從傳統(tǒng)道路照明到智慧道路照明系統(tǒng)，其核心在于將道路照明連接起來。通過多功能路燈桿整合監(jiān)控攝像頭、微基站、媒體信息屏、充電樁、公共廣播以及無線Wi-Fi、報警求助等硬件功能，并通過信息感知、數(shù)據(jù)通信傳輸、燈光控制和計算機處理等技術(shù)將采集的數(shù)據(jù)和信息傳輸?shù)健爸腔壅彰鬈浖到y(tǒng)平臺”，進(jìn)而以之為管理后臺實現(xiàn)大數(shù)據(jù)交互環(huán)境下的智能照明、智慧交通、安防監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、信息發(fā)布、充電服務(wù)等功能，從而更有效地促進(jìn)智慧城市的基礎(chǔ)設(shè)施智能化、公共設(shè)施共享化、公共服務(wù)便捷化和城市管理精細(xì)化。

NB-IoT(Narrow Band Internet of Things，基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng))由于高安全、廣覆蓋、低功耗、大連接、低成本以及穩(wěn)定性強、部署靈活等優(yōu)點，成為智慧道路照明連接協(xié)議的首選，可以構(gòu)建更穩(wěn)定、低耗能的路燈物聯(lián)網(wǎng)，同時提高單燈控制的靈活性、可靠性和實時性[1]。自2017年開始，基于NB-IoT技術(shù)的智慧道路照明系統(tǒng)已在多個城市規(guī)模展開。2020年7月3GPP又批準(zhǔn)NB-IoT成為5G eMTC標(biāo)準(zhǔn)，這無疑會進(jìn)一步推進(jìn)基于NB-IoT技術(shù)的智慧道路照明系統(tǒng)建設(shè)。

1 NB-IoT智慧道路照明的控制系統(tǒng)架構(gòu)與功能要求

基于NB-IoT技術(shù)的智慧道路照明控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，從上至下依次包括管理平臺、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)(含NB-IoT網(wǎng)絡(luò)和IoT平臺)和單燈(含單燈控制器，以及基于GIS系統(tǒng)的可視化管理方式[2])，從而組成云、管、端協(xié)同發(fā)展的智慧照明系統(tǒng)。

圖1 基于NB-IoT技術(shù)的道路照明控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Road lighting control system based on NB-IoT

管理平臺通過NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)與單燈控制器進(jìn)行雙向通信。基于NB-IoT技術(shù)的智慧道路照明系統(tǒng)道路照明智能控制系統(tǒng)以無線通信方式接入由運營商建設(shè)與維護(hù)的移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)，不再需要現(xiàn)場通信網(wǎng)關(guān)即可直接與監(jiān)控中心通信，減少通信環(huán)節(jié)，使網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)對單燈的控制更靈活[3]。

因此，NB-IoT模組應(yīng)符合YD/T 3337—2018《面向物聯(lián)網(wǎng)的蜂窩窄帶接入(NB-IoT)終端設(shè)備技術(shù)要求》的規(guī)定?？蓪崿F(xiàn)單燈控制、狀態(tài)監(jiān)測、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)管理等功能，以達(dá)到對道路照明單燈的全面監(jiān)測、智能控制和精準(zhǔn)管理，從而實現(xiàn)按需照明和節(jié)能減排的目標(biāo)。

當(dāng)然，基于NB-IoT技術(shù)的智慧道路照明系統(tǒng)在實際工程建設(shè)與應(yīng)用中也出現(xiàn)了一些問題，如：管理系統(tǒng)的建設(shè)、NB-IoT通信與照明需求的匹配、智慧道路照明控制的安裝和維護(hù)困難等。

2 NB-IoT智慧道路照明的管理系統(tǒng)建設(shè)及優(yōu)化

傳統(tǒng)的道路照明系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理中心架構(gòu)在路燈管理中心的機房內(nèi)；而NB-IoT智慧道路照明系統(tǒng)則通過NB-IoT通信連接將單燈“終端”接入到運營商的“云端”管理平臺，照明管理系統(tǒng)再從物聯(lián)網(wǎng)管理平臺獲取數(shù)據(jù)。

相比傳統(tǒng)的手動管理或光感控制等路燈控制方式難以實現(xiàn)遠(yuǎn)程與實時控制，基于NB-IoT技術(shù)的智慧道路照明控制可以在不同時段控制路燈使其呈現(xiàn)不同亮度，并且可以通過網(wǎng)絡(luò)平臺實現(xiàn)亮暗調(diào)節(jié)，還可隨時查詢歷史操作數(shù)據(jù)，使路燈真正成為智慧城市的一部分[4]。

