基于NB-IoT的城市路灯智能照明系统设计

王灿田，陈育中，殷芃坤

（江苏联合职业技术学院南京分院，江苏 南京 210000）

0 引 言

路灯作为城市照明中必不可少的公共基础设施，与人们的日常生活和城市交通安全有着密不可分的联系，路灯控制和管理水平的高低则是检验一个城市现代文明的标志。在“互联网+”的时代背景下，城市道路的智能照明是物联网发展的必然趋势。为了确保城市照明系统的稳定运行和科学管控，实现城市亮化和节能环保管理，处理好城市居民与城市景观形象之间的协调关系，如何实现城市化照明系统的管理，已经成为当前城市管理者主要解决的问题。

现今大多数城市仍在采用传统路灯系统[1-3]，对区域内的所有路灯进行统一管理，定时开关。但是目前的照明系统存在一些问题，例如：路灯数量的不断增加导致维护成本、社会成本的上升问题；夜间车辆行人稀少时，路灯仍然全部运行的能源浪费问题；没有多功能的后台管理系统，路灯也无法采集周边环境的有用数据，出现故障需要人工排查，不能及时被照明控制中心发现的问题。为解决传统路灯系统的缺陷，本文设计一种城市路灯智能照明系统，将NB-IoT技术与TCP/IP技术相结合，添加实际功能模块实现环境监测、远程控制等功能，从而能有效地监测路灯的运行状态，并实时分析路灯状态进行相应控制和维护。系统通过若干个光照度传感器实时监测光照度，并结合气象部门发布的每日日出日落时间智能决策进行无线照明控制，从而解决上述问题。

1 系统设计需求

该系统将城市中某一片区的照明灯全部连接起来，由PC端应用程序统一进行控制。PC端应用程序有自动控制和手动控制两种工作方式。当自动控制模式开启时，路灯会自动根据当前的实际光照值和当日日出日落时间指挥决策，自动进行路灯开关的控制；当手动控制模式开启时，管理员可以一键开关街道上所有的照明设施，也可以进行个别控制。

当下无线通信方式主要有以下5种：WiFi、蓝牙、LoRa、ZigBee和NB-IoT。WiFi成本较高，对于路灯控制这样简单的场景而言有些浪费；蓝牙通信距离太短，难以实现全城市的覆盖；ZigBee可实现自动组网功能，且传输时延较短，但是其多条转发信号衰减较大，信号传输可靠性受气象影响较大；LoRa传输距离可达十几公里，功耗也更小，但需要自建基站，且基站部署位置要求较高。对比上述，从通信可靠性来说，NB-IoT无衰传输距离一般都可以达到10 km以上，且网络可容纳节点数量可达20万；从建设难度来说，NB-IoT直接与移动运营商搭建的现有蜂窝网络连接，无需自行搭建基站，非常适合城市内设施使用；从建设成本来说，NB-IoT模块每块成本为5～10美元，待机情况下功耗仅5 μA，电池理论上可提供长达10年的续航。虽然其通信时延为6～10 s，但对路灯控制而言影响不大。综上所述，本系统选择使用NB-IoT进行通信[4-7]。

2 系统框架设计

该系统硬件部分主要由路灯节点组成，软件部分主要由应用云平台和应用客户端组成。该系统与PC端后台管理系统相结合，以NB-IoT为核心，由路灯终端节点和云平台组成，如图1所示。

图1 系统总体架构

选择NB-IoT技术与TCP/IP技术相结合作为系统的通信方式，添加实际功能模块实现环境监测、远程控制等功能，从而实现管理方便、节约电能能源的目的。

3 系统硬件构成

该控制系统的主要硬件包含NB-IoT模块、继电器模块和光照度传感器，还可选择性安装其他各类的辅助性传感器。硬件架构示意图如图2所示。

图2 硬件架构示意图

3.1 NB-IoT模块

本系统在实验阶段所使用的NB-IoT模块搭载Lierda NB05-01芯片，通过中国电信物联网卡接入中国电信云平台“天翼云”。NB-IoT芯片与硬件连线图如图3所示。

图3 NB-IoT芯片与硬件连线图

3.2 继电器模块

继电器模块通过引脚安装在NB-IoT模块上，由NB-IoT模块中的程序控制继电器状态，以实现对用电设备的远程控制。每路控制器称为“联”，即根据继电器模块可控制的路的数量可确定继电器的联数，如可以分别控制两个设备的继电器称为双联继电器。为了增加使用效率，采用单联继电器和双联继电器混合设计，在光照需求较大处或照明设备相对密集处使用双联继电器减少需要的NB-IoT模块的数量。

