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1、 基于NB-IoT的智慧照明系统设计 王蓓 彭吉琼 邓国印摘 要：本文介绍了基于NB-IoT技术的智慧照明系统的架构组成，实现对单灯的远程控制，说明了传感器模块、通信模块、路灯控制模块、电力采集模块的实现方法。系统通过软件平台实现对照明设施的实时监测及节能管理，解决城市照明现存的不足和问题。通过单灯管理改变路灯落后的养护方式，降低运营维护成本，提升城市照明管理水平，促进城市照明节能减排。Key：NB-IoT;单灯控制;智慧照明系统;节能：TM923.5;TN929.5 ：A ：2096-4706（2019）19-0194-03Abstract：This paper introduces the
2、 architecture of intelligent lighting system based on NB-IoT technology，realizes the remote control of single lamp，and explains the implementation method of sensor module，communication module，street lamp control module and power acquisition module. The system solves the problems of urban lighting th
3、rough real-time monitoring of software platforms and energy-saving management of lighting facilities. Through the single-lamp management to change the out-dated maintenance mode of street lamps，the system can reduce costs of operation and maintenance，improve the level of urban lighting management，an
4、d promote energy saving and emission reduction of urban lighting.Keywords：NB-IoT;single control;intelligent lighting system;energy saving0 引 言在经济社会发展中，城市公共照明已不局限于道路功能照明，而是发展为表现城市景观、展示城市形象的标志。随着现代化城市照明设施规模与日俱增，用电量节节攀升，社会各方对公共照明的要求和期望也水涨船高。目前国内城市照明的现状是监控和管理相对简单、粗放，难以满足现代化城市照明的要求，城市照明在管理和节能方面的水平都亟待提高。1
5、 系统整体架构本智慧照明系统由云平台、监控中心、智能终端设备和NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）通信网络等部分组成。通过对城市照明的点、线、面实时监测、实时记录照明设施的状态信息及对能耗情况进行分析，制定控制策略，基于城市照明的運营情况进行节能管理。协助照明主管部门完善全市照明信息的统计，建立客观的节能评价体系，提升对城市照明情况指导的针对性和科学性。NB-IoT基于运营商蜂窝网络，通信稳定。在此网络架构下每个单灯控制器不需现场通信网关即可直接和监控中心通信，减少通信环节，使网络更简单、系统对单灯控制更灵活。系统整体架构如图1所示。2 硬件
6、设计2.1 传感器模块该模块主要包括光照度传感器和车流量传感器。光传感器实时检测所处环境光的数据，为照明策略提供数据，车流量传感器实现对道路车流量的统计，为整个道路的照明需求做判断依据。车流量传感器通过RS-485协议与主控制器通信。2.2 通信模块此模块实现路灯和监控中心的通信，采用NB-IoT单层网络结构，具有覆盖广、连接多、功耗低、成本低的优点。芯片采用全网通移远的BC25，支持TCP（传输控制协议）和UDP（用户数据包协议），足以胜任路灯所需无线网络通信功能。NB-IoT模块通过串口与主控芯片进行数据通信。2.3 路灯控制模块此模块实现路灯通断及亮度调节，包括负载通断控制、路灯驱动电路
