基于NB_IoT的智慧路灯管控系统研究及应用

曾保权 杨琳芳

摘 要：智慧路灯管控系统是基于NB_IoT通信技术提出的物联网采集传输一体化解决方案，系统采用现有城市路灯构建的智慧城市物联基础网络，对城市照明及附属设施实现路灯远程控制及资产管理、运维管理、能源管理、用电安全等功能，系统采用实时数据库进行分布式、高性能的数据采集及分布存储，采用深度学习相关模型及算法进行数据挖掘，为节能管理及市政管理者提供数据支撑及服务，推动城市的智能化及智慧化、数字化。

关键词： NB_IoT; 数据挖掘;实时数据库;路灯控制;深度学习

文章编号： 2095-2163（2019）03-0282-04 中图分类号： TP399 文献标志码： A

0 引 言

随着现代化城市科学技术的应用和经济实力的高速发展，城市绿色照明在改善城市环境和建设宜居城市，提升城市整体功能，拉动内需，推动城市经济的发展上起到了显著的作用。

根据《“十三五”城市绿色照明规划纲要》统计数据表明：2015 年末，全国 1 064 个城市共有城市照明管理人员约5万人，道路照明灯较“十二五”时期新增833万盏，安装功率总计407万千瓦;景观照明灯较“十二五”时期新增1 076万盏，安装功率总计21万千瓦。“十二五”期间，中国城市绿色照明工作仍处于粗放式发展阶段。

按照规划要求：全国须全面建设智能化管理系统，提高城市照明信息化管理水平。全国地级及以上城市和东中部地区县级市智能化控制覆盖率应达到80%，新、改（扩）建照明项目智能化控制技术应用率应达到 100%。

基于NB-IoT物联网的智慧照明管控系统以路灯信息资源为中心，结合计算机、信息与通信、物联网、云计算等相关技术，推动创建城市照明的“全资产、全过程、全生命周期”的管理模式，将城市照明资产管理、监控管理、工程维护管理实现数字化、规范化、智能化和科学化，以满足日益发展的智慧城市管理需求。

1 系统总体设计

1.1 系统构成

系统主要由系统管理层、通信传输层、设备感知层组成，网络拓扑设计如图1所示。其中，系统管理层主要包括各类服务器、软件平台及相关附属设备。通信传输层包括各类网络通信设备及云端网络。设备感知层包括了路灯控制中所涉及的各类智能终端设备。以上设备相关数据可经集中控制终端上传数据，而路灯控制则可由NB-IoT网络直接通信或采用其他通信方式构成双通道，集中控制器主要完成采集、存储路灯控制策略、数据上传等任务。

1.2 系统平台功能

1.2.1 软件系统架构

如图2所示，系统软件架构分别由业务应用层、业务逻辑层和数据驱动层组成。对此拟做设计分述如下。

（1）业务应用层：主要实现系统的各模块的业务分析，包括实时监测、照明管理、资产管理、安全分析、统计分析、报表管理、用户管理、日志管理、告警管理、系统配置等。

（2）业务逻辑层：主要实现系统与各类数据的访问及获取操作，监管数据的自动归档，并绑定相关的数据源及数据接口，提供数据库的操作及实时数据的访问和相关业务逻辑处理等操作。

（3）数据驱动层：主要实现各种设备的数据接入，可融合多种不同设备及不同协议类型的智能终端，如支持MODBUS 、DL/T645、MQTT、LWM2M、EDP、RGMP等其它協议。

1.2.2 IoT云平台

本系统采用ONENET平台，ONENET是中国移动物联网的PAAS物联网开放平台，可解决协议适配、海量连接、数据存储、设备管理、规则引擎、事件告警等物联网应用开发的共性问题，平台能够帮助开发者实现设备接入与设备连接，提供综合性的物联网解决方案。

g. 2 Software architecture diagram

平台提供开放的HTTP/HTTPS API接口，用户可以使用API进行设备管理、数据查询、设备命令交互等操作，在API的基础上，根据自己的个性化需求指定搭建上层应用。

本系统通过路灯控制器上传数据到ONENET平台，然后通过平台开放的API接口进行设备及数据访问，融合到路灯控制管理系统中，提供给客户端访问。系统中的数据流程设计如图3所示。

