基于NB-IoT技术的道路照明智能控制系统

叶 炜，吕 伟，洪 宽，穆志洋

(1.浙江大学控制科学与工程学院，浙江杭州 310027；2.浙江比弦物联科技有限公司，浙江杭州 310018)

基于NB-IoT技术的道路照明智能控制系统

叶 炜1，吕 伟2，洪 宽2，穆志洋1

(1.浙江大学控制科学与工程学院，浙江杭州 310027；2.浙江比弦物联科技有限公司，浙江杭州 310018)

本文简述了窄带物联网NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)技术及其特点，提出了基于NB-IoT的道路照明智能控制系统的架构及其组成，以及其应用于道路照明控制系统的功能特点和技术优势。

NB-IoT技术；道路照明；智能控制

引言

随着城市建设的不断发展，城市道路照明不仅是人们日常生活中必不可少的公共设施，也是展现城市景观、体现城市形象的重要途径[1]。然而，在长期的运营维护过程中，传统的路灯管理方式逐渐暴露出诸多弊端：①控制方式：手动、光控、钟控等简单控制方式易受季节、天气等自然环境和人为因素影响；②参数远程设置：无法远程修改开关灯时间，不能根据实际情况(天气突变，重大事件，节日)及时校时和修改开关灯时间，也无法进行路灯调光以实现二次节能；③状态监控：缺乏路灯状态监控，故障依据主要源于人工巡检上报和市民投诉，不能实时、准确、全面地监控全城的路灯运行状况；④设备防盗：缺少防盗监测，出现故障难以定位，无法准确发现电缆盗割、灯头被盗和断路等，不仅造成经济损失，同时影响市民的正常生活及安全出行。

因此，为切实提高城市道路照明系统的管理水平和管理效果，需要综合运用物联网等技术手段来实现全面可控的“按需照明”运行模式，节约照明能源，降低管理维护成本，提高城市照明系统管理水平[2]。

1 道路照明智能控制系统

随着计算机技术、网络技术、通信技术、控制技术等现代化科学技术的发展，为传统的路灯管理方式找到了新的突破口，使得道路照明智能化控制成为可能[2]。道路照明智能控制系统可以解决城市照明统一开启关闭、数据采集、故障报警等功能，提高城市道路照明系统的监管水平。

道路照明智能控制系统的一般架构由监控中心、集中控制器和终端控制器构成三级逻辑层通过两级通信层进行连接(两跳)，也可以由监控中心和终端控制器构成两级逻辑层通过一级通信层进行连接(单跳)。道路照明智能控制系统架构如图1所示。

其中监控中心由计算机、数据库服务器、通信设备、显示终端等硬件和包含智能控制算法、图像处理技术、地理信息系统、定位技术等相关技术融合的软件组成，应用于道路照明运营管理的综合平台；集中控制器置于道路照明配电柜内，根据中央管理平台下发的运行参数和命令，负责对道路照明配电柜内的灯线路进行数据采集、控制和管理，并作为中央管理平台与终端控制器之间的数据中继通讯信道；终端控制器是指道路照明智能控制系统中直接实现对照明路灯监控的终端。终端控制器安装于灯具内，也可以集成到灯具的电源中。终端控制器根据中央管理平台下发的或集中控制器转发的运行参数和命令，实现对照明路灯进行数据采集、状态监控、设备管理等任务。

图1 道路照明智能控制系统架构图Fig.1 Intelligent control system of road lighting

目前在两跳架构下，监控中心和集中控制器之间的上层通信主要通过远程通讯信道，例如GPRS、3G、4G等，集中控制器和终端控制器之间的下层通信通过短程通信信道，例如电力线载波通信(PLC)、ZigBee、RoLa等。

2 基于NB-IoT技术的道路照明智能控制系统

2.1NB-IoT技术简介

基于蜂窝的窄带物联网(NB-IoT)是低功耗广域物联网(LPWAN)网络的一个重要分支,是实现万物互联网络的重要组成部分[3-4]。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180 kHz的带宽，其主要包括以下特点：

低功耗：主要采用PSM和eDRX这两种省电技术，其核心是在网络侧和终端侧建立一套沟通机制，使终端周期性的进入休眠态和激活态，休眠状态下终端不再收发信号，从而达到省电的目的。低功耗模式下的NB-IoT设备续航可达两三年，甚至可以达到十年。

