NB-IOT在道路照明智能控制系统中的应用研究

尹旭平，杜 望

（中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州730000）

1 引言

随着经济和社会的发展，城市公共照明已经成为城市现代化水平的重要标志之一，也是展现城市景观、体现城市形象的重要途径，城市照明设施规模日益增大，能源费用和运维费用节节攀升，社会各方对城市公共照明的要求和希望越来越高。然而，在长期的运营维护过程中，传统的路灯监控和管理方式相对简单、粗放，服务质量和节能水平有待提高，难以满足现代化城市照明的需要，主要表现在以下几个方面：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。

近年物联网、云计算等新一代信息技术的广泛应用，基于此，提出一种基于NB-IOT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）技术的智慧路灯系统，可智能、合理地运营城市道路照明体系，通过对系统内每一盏路灯的管控、调光及监测，可有效节省运维成本，增加经济效益，提高城市道路照明的管理效率，满足智慧城市设施智能化、治理精细化的诉求。

2 照明智能控制系统现状分析

近些年，基于计算机技术、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，发展出了基于电力载波通信（Power Liner Carrier Communication，PLC），ZigBee等通信技术的“单灯控制系统”，实现了集中、远程、智能控制与管理。

该系统采由由监控中心、集中控制器和终端控制器（单灯控制器）构成三级逻辑层，通过两级通信层进行连接（两跳）。

集中控制器安装在配电柜内，终端控制器安装在照明终端。集中控制器通过GPRS／4G无线网路或者光纤以太网与监控中心进行通信，终端控制器采用电力载波通信方式／ZigBee短距无线通信方式与集中控制器进行通信。集中控制器通过接收、执行、转发上位机管理软件的命令，对每个终端控制器进行控制，达到控制每盏路灯的亮灭及调光，节约电能。同时集中控制器通过内置的DO输出端口在配电箱内可实现对路灯整条回路的控制，查询每个终端控制器的信息，通过模拟量、数字量的DI输入端口，可以外接其他设备采集现场的光照、温度等其他信息，反馈到上位机管理软件，实现对现场的实时监控。“两跳”式照明智能控制系统架构图如图1所示：

图1 “两跳”式照明智能控制系统架构图

目前在城市公共照明单灯智能化监控领域，电缆线载波通信是底层通信技术的主流方向，在实际应用中约占90%的比例；ZigBee技术也有一定应用，约占10%的市场份额；但是这种方式方式需要部署大量网关控制路灯，对中继网关的维护和施工成本高，组网难度高，操作管理麻烦，且易受干扰，可靠性无法保障。通信干扰较大，延迟较长，且易受天气影响，对中继网关的维护和施工成本较大。

3 基于NB-IOT的照明智能控制系统

3.1 控制系统架构

基于NB-IoT技术的道路照明智能控制系统总共分为四层，由监控中心、NB-IoT网络通信系统（含NB-IoT网络和IoT平台）和终端控制器组成，如图2所示。

系统通过NB-IoT网络实现数据和命令的远程传输，达到对路灯的实时远程监控。路灯节点直接与服务器通信，达到“一跳”式通信，远程监控中心可以直接与单个路灯进行通信，实现真正的单灯控制。

图2 NB-IOT智能控制系统框架图

终端层：终端设备是是物联网的基础载体，集成NB-IoT标准模组来实现通讯能力，各终端由原有的哑终端逐步向智能终端演进，通过增加各种传感器、通讯模块使得终端可以控制每盏路灯的开、关以及采集路灯信息，并通过NB-IoT模组与无线网络通信。

网络层：网络是整个物联网的通讯基础，提供上下行通信网络，用于数据上报与应答以及配置参数与软件版本下发。

平台层：拥有丰富的协议适配能力，支持海量多样化终端设备接入，基于统一规约和接口，实现不同类型终端设备及不同应用平台的统一接入和管理，以确保互联互通。

应用层：是物联网中人直接感知的最上层，以统一界面进行资源管理、集中监控、单灯节能；可以在应用侧进行路灯的控制，查看路灯的状态，进行路灯软件升级等，还可在手机端安装管理软件，实现随时随地的信息监测与管理操控。

