基于NB—IoT的智慧路灯系统

阳波+陈开仁+李忠良

摘 要：为满足智慧城市对基础设施智能化的需求，基于NB-IoT无线通信技术的智慧路灯系统应运而生。文中对该系统的架构进行了详细阐述，并对实际案例应用进行了介绍。该系统可通过电信NB-IoT网络实现路灯遥控、遥测等功能，系统简单、功能强大，具有广阔的应用前景。

关键词：NB-IoT；智慧路灯系统；单灯控制；物联网

中图分类号：TP39；TN929.5 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）12-00-03

0 引 言

国家“十三五”规划明确提出建设 “以基础设施智能化、公共服务便利化、社会治理精细化为重点，充分运用现代信息技术和大数据”的“智慧城市”。而道路照明作为城市的基础公共设施之一，对于其如何实现智能化的运营管理是目前熱门的研究课题。采用基于窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技术的智慧路灯系统，可智能、合理地运营城市道路照明体系，通过对系统内每一盏路灯的管控、调光及监测，可有效节省运维成本，增加经济效益，提高城市道路照明的管理效率，满足智慧城市设施智能化、治理精细化的诉求。

1 NB-IoT智慧路灯系统的技术优势

传统的道路照明控制采用组控方式，即通过路灯配电箱内电路的通断来统一控制若干数量路灯的开关，不具备单灯控制功能，后台无法采集个体灯杆的状态信息，无法监管单灯是否出现故障，难以实现精细化管理。其主流的节能措施为时间控制和光照控制，即采用调节电压及半夜灯控制等手段，但效果十分有限。而本文所述的智慧路灯系统采用NB-IoT技术，不仅能对单灯进行远程开关控制，还能实现连续调光功能，在照明非高峰期时段调低灯光亮度，有效降低道路照明能耗。同时，通过采集路灯运行数据信息并进行智能分析，可实现远程故障分析定位，从而有效提高维护人员排查、清障的效率，大大节省了维护成本，实现了高效、可靠、节能的城市照明管理目标。此外，智慧路灯还可在关灯的情况下不断电，为智慧灯杆上其他需要供电的设备（微基站、摄像头、WiFi模块、环境监测模块等）提供支持。

NB-IoT智慧路灯系统提供的端到端安全管理方案，可有效保障数据的可靠性。电信运营商基于授权频谱组建的NB-IoT网络，其抗干扰能力、数据安全性、技术服务等方面均有高安全性保障，易于推广，为城市照明的数据整体安全提供可靠保障。广域低功耗NB-IoT技术具备广覆盖、大连接、高可靠等优势，可满足城市路灯部署范围广、杆体数量多、数据可靠性要求高的需求。同时，电信运营商提供的统一IoT平台，可解决不同终端厂商协议的兼容性问题，满足单灯控制器接入便捷性的要求，解决了互联互通互换的大规模连接问题。

2 基于NB-IoT技术的智慧路灯系统

基于NB-IoT技术的智慧路灯系统运用高安全、广覆盖、低功耗、大连接广域通信技术，实现了对路灯信息实时采集、设备状态监测、控制指令下发等远程操作。将采集的路灯运行数据和状态信息进行及时分析和处理，实现了科学性的动态管理，从而提升了路灯运营的管理效率和服务水平。

2.1 系统结构

基于NB-IoT技术的智慧路灯系统架构如图1所示，主要包含四层结构，即感知层、 传输层、平台层和应用层。

感知层是集成了NB-IoT模组的单灯控制器装置，用以控制每盏路灯的开、关以及采集路灯信息，并通过NB-IoT模组与无线网络通信。

传输层采用先进的NB-IoT广域通信技术，授权无线频谱资源以及电信级端到端的安全技术，以保障数据安全和接入安全。

平台层拥有丰富的协议适配能力，支持海量多样化终端设备接入，基于统一规约和接口，实现不同类型终端设备及不同应用平台的统一接入和管理，以确保互联互通。

应用层是在服务器上运行的路灯管理平台，管理员可以在PC终端通过Internet经身份验证后进行远程数据查询和控制，还可在手机端安装管理软件，实现随时随地的信息监测与管理操控。

2.2 单灯控制器

单灯控制器作为智慧路灯系统的终端节点，不仅可以采集与路灯运行相关的信息并发送给远端管理平台，还可以接收来自管理平台的各种操作指令，对单个路灯进行开关控制以及灯光亮度调节。标准的NB-IoT单灯控制器主要由各类传感器、功率检测模块、单片机微处理器、NB-IoT无线通信模组及驱动电源模块组成。单灯控制器使用集成的各类传感器测量路灯的温度和周边光照亮度，使用功率检测模块检测供电状况及路灯的工作功率，并将采集的数据由NB-IoT模组经运营商网络发送至路灯管理平台，由管理平台进行相应的操控。