3.3 光照度传感器模块

该系统选用的光照度传感器以深圳龙信达科技有限公司LXD_GB5_A1E光敏传感器为核心，按照图4所示连接到NB-IoT模块上。

图4 光照度传感器模块电路连接图

3.4 其他各类辅助性传感器

为了更全面、更精确、更智能地获知街道的实际照明需求，系统还可兼容各种市政辅助类传感器，例如噪声传感器、温湿度传感器、紫外线传感器等。只需修改NB-IoT模块上的部分代码即可为本系统进行扩展，也可以为其他市政工程或气象预测提供帮助，为系统提供了较高的可扩展性，方便视实际需求改造升级。

4 系统搭建与开发

4.1 硬件安装与布置

本系统的目的是对街道照明设备的智能控制，因此在每个照明设备处都需要设置继电器模块，而每个继电器模块都需要连接在NB-IoT模块上以进行组网。因此，在每个路面照明点都需要安装如图5所示的NB-IoT无线控制照明组合。

图5 NB-IoT模块与灯控制示意图

当某一节点通信不畅或故障时，运营商云平台将会自动锁定发生故障的节点并推送给应用云平台，应用云平台立即下发维修任务给专门人员。整套系统均采用运营商网络无线连接，网络和中继设备的维护工作将由运营商的专业人员进行，降低了本系统出现通信故障的概率。

4.2 系统软件建设

4.2.1 PC端总控软件

该系统PC端总控软件使用Microsoft Visual Studio开发，选用C#语言编写。软件主界面如图6所示。

图6 总控软件界面

4.2.2 维保人员移动端

维保人员移动端应用于通知维保人员对照明设施进行维护或抢修，客户端界面如图7所示。

图7 维护人员手机客户端界面

4.2.3 应用云平台

应用云平台作为运营商云平台和各种客户端之间的桥梁。为保障数据传输安全，云平台与外界采用HTTPS连接。

云平台主要有如下几个功能：

（1）指令下发功能

当云平台接收到来自控制中心的指令时，解码指令信息并验证和记录操作者，将对应的命令发送到指定设备或指定设备组当中。

（2）整合记录功能

接收各NB-IoT节点发送到云平台的数据，包括环境信息、报警信息、维修记录等，并将其保存在数据库中。所有信息实时推送到PC总控程序当中。

（3）任务分发功能

路灯设备报障后，系统自动将维修任务推送到负责该区域的维修小组的手机应用上，并对维保任务完成情况进行追踪和督促。

（4）智能决策功能

云平台能通过第三方API获取每日的天气、日出日落时间等情况，通过部分路灯上另设的传感器获取分区实际光照情况，进行综合性分析，按照分析结果对各道路上的照明设备分别指定其开关状态，在确保满足市民光照需求的情况下最大程度地减少电力消耗。

（5）API拓展功能

云平台预留市民报障的API，以方便维修人员及时发现和解决路灯故障。市民可通过城市已有的市民服务客户端（如南京市的“我的南京”APP等）快捷地通过此API向系统上报设备故障信息，大大减少故障设备在被巡检员发现前所消耗的时间。

4.2.4 终端控制程序

终端控制程序烧写在NB-IoT模块上，使NB-IoT模块完成入网和控制路灯继电器的功能。NB-IoT上加装传感器时，只需要增加传感器相关代码即可完成扩展。NB-IoT入网流程如图8所示。

图8 NB-IoT入网流程

5 系统测试

本文使用2个NB-IoT模块、2个灯泡和1个光照度传感器对所提系统进行测试。总控中心程序节点连接如图9所示。手机端维保信息如图10所示。

图9 总控中心程序节点连接

图10 手机端维保信息

经过实验测试，该系统性能可靠，报障迅速，分配准确，且能够充分利用城市已有基础设施，节约建设成本，提高道路照明的智能化。

6 结 语

本文提出一种基于NB-IoT的城市路灯智能照明系统，尤其适合现有非智能化路灯系统的改造升级。该系统能充分利用城市已有设施，非智能化路灯改造为本文提出的智能路灯系统时无需挖开地面布管设线，也不需要另外建设基站等通信设备，投入回报比高。另外，该系统架构合理，功能完备，能够大大提高当前城市道路路面照明系统的智能化程度，满足智慧城市一体化管理需求，且易于维护和升级，具有一定的应用价值。