基于NB-IoT的城市路燈智能照明系統(tǒng)設計

王燦田，陳育中，殷芃坤

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院南京分院，江蘇 南京 210000）

0 引 言

路燈作為城市照明中必不可少的公共基礎設施，與人們的日常生活和城市交通安全有著密不可分的聯(lián)系，路燈控制和管理水平的高低則是檢驗一個城市現(xiàn)代文明的標志。在“互聯(lián)網+”的時代背景下，城市道路的智能照明是物聯(lián)網發(fā)展的必然趨勢。為了確保城市照明系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和科學管控，實現(xiàn)城市亮化和節(jié)能環(huán)保管理，處理好城市居民與城市景觀形象之間的協(xié)調關系，如何實現(xiàn)城市化照明系統(tǒng)的管理，已經成為當前城市管理者主要解決的問題。

現(xiàn)今大多數(shù)城市仍在采用傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)[1-3]，對區(qū)域內的所有路燈進行統(tǒng)一管理，定時開關。但是目前的照明系統(tǒng)存在一些問題，例如：路燈數(shù)量的不斷增加導致維護成本、社會成本的上升問題；夜間車輛行人稀少時，路燈仍然全部運行的能源浪費問題；沒有多功能的后臺管理系統(tǒng)，路燈也無法采集周邊環(huán)境的有用數(shù)據(jù)，出現(xiàn)故障需要人工排查，不能及時被照明控制中心發(fā)現(xiàn)的問題。為解決傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)的缺陷，本文設計一種城市路燈智能照明系統(tǒng)，將NB-IoT技術與TCP/IP技術相結合，添加實際功能模塊實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測、遠程控制等功能，從而能有效地監(jiān)測路燈的運行狀態(tài)，并實時分析路燈狀態(tài)進行相應控制和維護。系統(tǒng)通過若干個光照度傳感器實時監(jiān)測光照度，并結合氣象部門發(fā)布的每日日出日落時間智能決策進行無線照明控制，從而解決上述問題。

1 系統(tǒng)設計需求

該系統(tǒng)將城市中某一片區(qū)的照明燈全部連接起來，由PC端應用程序統(tǒng)一進行控制。PC端應用程序有自動控制和手動控制兩種工作方式。當自動控制模式開啟時，路燈會自動根據(jù)當前的實際光照值和當日日出日落時間指揮決策，自動進行路燈開關的控制；當手動控制模式開啟時，管理員可以一鍵開關街道上所有的照明設施，也可以進行個別控制。

當下無線通信方式主要有以下5種：WiFi、藍牙、LoRa、ZigBee和NB-IoT。WiFi成本較高，對于路燈控制這樣簡單的場景而言有些浪費；藍牙通信距離太短，難以實現(xiàn)全城市的覆蓋；ZigBee可實現(xiàn)自動組網功能，且傳輸時延較短，但是其多條轉發(fā)信號衰減較大，信號傳輸可靠性受氣象影響較大；LoRa傳輸距離可達十幾公里，功耗也更小，但需要自建基站，且基站部署位置要求較高。對比上述，從通信可靠性來說，NB-IoT無衰傳輸距離一般都可以達到10 km以上，且網絡可容納節(jié)點數(shù)量可達20萬；從建設難度來說，NB-IoT直接與移動運營商搭建的現(xiàn)有蜂窩網絡連接，無需自行搭建基站，非常適合城市內設施使用；從建設成本來說，NB-IoT模塊每塊成本為5～10美元，待機情況下功耗僅5 μA，電池理論上可提供長達10年的續(xù)航。雖然其通信時延為6～10 s，但對路燈控制而言影響不大。綜上所述，本系統(tǒng)選擇使用NB-IoT進行通信[4-7]。

2 系統(tǒng)框架設計

該系統(tǒng)硬件部分主要由路燈節(jié)點組成，軟件部分主要由應用云平臺和應用客戶端組成。該系統(tǒng)與PC端后臺管理系統(tǒng)相結合，以NB-IoT為核心，由路燈終端節(jié)點和云平臺組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構

選擇NB-IoT技術與TCP/IP技術相結合作為系統(tǒng)的通信方式，添加實際功能模塊實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測、遠程控制等功能，從而實現(xiàn)管理方便、節(jié)約電能能源的目的。

3 系統(tǒng)硬件構成

該控制系統(tǒng)的主要硬件包含NB-IoT模塊、繼電器模塊和光照度傳感器，還可選擇性安裝其他各類的輔助性傳感器。硬件架構示意圖如圖2所示。

圖2 硬件架構示意圖

3.1 NB-IoT模塊

本系統(tǒng)在實驗階段所使用的NB-IoT模塊搭載Lierda NB05-01芯片，通過中國電信物聯(lián)網卡接入中國電信云平臺“天翼云”。NB-IoT芯片與硬件連線圖如圖3所示。

圖3 NB-IoT芯片與硬件連線圖

3.2 繼電器模塊

繼電器模塊通過引腳安裝在NB-IoT模塊上，由NB-IoT模塊中的程序控制繼電器狀態(tài)，以實現(xiàn)對用電設備的遠程控制。每路控制器稱為“聯(lián)”，即根據(jù)繼電器模塊可控制的路的數(shù)量可確定繼電器的聯(lián)數(shù)，如可以分別控制兩個設備的繼電器稱為雙聯(lián)繼電器。為了增加使用效率，采用單聯(lián)繼電器和雙聯(lián)繼電器混合設計，在光照需求較大處或照明設備相對密集處使用雙聯(lián)繼電器減少需要的NB-IoT模塊的數(shù)量。

