基于NB?IoT的路灯控制系统设计

吴超华 李云飞 严建峰

关键词： NB?IoT; 一跳蜂窝网络; 城市照明; 单控; 路灯控制系统; 节能

中图分类号： TN345?34; TP393                 文献标识码： A                    文章编号： 1004?373X（2018）24?0005?05

Design of streetlight control system based on NB?IoT

WU Chaohua， LI Yunfei， YAN Jianfeng

（School of Computer Science and Technology， Soochow University， Suzhou 215006， China）

Abstract： A streetlight control system based on the NB?IoT technology is designed to achieve the purpose of intelligent streetlights and energy saving of urban lighting. In the system， the NB?IoT technology is used to realize the single control mode of streetlights based on the one?hop cellular network， so as to resolve the problems of inability to control a single streetlight， inability to control in time， and proneness to interference of the past communication technologies. Measurement of parameters like streetlight voltage， current， power， ambient light intensity and road traffic flow is completed. The real?time monitoring and control of the single streetlight can be realized by using the streetlight management software. The test results show that the system has a high stability and obvious energy?saving effect.

Keywords： NB?IoT; one?hop cellular network; urban lighting; single control; streetlight control system; energy saving

目前路灯行业存在能源费用高和运维费用高两大痛点，且中国路灯总体数量巨大[1?2]，在路灯照明上还有较大的节能空间。在初期阶段，城市照明方式多以人工控制和时间控制为主，存在管理难度大、安全系数低、工作量大、无信息反馈等缺点。后发展出三遥系统，具有自动化程度高、应变能力强、设施检测等优点，但是定位精度不高，故障判断能力低。近些年，发展出了基于电力载波通信（Power Liner Carrier Communication，PLC），ZigBee等通信技術的“单灯控制系统”，实现了集中、远程、智能控制与管理，但是通信干扰较大，延迟较长，且易受天气影响，对中继网关的维护和施工成本较大。

在研究和分析已知路灯照明系统的基础上，设计并实现了基于NB?IoT[3]的路灯控制系统，包括照明终端节点的软硬件设计，系统组网设计和上位机端软件设计。通过将LED[4]路灯作为光源，加上智能化的路灯控制方式，达到节能的目的。

1  系统总体方案设计

系统总体设计如图1所示。系统通过NB?IoT网络实现数据和命令的远程传输，达到对路灯的实时远程监控。系统采用的NB?IoT网络是单跳蜂窝网络，路灯节点直接与服务器通信;远程监控中心可以直接与单个路灯进行通信，实现真正的单灯控制。

系统可实现两种控制方式：人工控制、智能控制。其中人工控制分为人工现场控制和人工远程控制：前者适用于突发状况;后者则是通过监控平台对路灯进行远程控制。智能控制则是根据道路的真实照明需求，包括道路的车流量和环境光亮度等，进行智能照明。

2  硬件设计

硬件划分为三个模块：

1） 传感器模块。用于检测LED路灯的电压、电流、环境光强度和车流量大小。

2） 无线通信模块。用于路灯和服务器之间的通信。

3） 控制模块。用于路灯的开关和路灯的亮度调节。

2.1  无线通信设计

采用NB?IoT单层网络结构，路灯直接与服务器进行通信。NB?IoT与PLC、ZigBee、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）等短距离无线通信技术相比，具有广覆盖、低功耗、大连接和低成本四个优势。由于NB?IoT是基于长期演进（Long Term Evolution，LTE）的一个演进模式，可直接在现有运营商的基站上进行平滑升级，搭建NB?IoT网络，节省了大量的人力物力，同时也降低了NB?IoT的成本。

2.1.1  通信芯片的选型及最小电路设计

通信芯片采用的是华为海思Boudica 120，支持3GPP Release 13标准协议;相比较于GPRS，有20 dB的信号强度增益，具有更广的覆盖;Boudica 120支持IP/UDP/CoAP三种协议。Boudica 120具有较高的集成度，内部集成了三个ARM内核，有着较强的处理能力，能够很好地完成无线网络的通信功能。采用极低功耗设计，能够很好地满足低功耗的设计需求。NB?IoT模组最小电路图如图2所示。

2.1.2  NB?IoT核心网组网方案设计

针对NB?IoT的海量设备接入、低速率小数据分组、超低功耗、广覆盖等业务特性，若采用现有演进分组核心（Evolved Packet Core，EPC）核心网将存在控制面效率低下、EPC大量功能冗余、不利于终端节电、不支持non?IP 数据类型等问题。为解决上述问题，3GPP针对NB?IoT核心网进行优化，优化后的EPC核心网架构如图3所示。

NB?IoT 核心网[4]采用简化网络架构，将原EPC的MME，SGW，PGW中NB?IoT所需的功能单独优化出来组成一个新的网元，EPC原有的S11，S5/S8等接口全部变成网元内部交互，且可以复用已经产生的网络附属存储（Network Attached Storage，NAS）设置安全连接，使得整体效率得到提升。