广覆盖：NB-IoT部署于运行商通信频段，比现有的GSM/LTE网络增益20 dB,信号穿透能力更强，覆盖范围更大，网络质量更稳定，同时还能都提供完善的室内信号覆盖服务。

大连接：NB-IoT技术的另一优势就是具有海量连接能力。在同一基站下，NB-IoT比现有的无线技术提供超过50～100倍的接入数，其一个扇区支持多达十万的连接数，满足了万物互联时代海量设备的接入要求。

2.2基于NB-IoT技术的道路照明智能控制系统

2.2.1 控制系统架构

基于NB-IoT技术的道路照明智能控制系统由监控中心、通信传输系统和终端控制器组成，其系统架构如图2所示。

图2 基于NB-IoT的道路照明智能控制系统架构图Fig.2 Intelligent control system of road lighting based on NB-IoT

1)终端控制器通过NB-IoT射频信号与基站通信，对LED单个灯具进行监测和控制，能够上传路灯相关数据并接收中央管理平台控制命令，负责对照道路明设施的运行进行监测和控制；

2)通信传输系统是构建大区域跨平台的物联网通信平台，由基站、核心网、IoT平台组成，实现对城域级道路照明设备的远程监控，通信传输系统采用运行商部署的基站连接终端控制器及IoT平台和监控中心相连接，对道路照明控制系统而言，实现了单跳通信模式；

3)监控中心是整个道路照明智能控制系统的核心，具有数据的分析、汇总、存储和控制命令的发布等功能，同时具有路灯巡检、路灯设备管理、路灯运行维护管理和相关运行报表等功能。

2.2.2 终端控制器

终端控制器实现对道路照明路灯的直接控制，由NB-IoT模块、微控制器模块、通用用户身份识别模块(universal subscriber identity module,USIM)等组成。终端控制器通过NB-IoT模块实现NB-IoT通信网络的接入，并通过NB-IoT无线接收和发送相关设备的收发天线与NB-IoT基站进行联络。微控制器模块可以实时采集电压、电流等数据，并通过串口通讯方式将数据传输至NB-IoT模块，然后通过NB-IOT网络传输到监控中心。同时，通过NB-IoT模块信号接收设备接收监控中心下发的指令，控制道路照明设备的运行状态。每一个终端控制器拥有唯一的通用身份识别模块，对应唯一的照明设备，因此监控中心可以识别每一盏路灯，进而实现单灯控制。终端控制器可以外接驱动电源，通过PWM或0～10 V调光方式对LED路灯进行调光控制。此外，可扩展传感器探测路灯周围环境信息，例如光照度、温度、湿度及气象环境等，反馈给监控中心，使监控中心可以依据环境信息对终端控制器进行有效监控。终端控制器及相关设备如图3所示。

图3 终端控制器及相关设备Fig.3 Terminal controller and related equipment

依据道路照明智能控制系统对照明设备的监控要求，终端控制器的主要功能如下：

1)数据采集功能：采集电压、电流、有功功率、功率因数和当前故障信息等数据；

2)状态监测与告警：监控灯具工作状态，灯具亮灯时间统计，控制器工作状态监控。具有根据设定的报警条件主动向系统报警的功能；

3)异常保护功能：电压异常时能够进行自动保护；

4)控制功能：具有对所管辖的LED照明灯具进行管理控制(控制和调光)功能。

2.2.3 监控中心

监控中心主要实现道路照明智能控制平台，基于NB-IoT技术将城市照明的路灯进行统一管理。采用基于GIS系统进行可视化的管理方式，管理者可以清楚地了解每一个街区、每一盏路灯的状态信息。通过应用灵活的照明设备，可以对每一盏路灯的开关状态，照明亮度进行精准控制，真正实现按需照明，其主要功能包括：开关控制、自由编组、调光控制、曲线报表、故障报警、维护派单等功能，道路照明GIS系统界面如图4所示。

2.2.4 主要功能

基于NB-IoT的道路照明智能控制系统主要功能特点如下：

1)实现城市道路照明设施的有效管理。每一盏灯具是一个智能的节点，可以按照需求进行自动监测、远程控制、实时报警等集中管理，实现“按需照明”的理想状态。

2)通过自动巡检功能可以对终端周期巡检，包括电压、电流、开关状态、故障信息等。当监控终端巡检时发现有异常数据时，GIS在地图上会显示相应的位置和故障类型，可通过预设进行自动报警，通知维修人员进行维护。