系统可实现两种控制方式：人工控制、智能控制。其中人工控制分为人工现场控制和人工远程控制：前者适用于突发状况；后者则是通过监控平台对路灯进行远程控制。智能控制则是根据道路的真实照明需求，包括道路的车流量和环境光亮度等，进行智能照明。

3.2 NB-IOT 技术简介

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）即基于蜂窝的窄带物联网，主要应用在小数据量、低速率的物联网应用场景，是实现万物互联的突破性技术。

传统物联网通信技术根据通信距离的长短分为两大类：第一类是如GPRS、3G／4G等长距离的通信方式；另一类则是如zigBee、蓝牙、wiFi等短距离通信方式，适用于智能家居、工业数据采集等局域网通信场合。长距离通信方式具有通信距离远、速率高等优势，但如3G／4G传输方式的功耗较大，流量成本比较高，不适合非实时通信的情景忙；目前，短距离的通信方式具有低成本、低功耗等优势，但当应用到中长距离时就需要部署中继节点，因此导致网络拓扑复杂、稳定性差。

针对现有的通信传输技术中存在的传输距离与能耗之间的矛盾，近几年产生的低功耗广域网（Low Power Wide Area，LPWA）技术正好解决了这一矛盾问题。LPWA技术是面向物联网中远距离和低功耗通信需求的通信技术，具有广覆盖、低功耗、低成本、大连接的特点。LPWA又可分为两类：一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术；另一类是工作于授权频谱下，如LTEeMTC、NB-IoT等。NB-IoT是运营商主流技术选择。各技术参数对比如表1所示：

表1 LPWA物联网技术参数比较

3.3 NB-IOT 技术特点

NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，其主要包括以下特点：

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20dB，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。

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。

低成本：较低的模块成本，低速率、低功耗、低带宽使得终端复杂度降低，便于实现终端低成本，单个接连模块的成本预估可控制在5美金以内，甚至更低。同时，NB-IoT基于蜂窝网络，可直接部署于现有的LTE网络，运营商部署成本也比较低。

大连接：具备支持海量连接的能力。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，单个扇区能够支持10万个连接，满足了万物互联时代海量设备的接入要求。

3.4 部署方式

现阶段的NB-IoT主要支持FDD传输模式，系统带宽为200kHz，传输宽带为180kHz，对于运营商来说，NB-IoT支持三种网络部署模式如图3，即保护带（Guard-Band）内部署、独立（Standalone）部署、LTE带内（In-Band）部署。

保护带部署是将NB-IoT网络部署在LTE频谱边缘的保护频段，使用较弱的信号强度，可以最大化地利用频谱资源。

独立部署是将NB-IoT网络部署在传统的2G频谱或其他离散频谱，利用现网的空闲频谱或新的频谱，不与现网LTE网络形成干扰。

带内部署是将NB-IoT网络部署在LTE带内的一个PRB资源，作为NB-IoT的工作载波，通常选择在低频段上（如700MHz、800MHz、900MHz等）。

图3 NB-IOT部署方式

图4 NB-IoT终端节点硬件架构

三种运行模式的设计具有一致性原则，但保护带部署和带内部署需要特别考虑对LTE系统的兼容性，如干扰规避、射频指标等。其中保护带部署没有占用频谱资源，不过由于设备具有复杂性，射频指标最严格，系统性能与LTE带内部署模式比较类似，所以产业发展进程呈现缓慢的态势，现阶段只有少数个别设备与终端芯片厂商支持；独立部署方式和其他方式相比配置的限制比较少，并且覆盖的能力较大，具有较优的下行性能，在下行覆盖受限中，独立部署覆盖能力比保护带部署方式要高。