因此，不同于傳統(tǒng)的自建本地管理系統(tǒng)，NB-IoT智慧道路照明的管理系統(tǒng)需要著重考慮管理系統(tǒng)架構(gòu)在“云端”的需求與現(xiàn)狀，在設(shè)計之初就應(yīng)注意建設(shè)成本的總體擁有成本(TCO)和系統(tǒng)的安全性。

2.1 云計算的架構(gòu)可降低總體成本

總體擁有成本指使用服務(wù)的總體成本，包括硬件設(shè)備與軟件的購買成本和能源消耗、硬件維護(hù)升級、軟件升級及技術(shù)支持等使用成本的總和。

1)云計算的服務(wù)供應(yīng)商多是阿里、亞馬遜、微軟、華為、中國聯(lián)通、中國移動等超大型企業(yè)，他們可以通過其規(guī)模效應(yīng)提供較便宜和更優(yōu)質(zhì)的云計算服務(wù)和云儲存服務(wù)，因此硬件設(shè)備及軟件的采購成本更低；而且使用云計算還可以節(jié)約電力、空調(diào)及機房等成本；

2)云計算采用云上虛擬化和多種備份技術(shù)，可以有效降低宕機率、實現(xiàn)自動宕機遷移，并支持大規(guī)模并發(fā)，從而有效地降低系統(tǒng)運營和維護(hù)成本；

3)云計算可以實現(xiàn)計算與存儲分離，從而通過靈活的虛擬化管理、彈性的技術(shù)資源分配以及集成彈性伸縮和限流降級的靈活縮容與擴容，實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度和集群監(jiān)控，從而有效地降低數(shù)據(jù)備份、系統(tǒng)擴容及數(shù)據(jù)遷移的成本。

綜上，基于NB-IoT技術(shù)的智慧道路照明系統(tǒng)通過“云端”及“云計算”技術(shù)可以有效降低道路照明系統(tǒng)的總體擁有成本。

2.2 云計算的架構(gòu)可提供更高的安全性

在基于NB-IoT技術(shù)智慧道路照明系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過程中，我們首先對數(shù)據(jù)接入與傳輸?shù)腟SL鏈路進(jìn)行加密，通過加密和安全機制保證計算過程中數(shù)據(jù)的物理安全；其次，針對存儲在云端的數(shù)據(jù)制定不碰用戶數(shù)據(jù)的“云服務(wù)”底線，并建立全方位的審計制度；同時，對存儲在云端的數(shù)據(jù)采用TDE數(shù)據(jù)加密、云盤落盤加密等多種加密方式，并由用戶自己掌握加密密鑰；此外，使用白名單訪問控制以有效防止非法訪問；最后，采用多副本同步復(fù)制技術(shù)及日志同步技術(shù)確保云端數(shù)據(jù)的一致性，從而提供更可靠的云計算服務(wù)。

上述技術(shù)的運用，全方位地保障了NB-IoT智慧道路照明系統(tǒng)的安全性。

3 NB-IoT智慧道路照明通信系統(tǒng)的匹配與優(yōu)化

由于多功能智慧燈桿需要接入照明控制、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、汽車充電等不同功能的組件及數(shù)據(jù)，具有典型的多樣性特征[5]，因此通信系統(tǒng)、通信結(jié)構(gòu)和通信方式的設(shè)計是智慧道路照明系統(tǒng)的關(guān)鍵。

目前，智慧道路照明系統(tǒng)中采用的通信協(xié)議有電力載波PLC、RF無線(如ZigBee)、GPRS/3G、NB-IoT以及LoRa等其他協(xié)議。

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)[6]等優(yōu)點；近年來政府和運營商也在大力推進(jìn)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。因此，NB-IoT技術(shù)相比之下更適合道路照明控制系統(tǒng)，目前該技術(shù)在常州、蘇州、鷹潭等地已有規(guī)模應(yīng)用。

1)智慧道路照明的控制系統(tǒng)要求。在實際工程應(yīng)用中，基于NB-IoT技術(shù)的智慧道路照明控制系統(tǒng)要求如表1所示。

2)NB-IoT控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)模型。運營商提供的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)在道路照明控制系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)模型如表2所示。

表1 智慧道路照明控制系統(tǒng)要求Table 1 Requirement of intelligent road lighting control system

表2 NB-IoT道路照明控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)模型Table 2 Model of road lighting control system based on NB-IoT

由此可見，NB-IoT道路照明控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)模型與智慧道路照明控制系統(tǒng)要求在功能及性能等方面還存在一些不匹配的現(xiàn)象。

3)對NB-IoT智慧道路照明通信系統(tǒng)的優(yōu)化。以上所述兩者的不匹配主要體現(xiàn)為路燈控制的組控與實時性等，因此NB-IoT智慧道路照明通信系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮連接、錯峰、告警數(shù)據(jù)、心跳間隔以及軟件更新等問題，如表3所示。