7、、路灯亮度调节等。路灯控制电路图如图2所示。路灯的开关控制和亮度控制分别由两路电路完成，路灯的开关控制由继电器完成，亮度调节由PWM信号实现控制。2.4 电力采集模块该模块实现路灯实时电压、电流等各种功率采集及数据传输。图3为电力采集电路图。采用ATT7053AU（单相电力采集芯片），可直接通过串口读取到各种电力参数。3 软件设计3.1 环境监测模块调光器的主控芯片通过I2C（串行总线）和光照度传感器相连，可实时读取环境光照强度，其步骤为：SendData （）通过I2C向传感器发送命令然后设置其工作模式为H- resolution等，完成光照强度的转换后即可通过I2C读取环境光照强度数据。3
8、.2 通信模块模块的初始化包括加电、写入IMEI号、搜索基站、连接基站等。节点将采集的数据按通信协议进行编码发送给NB-IoT模块，然后封装成CoAP协议发送至平台，平台对收到的数据进行解析完成数据存储。通过数据查询接口服务器可获取平台的数据进行下一步操作。3.3 路灯控制模块该模块把路灯节点信息发送至服务器，再对收到的命令进行处理，若路灯处于离线状态或未入网，则按控制模块的RTC时钟决定路灯的开关和亮度以保证照明。其流程如图4所示。3.4 应用层软件3.4.1 照明设施资源管理照明设施资源管理是单灯管理乃至照明智能监控等应用的基础。通过对灯杆、控制柜、变压器等照明设施进行编码和定位，以GIS
9、为基础进行可视化动态管理，为设施的养护和维修提供依据，为照明能耗统计分析、城市照明监控和节能管理提供数据依据。照明设施资源管理具有以下功能：（1）电子地图基本功能。采用主流电子地图展示城市最新地貌、道路等信息。地图基础数据可更新，有利于照明设施资源的入库、管理和查询。（2）分层显示功能。对不同路灯设施采用分层方式以更好进行管理，按需要可将不同层（灯杆、基础地理信息、变压器等）进行叠加，满足不同层次的设施查看需求。（3）设施信息管理。能对路灯设施提供详细的档案管理，可直观显示控制箱的接线图、电气设备拓扑关系、控制箱的控制范围、单独回路的控制设施及相关信息。（4）照明设施定位及查询。能对照明设施进
10、行准确定位和查找，可按照所属区域、创建时间、设备类型对设施信息进行查询统计。3.4.2 照明智能监控系统完成照明设施运行控制、状态监测、数据分析，提供日常所需统计、查询、分析，对路灯进行智能化、集中化、自动化监控管理。（1）远程数据采集。通过RTU（远程终端单元）按设定时间自动获取照明设施的运行参数，可对控制箱总回路和分支回路的各电力参数进行遥测。也可随时手动完成巡测。（2）远程路灯控制。可根据城市所处经纬度计算不同季节的日照时间，得到全年开关灯时间数据，采用时控和光控结合方式自动对整个城市进行开关控制;也可手动控制每盏灯的开关。（3）远程抄表。远程监控终端自身具备电能计量功能，可通过采集监控
11、终端的电能数据计算各种参数。系统具有自动抄表机制，也可手动抄表。（4）控制方案：1）分组控制。按区域、路段分组。不同分组可编制不同控制方案。2）预案控制。为节假日提供预案管理可完成特殊亮灯要求，其他时间控制方案不受此影响。（5）故障报警。若设备状态异常（缺相、灭灯、控制箱门异常打开等）可永久保存并产生报警记录，报警信息可通过多种方式（短信、邮件）告知用户。3.4.3 单灯节能管理系统（1）单灯状态监测。对每一盏路灯的工作状态实时在线巡测，也可手动巡测。（2）单灯节能控制。依据时间、天气、车流等设定节能方案，实现关辅道灯、智能调光等节能控制。（3）单灯节能管理及亮灯率统计。根据采集的电力数据，可
12、精确统计指定区域的亮灯率。结合单灯节能控制方案综合计算，按日、月、年生成节能报表，分析城市照明节能情况。（4）单灯故障定位及管理。根据单灯运行情况分析汇总，生成单灯故障报表，可在电子地图上实现故障设施定位，可方便快速地确定地点，提高维护效率。（5）系统运行统计分析。采用报表模式对每天的运行情况进行汇总分析，包括系统运行总表和6张二级报表。3.4.4 移动监控针对城市照明管理移动办公的需要，设计开发智慧照明移动应用，系统支持智能手机或平板通过3G、4G、Wi-Fi等实现移动监控功能，为管理人员及维护人员提供最大工作便利。4 结 论本系统采用NB-IoT通信方式实现了对单灯的直接控制，提高了路灯维
13、护效率，延长了设施使用年限，降低了运营管理成本，为智慧城市的建设提供了良好的基础。在全夜灯模式下，开关灯控制平均节电率可达32%，智能调光平均节电率可达40%。实现良好的社会效益和经济价值。Reference：1 叶炜，吕伟，洪宽，等.基于NB-IoT技术的道路照明智能控制系统 J.照明工程学报，2017，28（5）：20-23+41.2 吴超华，李云飞，严建峰.基于NB-IoT的路灯控制系统设计 J.现代电子技术，2018，41（24）：5-9.3 邹玉龙，丁晓进，王全全.NB-IoT关键技术及应用前景 J.中兴通讯技术，2017，23（1）：43-46.4 袁峰，李引，吴鸿.面向智慧城市的物联网共享平台建设 J.城市观察，2016（6）：123-130. -全文完-