4 NB-IoT终端硬件设计方案

4.1 NB-IoT终端硬件架构设计

NB-IoT终端控制器作为智慧路灯系统的终端节点，不仅可以采集与路灯运行相关的信息并发送给远端管理平台，还可以接收来自管理平台的各种操作指令，对单个路灯进行开关控制以及灯光亮度调节。标准的NB-IoT终端控制器主要由MCU（微控制器）、NB-IoT模块、电源模块、各类传感器模块、输出控制模块组成，如图4所示。

图4中，MCU微控制器是终端主控芯片，主要接收各个模块发送的信息，根据信息的情况判断模块的工作状态，并发出相应的控制命令。电压／电流、光强、车流量等传感器可实时采集得到电压／电流、光照强度、交通量等数据传送给MCU，MCU通过UART（串口）通信方式将数据传输至NBIoT通信模组，然后通过NBIoT网络传输到监控中心，且MCU的PWM管脚与led路灯组件的恒流驱动的调光引脚连接。同时，其通过NB-IoT通信模组接收监控中心下发的指令，监控道路路灯的运行状态，并对LED路灯进行调光。每一个路灯终端拥有唯一的通用身份识别模块（SIM卡），监控中心可以识别每一盏路灯，进而实现单灯控制。

图5 MCU电路图

电源模块采用AC／DC开光电源将220V交流电转换为5V直流电，并利用LT1963-3.3芯片将电压降至3.3V，给系统内部供电。

4.2 MCU（微控制器）选型

根据路灯控制系统的设计要求，要实现的功能要求以及开发成本等因素，MCU选用STM32L471作为主控芯片，具有低功耗、高性能的特点，工作电压 3.3V。

STM32L4系列的微控制器采用新型结构制造，具有高度灵活性和高级外设集，实现了超低功耗性能。STM32L471器件基于ARM®Cortex®-M4，具有FPU内核。工作频率可达80MHz，实现了在80MHz频率下具有100DMIPS的性能。

4.3 NB-IOT 模块硬件设计

NB-IOT无线通信模块是由移远公司的BC95-B8通信模组（基于800MHz频段的电信NB-IoT网络），以及SIM卡座、滤波天线、复位电路组成，由电源模块供电。

图6 NB-IOT通信模块电路图

BC95-B8是一款高性能、低功耗的NB-IoT无线通信模块。其尺寸仅为 23.6mmx19.9mmx2.2mm，能最大限度地满足终端设备对小尺寸模块产品的需求，该芯片内嵌网络服务协议栈，通过AT命令进行控制，硬件通信端口为UART。可以工作在-40℃到+85℃的环境下，适合路灯部署环境，具有超低功耗、高灵敏度、可靠性高。模块的SIM卡采用中国电信的物联网终端专用卡。

本模块将来自MCU的路灯实时状态、光照强度以及故障状态通过GSM网络将数据发送给IOT平台，并接收用户通过GSM网络发送来的控制命令。NB-IOT无线通信模块设计原理图如图6所示。

4.4 电源模块设计

电源模块采用全桥式整流电路将220V三相交流电转换成脉动的直流电，后经滤波电容和稳压电路，输出5V直流电压。由于STM32L4和BC95B8的输入电压选用的是3.3V，5V电源难以直接对其进行供电，因此采用LT1963-3.3芯片将5V电压转换为3.3V工作电压。

LT1963-3.3是针对快速瞬态响应优化的低压差稳压器，静态电流为1mA，关断时降至＜1μA。除了快速瞬态响应外，LT1963稳压器具有非常低的输出噪声。

4.5 传感器模块选型

4.4.1 电压／电流模块

路灯的电流电压采集通过计量芯片RN8302实现，使用4只精密电流互感器转换电流信号，对于不同种类的路灯规格采用不同电流变换比例的电流互感器。采用3只微型电压互感器来隔离交流电压，电源相电压经过电阻限流后，经过微型电压互感器将电压信号转换成电流信号，并加入电压钳位电路进行超高压保护控制器不被电网的脉冲电压等因素损坏。