表3 NB-IoT道路控制系統(tǒng)NB-IoT通信的優(yōu)化Table 3 Optimization of NB-IoT communication of NB-IoT road lighting control system

4 NB-IoT智慧道路照明系統(tǒng)的控制器安裝優(yōu)化

4.1 以可插拔的照明控制器取代內(nèi)置式控制器

傳統(tǒng)的單燈控制器大多安裝于燈具內(nèi)部。這種內(nèi)置式的控制器多置于燈具內(nèi)部的電源腔內(nèi)，這種安裝方式接線復(fù)雜且維修不便，而且金屬制成的燈具會對無線信號造成很大的衰減與屏蔽。所以，這種安裝往往需要舍棄無線傳輸?shù)膬?yōu)勢而采用基于電力線的傳輸。此外，也可以將控制器內(nèi)置于燈桿檢修孔位置的電氣腔內(nèi)，這種安裝方式又會由于高度過低而受到地面樹蔭的遮擋或遭到人為的破壞。因此，內(nèi)置式單燈控制器的通信性能常常受到一定的影響。

如果采用可插拔的接插頭外殼單燈控制器，安裝維修方便；而且塑料外殼的內(nèi)置天線具有良好的無線信號穿透效果，可以避免延長饋線的信號衰減問題，從而更充分地發(fā)揮單燈控制器的通信性能。

4.2 外置式照明控制器的安裝接口優(yōu)化原則

1)數(shù)字化。物聯(lián)網(wǎng)時代是數(shù)字化的時代，因此控制協(xié)議和通信協(xié)議都應(yīng)支持?jǐn)?shù)字化能力。

2)即插即用原則。為了降低安裝、維護(hù)和調(diào)試成本，并提高設(shè)備更換維護(hù)的方便性，照明控制器的安裝接口應(yīng)滿足即插即用的設(shè)計原則。

3)安全原則。IEC國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)都明確規(guī)定，直流插座和交流插座不能將直流插頭插入交流插座、交流插頭插入直流插座，不能將插頭插入任何其他的插頭插座系統(tǒng)的插座，不能將插頭能插入其他電壓額定值的插座。因此，插座插頭接口的設(shè)計要求保證高度的可標(biāo)識性，交流供電和直流供電的控制器接口應(yīng)該從外觀、尺寸和機械結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行嚴(yán)格區(qū)分，從而防止誤插。

4)互聯(lián)互通。不同設(shè)備之間的控制協(xié)議應(yīng)該是開放，并制定標(biāo)準(zhǔn)化的照明控制協(xié)議，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)與設(shè)備的互聯(lián)互通。

5)系統(tǒng)化。道路燈具和燈桿都安裝了電源、控制器、傳感器等設(shè)備，同時又需要控制器和智能電源以及傳感器等設(shè)備實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向交換數(shù)字化，因此應(yīng)控制協(xié)議的支持系統(tǒng)化能力，可以在系統(tǒng)內(nèi)的多個設(shè)備進(jìn)行雙向通信。

表4 兩種外置式可插拔照明控制器的比較Table 4 Comparison of the two kinds of lighting controller

4.3 道路照明控制器接口優(yōu)化實例

在實際工程應(yīng)用中，較常用的外置式可插拔道路照明控制器有NEMA接口連接模擬控制(0/1～10 V)智能電源和高壓供電控制器以及Zhaga接口連接帶輔助電源輸出數(shù)字控制(DALI)智能電源和直流供電控制器等兩種形式。

現(xiàn)階段道路照明控制器多采用內(nèi)置式的道路照明控制器，即通過連線或接線端子與模擬控制智能電源連接，但上述方式的安裝與維修成本較高。因此，推薦采用表4所述的外置可插拔式的道路照明控制器；其中：交流供電的道路照明控制器安裝接口推薦采用NEMA ANSI C136.41接口；直流供電的道路照明控制器安裝接口推薦采用Zhaga book18接口。

5 結(jié)語

5G網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)以及新基建積極地推進(jìn)了基于NB-IoT技術(shù)的智慧道路照明系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用。本文介紹了NB-IoT智慧道路照明系統(tǒng)的架構(gòu)與支持的功能，并結(jié)合實際工程設(shè)計應(yīng)用對其中的管理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及控制器安裝優(yōu)化等問題進(jìn)行了探討：基于總體使用成本和系統(tǒng)安全性的考慮，推薦設(shè)計使用架構(gòu)在云端的道路照明管理系統(tǒng)；基于照明控制的實際需要，應(yīng)對NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足智慧道路照明系統(tǒng)控制的實時性與并發(fā)性；基于安全性、系統(tǒng)性、便利性、開放性及數(shù)字化等控制器安裝方式的優(yōu)化需要，推薦設(shè)計使用可插拔的智能道路控制器。