物聯網技術在智能道路照明領域的應用與標準轉化

高偉 李澄 阮軍 張冬 余湛

摘 要：在智能道路照明領域，多種物聯網通信技術并存，終端控制器的集成度和供電電源選擇多樣，機械結構和形式五花八門，在推廣應用中成為難以規模化推廣的瓶頸。文中選擇由LED電源向終端控制器供電的DC方案，選擇NB-IoT（窄帶物聯網）通信方式，對機械接口進行規范，形成標準化解決方案。該方案是實現產業鏈各環節生產廠商之間、終端控制器與中央管理系統之間互聯互通互換和標準化的有效途徑。

關鍵詞：智能道路照明;物聯網;終端控制器;NB-IoT;應用;標準化

中圖分類號：TP17;TM923文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）11-00-03

0 引 言

通過對智能道路照明領域的調研，結果顯示它目前是多種通信技術并存[1]（如PLC等有線通信方式，ZigBee、LoRa、GPRS、NB-IoT等無線通信方式）;終端控制器的集成度和供電電源的選擇有多種方案;終端控制器的機械結構和形式更是五花八門。在推廣應用中，終端控制器在機械接口、電氣接口和通信（軟件）接口上各不相同，對用戶的方案確定、產品選擇以及后期運營維護造成了很大困擾;對于生產廠商來說，市場推廣成本高、大規模制造阻力大、難以規模化推廣的關鍵瓶頸。

NB-IoT具有市場空間大、建網成本低、產業鏈廣泛參與、安全性和可靠性高，以及在廣覆蓋、低功耗、大連接等方面的優勢[2]，在智能道路照明領域的應用有著廣闊的前景。

以半導體照明為代表的新興技術處于快速發展階段，技術日新月異，但產品尚未完全定型，給檢測方法和評價標準等工作帶來了巨大挑戰。在8個半導體照明相關標準化技術委員會框架下的國家標準體系，制定程序復雜、過程較長，嚴重滯后產業需求。2017年，新標準化法發布，團體標準正式獲得法律地位。該標準以“公開、透明、協商一致”為宗旨，建立產、學、研合作平臺，組織產業內各領域共同參與，制定的團體標準具有制定周期短、應對市場反應快速、與知識產權結合相對靈活等特點，體現了技術先進性。2018年，由中國照明學會、國家半導體照明工程研發及產業聯盟共同管理，華為參與制定的《基于窄帶物聯網（NB-IoT）的道路照明智能控制系統技術規范》團體標準正式發布[3]。

1 團體標準《智能道路照明終端控制器接口要求》[4]的優勢

1.1 符合國家政策，產業鏈完整

NB-IoT作為物聯網時代的關鍵技術得到國家政策支持，工信部在國家層面全面推進NB-IoT基礎設施建設和應用推廣。工信部2017年6月發布《關于全面推進移動物聯網（NB-IoT）建設發展的通知》和《關于NB-IoT系統頻率使用要求的公告》，明確要求“加快推進網絡部署，構建NB-IoT網絡基礎設施”。

運營商和電信設備商在大力推進網絡建設和硬件支持，2017年中國電信率先開始NB-IoT的布局。截至目前，中國移動已經實現全國346個主要城市城區NB-IoT連續覆蓋;中國電信已經全網建設40萬個NB-IoT基站;中國聯通已經在全國數十個城市開通NB-IoT試用，全國已經有300多個城市具備快速接入物聯網的能力。

芯片、模組、應用廠商不斷投入布局，已形成良好的NB-IoT應用生態。以NB-IoT應用于智能道路照明為例，產業鏈主要由NB-IoT芯片、NB-IoT模組、終端控制器、LED電源、LED模塊、燈具（燈體）、運營商網絡、運營商物聯網平臺和中央管理系統等相關廠商組成。圍繞NB-IoT應用生態，各環節都有廠家參與，如NB-IoT芯片有華為海思，NB-IoT模組有上海移遠，終端控制器和中央管理系統有比弦、瓴泰、方大智控，LED電源有英飛特，燈具有華普永明，運營商有中國電信、中國移動、中國聯通等。

1.2 系統整體成本低，實現了互聯互通互換

符合本標準的智能道路照明終端控制器，及其配套使用的LED電源的綜合成本比傳統AC方案在產品成本方面節省約10%。這主要是因為實現了互聯互通互換，用戶單位在配件備件方面有了更多選擇，維護也更加簡單。

基于NB-IoT技術，通過對終端控制器、LED電源、運營商物聯網平臺和中央管理系統之間的機械接口、電氣接口、通信（軟件）接口進行標準化，實現了終端控制器、LED電源、燈體和中央管理系統之間的互聯互通互換。

1.3 通信質量好、在線率高，數據安全可靠

NB-IoT信號強，在授權頻譜內工作受外界干擾小、通信穩定，網絡接入成功率可達99.9%;在線率高，通信網絡由運營商維護，響應迅速、故障排除快;數據在授權頻譜內傳輸，并存儲在運營商物聯網平臺，安全水平與可靠性得到大幅提高。

