基于NB-IoT 的道路照明监控系统设计及应用

吴 军

上海市城市综合管理事务中心（上海，200023）

0 引言

2016 年，世界移动通信大会上，窄带物联网技术（NB-IoT）成为会议的一大亮点[1]。NB-IoT 技术具有窄带、低速率、低功耗、低成本、高容量、广覆盖等特点，随着技术应用日趋成熟，目前该技术支持包括水、电、气、热等基础设施的智能管理[2-3]。

成开元等[4]分析了NB-IoT、LTEeMTC、Lo-Ra、SigFox 等通信方式的优缺点，设计了基于中国电信NB-IoT 技术的由数据采集层、通信层、应用服务层和用户层四层结构组成的智慧路灯监控系统，实现了从客户端Web 界面实时远程监控城市路灯状态的目标。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[5]。

目前，上海市道路照明监控系统主要通过“区域控制器+终端控制器”的方式，通过电力载波（PLC）技术实现对路灯的单灯监控。但由于配电线路老化、电磁干扰等因素影响，导致通信质量较差，从而无法准确地实现单灯监控。文章基于NB-IoT 技术的优势，结合虹桥路合杆整治工程开展了NB-IoT 单灯控制器的试点工作。

1 基于NB-IoT 的道路照明监控系统架构

根据《上海市道路照明设施监控系统技术标准》（DJ/T 08-2296—2019）[6]，道路照明设施监控系统宜采用三层结构的架构，如图1 所示。一般，基于PLC 技术的路灯终端控制器（TCU）通过接口B 传输数据至区域控制器（ACU），再由区域控制器（ACU）通过接口A 传输至照明监控中心（LCC）。该系统具有无线通信功能，直接通过接口C 传输至照明监控中心（LCC），实现照明监控中心直接对LED 路灯的远程监控。系统架构图如图2 所示。

在NB-IoT 网络架构下，网络结构和通信协议清晰、简单，无须区域控制器（ACU），减少了通信环节和故障点，整个监控系统的稳定性和可靠性得以提高。每台终端控制器（TCU）独立运行，监控策略设置具有多样性，不仅可实现远程开关灯控制和调光控制，同时可实现以下自动监测功能：（1）电压、电流、功率、功率因数、时段用电量、总用电量等；（2）通信异常、单灯故障等故障信息；（3）设备信号强度RSRP、无线信号干扰噪声比SINR、无线信号覆盖等级等。

图1 道路照明设施监控系统架构

图2 基于NB-IoT 的路灯终端控制器系统架构

2 应用实现

结合上海市道路合杆整治工程，在虹桥路（番禺路—宜山路）安装NB-IoT 单灯控制器（TCU）23 台，安装点位如图3 所示。单灯控制器（TCU）外壳防护等级为IP65，具有0-10 V 调光功能，安装在综合杆的检修舱内，可同时监控2 盏LED 路灯。为更好地获取移动信号，在综合杆主杆卡槽内安装了贴片天线，如图4 所示。

设置该路段的调光方案如下：开灯时间至24 点整，路灯满电流工作；24 点至次日关灯时间期间，路灯电流在70%状态下工作。单盏灯亮灯期间功耗变化情况如图5 所示。

图3 NB-IoT 控制器安装点位

图4 单灯控制器（TCU）在综合杆内安装位置

图5 灯功耗变化曲线

根据《照明测量方法》（GB/T 5700—2008），分别对调光前后的机动车道平均照度维持值（lx）、路面平均亮度维持值（cd/m2)，以及非机动车道路面平均照度维持值Eh,av（lx）、路面最小照度维持值Eh,min（lx）、最小垂直照度维持值Ev,min（lx）进行了实测，实测结果如表1、表2 所示。从表1 和表2 的数据可以看出：调光后机动车道的路面平均照度维持值仍能满足《城市道路照明设计标准》（CJJ 45—2015）[7]的规定，平均亮度维持值略低于《城市道路照明设计标准》（CJJ 45—2015）的规定；调光后非机动车道的路面平均照度维持值、路面最小照度维持值、最小垂直照度维持值均能满足《城市道路照明设计标准》（CJJ 45—2015）的规定。调光后的现场照明效果如图6 所示，从图6 的现场照明效果看，调光后的照明情况可以满足交通通行的要求。

表1 机动车道调光前后照明质量对比

表2 非机动车道调光前后照明质量对比 单位：lx

图6 调光后的照明情况

3 结论

基于NB-IoT 的道路照明监控系统实现了对LED 路灯的遥信、遥控和遥测，可根据管理需求以及道路现场交通情况，合理配置调光幅度和调光时间，在满足路面照度、亮度维持值的基础上，进一步发挥LED 路灯的节能优势。下一步将在当前应用的基础上，开展基于NBIoT 技术的单灯控制器（TCU）综合杆杆体姿态监测、光照度控制等方面的扩展应用研究。