3.3 光照度傳感器模塊

該系統(tǒng)選用的光照度傳感器以深圳龍信達科技有限公司LXD_GB5_A1E光敏傳感器為核心，按照圖4所示連接到NB-IoT模塊上。

圖4 光照度傳感器模塊電路連接圖

3.4 其他各類輔助性傳感器

為了更全面、更精確、更智能地獲知街道的實際照明需求，系統(tǒng)還可兼容各種市政輔助類傳感器，例如噪聲傳感器、溫濕度傳感器、紫外線傳感器等。只需修改NB-IoT模塊上的部分代碼即可為本系統(tǒng)進行擴展，也可以為其他市政工程或氣象預測提供幫助，為系統(tǒng)提供了較高的可擴展性，方便視實際需求改造升級。

4 系統(tǒng)搭建與開發(fā)

4.1 硬件安裝與布置

本系統(tǒng)的目的是對街道照明設備的智能控制，因此在每個照明設備處都需要設置繼電器模塊，而每個繼電器模塊都需要連接在NB-IoT模塊上以進行組網。因此，在每個路面照明點都需要安裝如圖5所示的NB-IoT無線控制照明組合。

圖5 NB-IoT模塊與燈控制示意圖

當某一節(jié)點通信不暢或故障時，運營商云平臺將會自動鎖定發(fā)生故障的節(jié)點并推送給應用云平臺，應用云平臺立即下發(fā)維修任務給專門人員。整套系統(tǒng)均采用運營商網絡無線連接，網絡和中繼設備的維護工作將由運營商的專業(yè)人員進行，降低了本系統(tǒng)出現(xiàn)通信故障的概率。

4.2 系統(tǒng)軟件建設

4.2.1 PC端總控軟件

該系統(tǒng)PC端總控軟件使用Microsoft Visual Studio開發(fā)，選用C#語言編寫。軟件主界面如圖6所示。

圖6 總控軟件界面

4.2.2 維保人員移動端

維保人員移動端應用于通知維保人員對照明設施進行維護或搶修，客戶端界面如圖7所示。

圖7 維護人員手機客戶端界面

4.2.3 應用云平臺

應用云平臺作為運營商云平臺和各種客戶端之間的橋梁。為保障數(shù)據(jù)傳輸安全，云平臺與外界采用HTTPS連接。

云平臺主要有如下幾個功能：

（1）指令下發(fā)功能

當云平臺接收到來自控制中心的指令時，解碼指令信息并驗證和記錄操作者，將對應的命令發(fā)送到指定設備或指定設備組當中。

（2）整合記錄功能

接收各NB-IoT節(jié)點發(fā)送到云平臺的數(shù)據(jù)，包括環(huán)境信息、報警信息、維修記錄等，并將其保存在數(shù)據(jù)庫中。所有信息實時推送到PC總控程序當中。

（3）任務分發(fā)功能

路燈設備報障后，系統(tǒng)自動將維修任務推送到負責該區(qū)域的維修小組的手機應用上，并對維保任務完成情況進行追蹤和督促。

（4）智能決策功能

云平臺能通過第三方API獲取每日的天氣、日出日落時間等情況，通過部分路燈上另設的傳感器獲取分區(qū)實際光照情況，進行綜合性分析，按照分析結果對各道路上的照明設備分別指定其開關狀態(tài)，在確保滿足市民光照需求的情況下最大程度地減少電力消耗。

（5）API拓展功能

云平臺預留市民報障的API，以方便維修人員及時發(fā)現(xiàn)和解決路燈故障。市民可通過城市已有的市民服務客戶端（如南京市的“我的南京”APP等）快捷地通過此API向系統(tǒng)上報設備故障信息，大大減少故障設備在被巡檢員發(fā)現(xiàn)前所消耗的時間。

4.2.4 終端控制程序

終端控制程序燒寫在NB-IoT模塊上，使NB-IoT模塊完成入網和控制路燈繼電器的功能。NB-IoT上加裝傳感器時，只需要增加傳感器相關代碼即可完成擴展。NB-IoT入網流程如圖8所示。

圖8 NB-IoT入網流程

5 系統(tǒng)測試

本文使用2個NB-IoT模塊、2個燈泡和1個光照度傳感器對所提系統(tǒng)進行測試。總控中心程序節(jié)點連接如圖9所示。手機端維保信息如圖10所示。

圖9 總控中心程序節(jié)點連接

圖10 手機端維保信息

經過實驗測試，該系統(tǒng)性能可靠，報障迅速，分配準確，且能夠充分利用城市已有基礎設施，節(jié)約建設成本，提高道路照明的智能化。

6 結 語

本文提出一種基于NB-IoT的城市路燈智能照明系統(tǒng)，尤其適合現(xiàn)有非智能化路燈系統(tǒng)的改造升級。該系統(tǒng)能充分利用城市已有設施，非智能化路燈改造為本文提出的智能路燈系統(tǒng)時無需挖開地面布管設線，也不需要另外建設基站等通信設備，投入回報比高。另外，該系統(tǒng)架構合理，功能完備，能夠大大提高當前城市道路路面照明系統(tǒng)的智能化程度，滿足智慧城市一體化管理需求，且易于維護和升級，具有一定的應用價值。