1.4 智能管理、數據采集，節省電能、降低運維成本

可對單個路燈和成組路燈進行默認/計劃/實時開關燈以及實時調光等智能管理，實時查詢燈具狀態，系統故障主動告警，遠程定位故障;自動采集系統數據，為路燈全生命周期管理提供支撐;通過智能管理，可實現“二次節能”約15%～30%;可降低運行控制、人工巡檢、故障定位等運維成本約50%。

2 標準主要技術方案

2.1 終端控制器供電方案

根據終端控制器集成度和供電電源的不同，可分為一體化方案（終端控制器與LED電源集成為一體，由電網供電）、AC方案（由電網供電給終端控制器）和DC方案（由LED電源供電給終端控制器）。終端控制器電氣接口的三種方案示意如圖1所示。

因終端控制器需要與控制系統平臺配合使用，所以其生產廠家和銷售企業多為互聯網或物聯網公司。這些公司對于終端控制器在戶外使用所需的防雷擊浪涌、防水、耐高低溫等技術的積累較為薄弱，而戶外大功率LED電源的技術和資金門檻很高，提供一體化方案的終端控制器廠家很少，因而AC方案和DC方案成為廠家的主流選擇。

AC方案和DC方案由于技術路線不同，對于終端控制器來說，主要差異見表1所列。

2.2 基于NB-IoT的通信接口

中央管理系統通過運營商物聯網平臺和終端控制器，對道路照明燈具進行統一的連接管理和狀態管理。基于NB-IoT的終端控制器通過物聯網平臺與中央管理系統進行通信，通信接口示意如圖2所示。

由于各運營商所使用的物聯網平臺不同，本標準附錄部分對不同運營商平臺的接口分別做了定義。

終端控制器與運營商物聯網平臺之間的接口中，NB-IoT模組與運營商物聯網平臺之間的通信協議為通用物聯網設備接入協議，而傳輸的消息由設備自身屬性決定，本標準僅定義與終端控制器有關的消息接口。

2.3 機械接口規范

機械接口包括終端控制器與燈體的接口、數字LED電源與燈體的接口。

終端控制器與燈體之間通過底座進行安裝固定，數字LED電源與燈體之間通過螺絲或其他方式進行安裝固定，要求連接牢固、可靠。安裝示例如圖3所示。

本標準規定的終端控制器與燈體之間的機械接口設計參考了ANSI C136.10-1979第2章機械要求中的技術方案。

2.4 電氣接口

終端控制器可通過燈體底座的電子連接器與數字LED電源控制端的電子連接器進行電氣連接，或與數字LED電源控制端直接連接。電氣連接如圖4所示。

3 主要試驗（或驗證）的情況分析

依據標準文本對終端控制器、燈體、LED電源、中央管理系統和運營商物聯網平臺進行了互聯互通互換，以及電氣參數和機械尺寸等測試，試驗結果證明該標準具有可操作性，驗證了標準的先進性和基于本標準研發產品的可行性，制定的各項指標要求合理。

4 結 語

NB-IoT的應用越來越廣泛[5-9]，在智能道路照明領域的應用引起關注。在充分調研，集合行業內龍頭企業開展共性關鍵技術攻關的基礎上，本方案選擇NB-IoT通信方式[10];選擇具有由LED電源向終端控制器供電的DC方案作為標準化技術解決方案;通過規范終端控制器的機械接口、電氣接口和通信（軟件）接口，實現產業鏈各環節生產廠商之間、終端控制器與中央管理系統之間的互聯互通互換;滿足用戶單位對智能管理、數據安全、高可靠性、低成本和易維護的需求;推動產業化水平提升，為企業、用戶和質量監督檢驗單位提供技術依據。

參考文獻

[1]楊佳卉，黃浩，胡永明，等.基于NB-IoT的LED照明燈遠程監控系統設計與實現[J].物聯網技術，2018，8（6）：47-49.

[2]姚偉，李紹峰，吳燕.NB-IoT通信技術在智慧照明的應用[J].電子世界，2018，40（13）：170.

[3] 國家半導體照明工程研發及產業聯盟，中國照明學會.基于窄帶物聯網（NB-IoT）的道路照明智能控制系統技術規范：T/CSA 052-2018/CIES 075-2017 [S].北京，2018.

[4] 國家半導體照明工程研發及產業聯盟. 智能道路照明終端控制器接口要求：T/CSA 051-2019 [S].北京，2019.

[5]張紅，鄭煒陵，尹椿榮，等.窄帶物聯網技術在機場智慧場區建設中的應用[J].物聯網技術，2020，10（10）：95-98.

[6]蔡航宇，王天凱，江朝暉. 基于NB-IoT的農林監測系統[J].物聯網技術，2020，10（7）：6-9.

[7]趙孫裕，黃偉康，孟巖，等. 基于窄帶物聯網的海洋能源收集及海洋信息檢測的智能信息共享平臺[J].物聯網技術，2020，10（2）：7-10.

[8]張財貴，羅林祿，余輝，等. 基于窄帶物聯網與機器學習的智慧光伏運維系統[J].物聯網技術，2020，10（3）：8-10.

[9]秦鈺林，周若麟，張珂欣，等. 基于NB-IoT窄帶通信和多傳感器組網技術的森林火災監測預警系統[J].物聯網技術，2020，10（6）：14-16.

[10]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.