4.4.2 光强传感器模块

光照传感器模块主要负责采集外界的光照强度信号，微控制器根据接收到的光强信号控制路灯的亮度。采用BH1750芯片组成电路。该芯片工作电压为3.3V，消耗功率极低，内置了16位模数转换器，具有优良光谱灵敏度特性，可对光照强度进行高精度测定，实现数字化输出。

4.4.3 车流量检测硬件设计

选择热释电红外传感器P2288实现对道路车流量的检测[6]。由于P2288本身无法满足一个条状探测范围的要求，需在传感器前面加装菲涅尔透镜，达到聚焦和限定测量范围的作用，使得P2288的检测范围达到10m以上。由于传感器的输出信号比较微弱且杂波较多，需经过由滤波整形、两级放大、电压比较等部分组成的信号检测放大电路进行滤波放大。两级放大电路采用LM324集成运算放大芯片，可将传感器的输出信号放大100～150倍，放大后的信号进入电压比较器并经窗口比较器处理，最后进入单片机进行波形的分析和计数，实现对车流量的统计。

4.6 输出控制模块

路灯负载的开关控制通过继电器实现，选用双稳态继电器JE7，减少控制板维持继电器常开或者常关的能耗。

市电经LED恒流驱动给led路灯供电，MCU的PWM管脚连接led恒流驱动的调光引脚，通过监控中心下发的命令进行调光控制。

5 软件设计

路灯控制模块用于路灯的开关控制、亮度调节、道路环境光强度采集。软件设计主要包括NB？IoT模块联网，对指令的处理和自启动工作设计。路灯节点的程序流程图如图5所示，路灯节点上电后进行连网处理，入网后将本节点信息发送至服务器，节点在接收到服务器的指令后进行相应处理；节点在未能入网或掉网的情况下，会根据路灯控制模块内部的实时时钟进行开关灯处理，保证路灯的正常使用，同时服务器进行报警处理，方便及时进行维修处理。

图7 路灯节点程序流程图

6 应用前景分析

随着智能城市、大数据时代的来临，无线通信将实现万物连接。移动通信正在从人和人的连接，向人与物以及物与物的连接迈进，万物互联是必然趋势。对于NB-IoT产业的发展，中国移动、中国联通、中国电信三大运营商皆就NB-IOT发布了各自的发展计划。同时，工信部也发文《关于全面推进移动物联网（NB-IoT）建设发展的通知》工信厅通信函[2017]351号，要求加快NB-IoT在国内落地，到2017年末建成基站规模40万个，到2020年建成基站规模150万个。中国NB-IoT产业加速布局，将是全球NB-IoT产业领跑者。目前在上海、广州、江门、鹰潭、长沙落地了NBIoT智慧路灯项目，实现了到处开花、处处结果。

7 结束语

城市智慧照明是智慧能源的开端，以NB-IoT新一代通信技术为支撑，实现整个城市一张网，对城市道路每盏灯实现全面的感知、智能的控制、广泛的交互和深度的融合，在满足市民正常照明需求的前提下，通过智能调光、降功率、按需开关灯等管理方式，减少过度照明，电能节约率可达20%，真正实现节能减排，减少对大气的污染，建设资源节约型、环境友好型社会。同时通过对城市照明设施实现精细化管理，通过对城市道路每个灯具的运行状态进行准确分析和故障报警，并根据故障等级启动相应的处置流程，将被动巡检改为定点维护，反应更加敏捷处置效率更高，将使城市的灯光管理水平与现代化的大都市相适应，提高亮灯率，减少各种故障，合理照明，美化照明，安全照明，营造出现代城市科学和艺术完美结合的照明效果，树立和提升城市的品牌形象。