3)对智能路灯系统进行大数据分析功能。系统对监控数据进行大数据处理和分析，得到最优的照明方案；同时结合历史数据的分析，做出预设和报警，保证路灯照明设备运行在最佳的工作状态。出现紧急状况时，系统分析数据信息给出最优处理建议，为决策和管理者提供参考。

2.2.5 技术优势

当前道路照明智能控制系统的通讯网络一般为双跳模式。其中，集中控制器和监控中心之间的通讯一般采用移动通讯网络，而集中控制器与终端控制器之间的通讯则一般采用ZigBee[5]、LoRa等无线通讯方式或电力载波(PLC)通讯方式[6]，其主要问题如下：

1)缺乏标准导致成本较高，比如需要对PLC/ZigBee/LoRa等不同协议的路灯进行适配；

2)易受干扰，可靠性无法保障，比如配电线路老化及电磁干扰对PLC通信的影响，树木和建筑物遮挡等对ZigBee/Rola信号的干扰；

图4 道路照明GIS系统Fig.4 GIS system of road lighting

3)建网和维护成本较高，比如目前普遍采用传统的“两跳式”智慧照明解决方案，在一个路段设置一个汇聚网关，每个汇聚网关通过PLC/ZigBee/LoRa技术连接大约100盏路灯，汇聚网关再通过GPRS/3G/4G网络上报给监控中心，增加了建设成本和维护成本。

基于蜂窝的窄带物联网技术(NB-IoT)以其覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点为道路照明控制系统提供合适的解决方案。在协议层上，NB-IoT已被纳入3GPP标准，实现接入协议的统一；在网络层上，使用NB-IoT广覆盖、大连接的特性，满足路灯分布离散的特点。NB-IoT蜂窝网络实现对每盏路灯“一跳式”的连接和控制，不需要网关设备，减少了建设和维护成本。NB-IoT使用授权频谱，免去了网络干扰问题；在平台层上，IoT平台为智慧路灯应用提供基础的连接管理、数据管理、设备管理能力，并通过开放标准接口使得应用灵活快速的部署。

2.2.6 应用试点

2017年2月，由华为、杭州移动和浙大网新易盛共同打造的基于标准NB-IoT的智慧照明示范区在杭州滨江士兰微园区完成(如图5所示)，标志着NB-IoT在道路照明领域的开端。目前该应用在国内已有数十个成功案例。

图5 杭州市基于NB-IoT的道路照明示范区Fig.5 Demonstration area of road lighting based on NB-IoT in Hangzhou

3 总结

随着计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术等信息化技术的发展，追求更高效，更节能，更智能的城市照明控制系统势必成为未来智慧城市发展的趋势。结合NB-IoT技术覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等技术优势，将其应用于道路照明控制系统中，一方面提高了能源利用效率，同时优化了管理水平，对未来智慧城市的发展具有重要意义[7]。

[1] 牟娜.城市道路照明设计[J].照明工程学报，2012，23(4)：100-102.

[2] 粱人杰.智能照明控制技术发展现状与未来展望[J].照明工程学报，2014，25(2)：1-26.

[3] 邹玉龙，丁晓，进王全.NB-IoT关键技术及应用前景[J].中兴通讯技术，2016，22(1)：43-46.

[4] 戴国华，余骏华.NB-IoT的产生背景、标准发展以及特性和业务研究[J].移动通信，2016，24(7)：31-36.

[5] 吴光荣，章剑雄.基于ZigBee技术的无线智能照明系统[J].现代电子技术，2016，30(14)：67-69.

[6] 刘伊莎，黄胜明，毛周明.电力线载波的LED路灯监控系统设计[J].电测与仪表，2015，55(22)：113-118.

[7] 汪清.浅析智慧照明在智慧城市建设中的引领作用//2016年中国照明论坛——半导体照明创新应用暨智慧照明发展论坛论文集.北京：中国照明学会，2016.

IntelligentControlSystemofRoadLightingBasedonNB-IoT

YE Wei1, LYU Wei2, HONG Kuan2, MU Zhiyang1
(1.SchoolofControlScienceandEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China；2.ZhejiangBettershineIOTTechnologiesCo.,Ltd,Hangzhou310018,China)

This paper introduces the characteristics of NB-IoT (Narrow Band Internet of Things), and puts forward the structure and composition of the road lighting intelligent control system based on NB-IoT technology with its features and technical advantages applied to the road lighting control system.

NB-IoT; road lighting; intelligent control

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.005