2.3 NB-IoT网络

网络是整个物联网的通信基础，本系统基于电信运营商的NB-IoT网络，具有低速率、低功耗、低成本、广覆盖等特点，与其他LPWA技术相比，NB-IoT网络基于授权频谱组建，其抗干扰能力、数据安全性、技术服务等方面均有高安全性保障。

NB-IoT具备以下几大特点，可完美匹配城市路灯智能控制的需求：

（1）深度覆盖：通过提高功率谱密度和增加重传次数等技术手段，在相同频段下，NB-IoT比GPRS网络增益提高约20 dB，可提供更广更深的覆盖能力，满足大街小巷路灯的无缝覆盖。

（2）海量连接：NB-IoT使每个小区具备支撑5万个连接的能力，满足覆盖范围内所有路灯可靠接入的需求。

（3）低功耗：NB-IoT使用PSM和eDRX技术，通过简化无线协议、缩短收发时间等措施，降低终端功耗，符合城市照明节能的要求。

（4）NB-IoT低速率、低功耗、低带宽的特性带来了低成本优势，在模组规模商用化后可将成本控制在5美元/个以下。

2.4 IoT平台endprint

IoT平台拥有提供连接管理、设备管理、数据管理、能力开放等基础功能，支持多种物联网终端设备快速接入及各行业应用的快速集成，支持客户聚焦应用和业务创新，平台提供连接感知、连接诊断、连接控制等连接状态查询及管理功能。同时，IoT平台还可以屏蔽不同设备和连接协议的差异性，使用统一的标准和协议与应用层连接。平台可提供灵活高效的数据管理，包括数据采集、分类、结构化存储，数据调用、使用量分析，并提供分析性的业务定制报表。将业务进行模块化设计，实现业务逻辑的灵活编排，以满足行业应用的快速开发需求。

2.5 智慧路灯管理平台

智慧路灯管理平台通过NB-IoT网络及IoT平台与路灯的单灯控制器建立连接，发送命令实现单盏路灯的远程开关控制和状态、故障检测。智慧路灯管理平台可在电子地图上标示每盏路灯，并统计每盏路灯的开关状态、功耗等信息，同时建立运行日志数据库，永久保存数据。管理平台可对路灯出现的故障进行及时提示、告警，并提供打印维护订单等功能。管理平台可远程对单灯控制器进行软件更新升级。

3 应用案例

长沙市隆平高科技园为建设智慧园区，率先在雄天路路段采用智慧路灯系统进行道路照明的体制改造。本系统采用中国电信NB-IoT网络，在单灯控制器上集成上海移远BC-95 NB-IoT模组，其接收灵敏度为-129 dBm。基于800 MHz频段的电信NB-IoT网络，信号穿透力强，在覆盖方面具有较大优势，能满足城市路灯分布在各角落复杂环境下的覆盖需求。同时，电信级运营网络可保障数据的可靠性和安全性。经测试，试点路段电信LTE 800 MHz网络参考信号接收功率 （Reference Signal Receiving Power，RSRP） 在-80～-90dBm间，按照理论测算，该路段NB-IoT网络的RSRP值应大于-70dBm，信号覆盖完全满足NB-IoT模组的接收灵敏度要求。而在实际应用中，单灯控制器与管理平台连接稳定，也进一步验证了本路段NB-IoT网络的覆盖性能。试点路段电信LTE 800 MHz网络RSRP的测试结果如图2所示。

本系统基于路段的实际天气和环境状况，通过管理平台与单灯控制器内置的传感器及控制器进行联动以进行智能调节，在深夜车流稀少时调低路灯亮度、间隔开灯，在光照条件不好的阴雨天，根据亮度感知及时开灯。系统结合LED路灯，并组合使用照明策略，相比高压钠灯等传统路灯，可节能80%。系统管理平台以云服务为主架构，搭配可扩展性的软件应用，方便路灯管理者通过电脑、手机随时随地进行路灯操控和监测。同时，系统采用可视化管理和预测性维护，可有效降低运维成本。智慧路灯管理平台如图3所示。

基于NB-IoT的智慧路灯系统有效提高了雄天路的道路照明品质和公共照明管理水平，隆平高科技园区内其他主干道后续也将改造成智慧照明路，并将逐步建设成一个生活配套齐全、商务服务周到、园区综合管理高效的多层次智能化智慧园区。

4 结 语

基于NB-IoT技术的智慧路灯系统，结合电信运营商的NB-IoT网络、大数据、平台等服务功能，通过构建形式多样的管理平台，可实现路灯的单灯监控及故障管理，符合物联网智能、互联的需求。将NB-IoT技术应用于城市道路照明的智能化管理有助于提升城市及市政服务能力，是智慧城市的重要组成部分。未来，还将从智慧路灯系统拓展到环境监控系统、安全防灾监控系统、智能充电桩、智能信息告示牌等，从智慧路灯向智慧城市迈进，提升社会服务能力。

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