2 关键技术

2.1 NB-IoT数据通信

当前，智能照明系统中主要采用PLC（电力载波）、ZigBee和GPRS等通信方式。其中，PLC方式优点是只要有电力线即可进行传输，但信号易受干扰，通信成功率不高。ZigBee通信具有低功耗、低成本、大容量、应用灵活等优点。但采用树形结构时稳定性较差，易受同频无线电信号影响。

NB-IoT聚焦于低功耗广覆盖（LPWA）物联网（IoT）市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。其具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点。是目前运营商的主流技术选择，可很好地解决目前存在的路灯控制通信的相关矛盾及问题。

2.2 路灯控制器

路灯控制器提供无线GPRS/4G/NB-IoT等通讯接口（可选）。可控制单个照明设备终端的开/关操作;具有1路交流控制输出;1路PWM调光输出、调光等操作;0～10 V输出：可设置DC0～10 V的电压幅值调节路灯亮度;能测量电流、电压、功率以及功率因数、电能等参数;继电器输出： AC220 V电压输出，AC2.5（10）A电流输出;并具有时钟对时功能，以方便系统的校时。另具有经纬度设置功能，可结合GIS进行地图可视化显示。

2.3 多回路电量监控装置

监控装置具有测控1路进线，4路出线的功能，可安装于配电柜内。适用于市政及公共建筑、譬如路灯控制箱体的电能计量、漏电监测及开关控制，具有拉合闸功能，可控制用电回路的通断，配合系统平台可实现路灯线路的“群策控制”。进线中还可测量漏电功能，其中独立式电气火灾监控探测器采用高速芯片，快速测量主干线剩余电流（漏电流）大小及温度值，当被保护线路中被测参数超过报警设定值时，能发出声、光报警和控制信号，以便消除火灾隐患。

2.4 实时数据库

实时数据库支持多种工业及物联网通信协议，可采集现场路灯控制器及相关智能终端的数据并做分析处理，可将数据提供给上层应用系统，是一个高性能、高速度、高吞吐能力、可靠性强、跨网络系统的分布式实时数据库系统。系统是一个完全的开放结构，可任意构建应用模式;并能与Hadoop、Spark等主流的大数据平台有机融合，帮助管理者洞察全局数据趋势，实时发现数据异常，降低运营风险，控制成本提升效益。

2.5 深度学习

深度学习是机器学习研究中的一个新的领域，其动机在于建立、模拟人脑进行分析学习的神经网络;根据路灯控制系统采集的海量数据，可以建立包括分类、聚类、关联、时序及异常等相关数据挖掘算法与模型，对路灯管控系统的数据进行深入的分析，并自动生成路灯控制、能耗管理、告警等统计分析及诊断报告。

3 应用实例

某辖区下设6个街道，路灯所拟对其中的区域進行路灯及附属设施的智能化改造，改造内容如下：改造灯具1.3万盏，每个灯具安装智能路灯控制器;改造配电箱300多个，每个配电箱安装计量终端、集中控制器、漏电监测单元、输入输出监控终端等设备;搭建数据中心、监控中心;搭建智慧照明管控系统应用平台软件系统。

系统采用本文所述方案进行建设，经试点，目前系统运行效果良好、通信可靠、数据准确，特别是针对深度学习所生成的异常数据及相关节能诊断报告，对管理者的路灯节能管理具有重要的参考价值。

4 结束语

智慧路灯是智慧城市的一个子系统及智慧城市接入平台，在节能方面，可降低能源消耗、降低碳排放，具有良好的社会效益;在成本上，可降低人员维护成本，能取得不错的经济效益;可实现城市及市政服务能力提升，促进“智慧市政”的大力发展，智慧路灯系统后续作为一个数据平台可与安防、警务、通信、城管等系统进行交互，为智慧城市的大数据应用提供数据服务。

参考文献

[1]王国义. 基于物联网的太阳能路灯控制系统的研究[J]. 齐齐哈尔大学学报（自然科学版），2018，34（6）：32-35.

[2] 刘霁葳. 以物联网技术为基础的智慧路灯系统设计探讨[J]. 智能建筑与智慧城市，2018（10）：127-128.

[3] 李祥和. 基于物联网技术的智慧路灯管理系统设计[J]. 自动化与仪器仪表，2018（7）：113-116.

[4] 成开元，廉小亲，周栋，等. 基于NB-IoT的城市智慧路灯监控系统设计[J]. 测控技术，2018，37（7）：19-22，77.

[5] 吴岱玮，范延滨. 基于物联网技术的智能路灯控制终端设计[J]. 工业控制计算机，2018，31（8）：47-48.