基于NB-IoT的智慧照明系统在南昌的应用案例

李 澄,高 伟,张 冬,阮 军,余 湛

(1.北京新时空科技股份有限公司，北京 101102；2.中关村半导体照明工程研发及产业联盟，北京 100083)

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经[1]。传统的照明管理系统中，常见的通信方式主要有：电力线载波通信、ZigBee无线通信。但是电力线载波通信速率较低，故障上报的实时性较差，误报率偏高，ZigBee无线通信其稳定性一般，安装不便、成本较高，且易受外界环境影响[2，3]。NB-IoT技术是一项可在全球范围内应用的新兴技术，其具有低功耗、广覆盖、大容量、架构优等特点[4]，近年来得到广泛的应用，基于NB-IoT技术的智慧照明系统，具有精准控制、网络覆盖好、可靠性高等特点，具有良好的发展前景。南昌经济技术开发区(简称南昌经开区)的LED节能示范路网工程，将NB-IoT技术应用于智慧照明控制系统，旨在提高城市照明智能化管理水平，节能增效，打造南昌路网节能示范的形象展示窗口。

1 项目需求

南昌经开区是江西省首个国家经济技术开发区，地处长三角、珠三角、闽东南中心地带，是一个功能完善的新型生态工业园区，也是一座绿色宜居的滨江新城。南昌经开区作为南昌市城北的主要出入口，道路形象直接关乎城市形象，简单的道路照明已经无法满足人们的基本需求，照明管理也存在诸多难题，因此实施智慧照明工程以满足整体需求。本次项目实施道路按经开区行政区域划分为三个区域：蛟桥镇、白水湖区、冠山区，情况现场勘察确定每条道路的实施方案，遵从统一规划、合理布局、因地制宜、综合开发、节约能源的原则，在满足功能要求的前提下，实现智慧照明，力求使路灯灯光的布局符合城市一定时期发展规划的需要，同时与周围环境保持协调。

2 NB-IoT智慧照明控制系统

2.1 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[5]。NB-IoT技术具有以下特点[6]：

低功耗：该技术可以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。低功耗模式下设备续航可达两三年，甚至可以达到十年。

广覆盖：NB-IoT信号穿透能力更强，覆盖范围更大，网络质量更稳定，同时还能提供完善的室内信号覆盖服务。

大连接：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，其一个扇区支持多大十万的连接数，满足了万物互联时代海量设备的接入要求。

基于NB-IoT技术的智慧照明系统，可以将城市照明，包括路灯、景观照明等照明设备统一纳入智能化管理平台进行管理，可以根据每天不同的时间、光照度或者特殊要求进行智能控制，满足城市日益增长的照明需求，提升管理效率，实现照明的节能减排。

2.2 系统架构

基于NB-IoT技术的智慧照明控制系统架构如图1所示，包括监控中心、IoT平台、NB-IoT网络以及单灯(含单灯控制器)[7]。

图1 基于NB-IoT的智慧照明控制系统架构Fig.1 Intelligent lighting system architecture based on NB-IoT

单灯控制器通过NB-IoT网络将单灯相关的运行信息、设备状态等上传给IoT平台，监控中心管理系统可以通过IoT平台获取来自终端的数据，同时单灯控制器可以接收监控中心管理系统通过IoT平台下发的开关灯及亮度调节等指令，实现监控中心与单灯控制器的双向通信。

3 项目设计方案

3.1 设计原则

项目不以简单提高亮度为主要目的，而是要满足路灯灯光的布局符合城市一定时期发展规划，同时与周围环境保持协调。每一盏路灯都将是一个智能节点，可以按需实现远程的监测与控制。

3.2 监控中心设计

监控中心即智慧照明的智能控制平台，用若干计算机建立一个计算机局域网络，通过VPN专网的Internet网络来实现。设立照明系统中央控制室，控制平台根据设计效果或场景需要将控制信息传达到各区域的各个配电箱和控制箱，实现远端现场数据的处理和控制，并通过电脑端，将现场情况、数据报表、地理信息数据进行实时显示，管理部门可依此做出精准的判断与决策。监控中心管理系统基于NB-IoT技术将城市照明的智能管理、数据采集、数据处理集一体，并通过群控或组控实现对不同监控的控制功能。

3.3 单灯控制器设计

项目区域内每盏路灯都加装单灯控制器，组成框图如图2所示。电源模块采用AC220 V转DC12 V模块供电，可提供3.8 V、3.3 V电源，保证电路各部分的正常工作。存储器选用超大EEPROM AT24C256，最多可支持100条调光策略。MCU通过串口和NB-IoT模组通信，来实现与后台数据交互。通过MCU生成3种调光方式，0～10 V、PWM和数字调光。

图2 单灯控制器组成框图Fig.2 Structure diagram of terminal controller

单灯控制器控制原理如图3所示，可实现以下功能：可实现单灯经纬时控、定时控、手动控等多种控制管理模式；具有电流、电压、温度、有功功率、无功功率等参数检测功能；具有PWM 调光、0～10 V 调光、数字调光接口，可软件切换；具有远程开、关控制功能，内部集成16 A继电器输出；具有LED灯故障检测功能；具有电能统计功能，可远程读数、清除；路灯工作出现异常后及时上报告警，可将路灯系统的故障精确到点。

配备单灯管理器，可以快速准确地对城市道路照明系统进行智能监控及调光，实现对路灯和电源的远程遥控和遥监，同时可点对点针对性地快速维修与养护，使维护人员随时了解路灯运用状况，极大提高路灯运行质量和效率，降低了照明系统运维成本和能耗。

图3 单灯控制器控制原理示意图Fig.3 Schematic diagram of terminal controller’s control principle

4 实施效果

4.1 智慧照明管理系统软件

智慧照明以整合亮化设施管理资源，优化管理流程，提高工作效率，降低管理成本，节约能耗资源为目标，结合计算机技术、通信技术、物联网技术、控制技术、地理信息技术、实现对亮化设备的智能化调控和信息化管理，提高亮化管理水平和节能效率。其智慧照明管理系统软件主要功能模块有GIS地图监控、资产管理、能耗分析、事件警告、系统用户、项目管理、工单管理等，可以远程实现对项目内每一盏灯的精准实时操作、维护、处理、分析和监管的控制，从而使城市管理人员、单位管理人员、设施管理人员、中心监控人员、维护管理人员、维护人员、施工人员等相关人员可以通过系统软件进行协同工作。功能模块如图4所示。

图4 智慧管理系统软件功能模块Fig.4 Software function module of intelligent management system

系统结合地理信息系统，提供了图形化操作页面，如图5所示，直观显示灯具布控情况，支持批量部署和灯具操作，便于管理和设施维护；实时监测线路，电压、电流、功率及各开关量状态，显示设备工作状态；实时告警信息提示；单个配电柜的状态实时查询、实时控制操作；单个路灯的状态、能耗、开关灯、调光的实时查询与操作；回路分组、灯具分组，并设置定时控制以及定时策略的下发。

图5 GIS图形化操作页面Fig.5 Operation interface of GIS system

4.2 应用展示

项目实施过程中，针对不同路段，根据实际需求选用了不同规格的设备，以满足多样化的需求，如图6、图7所示，选取了其中两个路段白天与夜晚的路灯应用展示，在满足灯光布局合理、智能化控制的同时，整体设计与环境相适应，有效地提升了城市的形象。

根据所在道路的照明等级、季节、夜间不同时间段的交通流量等因素，确定相应时段需要达到的照明水平，智能控制系统可对灯具进行自由编组，实现分组分区控制，按亮灯时间加亮灯模式自由组合，实现任务部署灵活化，调节路面照度或亮度。图7为根据日出日落时间智能调节场景。

图6 某路段白天与夜晚路灯展示(1)Fig.6 Street pole in day and night of a road section (1)

图7 某路段白天与夜晚路灯展示(2)Fig.7 Street pole in day and night of a road section (2)

图8 智能调节场景Fig.8 Intelligent adjustment scene

主干路运行时照度测试结果如表1所示。

表1 道路照明实测值Table 1 Measured value of road lighting

基于NB-IoT技术的智能控制系统的应用不限于灯具的形式和应用场景，整体上满足了经开区的城市要求，实现了智能化控制，满足了照明需求。

5 结论

南昌经开区LED节能示范路网项目，照明设计与实施亮化工程，搭配先进的智慧照明设备，展示出道路界面应有的层次清晰、丰富多彩、特色鲜明的城市形象，对一些标志性道路亮化工程，使其与城市形象相适应的照明设计环境，能够烘托出城市的特色，从而增加城市空间的吸引力。将NB-IoT技术应用于照明系统，获得了良好的控制效果，降低了人力资源成本，降低了能耗，真正实现了智慧照明。此项目对城市的发展、改善居民的居住环境等，产生了积极的影响，体现了地域文化特色，为城市带来巨大的社会效益。项目还将试点智慧灯杆的建设，辅助市政管理，同时为智慧城市建设打下基础。