通过改造部分现网EPC核心网支持NB?IoT业务接入，负责全市的NB?IoT业务接入，以此实现对NB?IoT核心网的建设。这种建设方案的改造规模小，对现网业务影响范围小，能够缩短项目开发时间和成本。

2.2  路灯控制器设计

路灯控制器包括LED的驱动，灯光强度调节，路灯负载的开关控制，路灯的电压、功率采集，无线数据传输等;需满足路灯的信息采集，数据的传输，路灯的状态控制。

系统将NB?IoT无线通信模块置于路灯控制器之内，使得路灯节点通过NB?IoT模块直接与服务器进行通信，可以直接获取服务器的控制命令，便于实现对LED路灯的实时远程控制。使用电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）滤波电路[5]去除电网上的谐波，抑制浪涌的侵入，保证控制电路的正常工作。全桥式整流电路将220 V三相交流电转换成脉动的直流电，后经滤波电容和电感，输出直流电压。然后经过有源功率因数校正（Active Power Factor Correction，APFC）电路提高电源的功率。

路灯负载的开关控制通过继电器实现，选用双稳态继电器JE7，能够减少控制板维持继电器常开或者常关的能耗。LED的驱动方式使用恒流驱动，选用HV9910B芯片，能够避免LED正向电压的改变而引起的电流变动，通过脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）模块和NB?IoT模块，实现远程对路灯的灯光调节。路灯的电流电压采集通过计量芯片RN8302实现，使用4只精密电流互感器转换电流信号，对于不同種类的路灯规格采用不同电流变换比例的电流互感器。采用3只微型电压互感器来隔离交流电压，电源相电压经过电阻限流后，经过微型电压互感器将电压信号转换成电流信号，并加入电压钳位电路进行超高压保护控制器不被电网的脉冲电压等因素损坏。

使用光敏电阻实现对环境光强度采集，光敏电阻选用LXD3537，通过A/D口对光敏电阻两端电压进行采集，然后根据其伏安特性得出光照强度。

2.3  车流量检测硬件设计

选择热释电红外传感器P2288实现对道路车流量的检测[6]。由于P2288本身无法满足一个条状探测范围的要求，需在传感器前面加装菲涅尔透镜，达到聚焦和限定测量范围的作用，使得P2288的检测范围达到10 m以上。由于传感器的输出信号比较微弱且杂波较多，需经过由滤波整形、两级放大、电压比较等部分组成的信号检测放大电路进行滤波放大。两级放大电路采用LM324集成运算放大芯片，可将传感器的输出信号放大100～150倍，放大后的信号进入电压比较器并经窗口比较器处理，最后进入单片机进行波形的分析和计数，实现对车流量的统计。

3  软件设计

3.1  无线通信设计

NB?IoT网络[7]由NB?IoT终端、NB?IoT基站、NB?IoT分组核心网、物联网（Internet of Things，IoT）联接管理平台和服务器组成。通信模块主要解决路灯节点和服务器之间的通信问题，由主控芯片Boudica 120实现路灯节点的通信和控制。路灯控制系统的通信流程如图4所示。

NB?IoT模块初始化也即其联网过程，包括模块上电、写IMEI号、基站搜索、基站连接等。路灯节点采集到数据之后按照自定义编码规则进行编码，然后以AT命令的形式将数据发送至NB?IoT模块;而后NB?IoT将数据封装成CoAP协议包发送至IoT平台;IoT平台收到数据后，进行CoAP协议包的解析，数据的存储;服务器通过北向数据查询接口获取平台上的数据。

3.2  车流量检测系统设计

红外热释电传感器[8]以数字量的方式输出脉冲串，经过一系列的整形放大之后送至单片机;不同种类的车辆经过道路时所产生的脉冲串不尽相同，经道路实地测试，记录不同车型车速所产生的脉冲规律，通过对数据分析得知不同车型对应的脉冲规律。为避免干扰信号的影响，通过提高道路监测灵敏度，使得每辆车经过传感器探头时产生至少两个脉冲输出数，用以区分干扰和实际车辆信号。

3.3  路灯控制模块软件设计

路灯控制模块[9]用于路灯的开关控制、亮度调节、道路环境光强度采集。软件设计主要包括NB?IoT模块联网，对指令的处理和自启动工作设计。路灯节点的程序流程图如图5所示，路灯节点上电后进行连网处理，入网后将本节点信息发送至服务器，节点在接收到服务器的指令后进行相应处理;节点在未能入网或掉网的情况下，会根据路灯控制模块内部的实时时钟进行开关灯处理，保證路灯的正常使用，同时服务器进行报警处理，方便及时进行维修处理。

3.4  节能方案设计

按照当地日出日落时刻确定开灯时刻 To和关灯时刻 Tc，表1给出不同区域、不同时间段的初始照度值，因版面有限，只列举三个区域。在亮灯期间，根据路段的实时车流量，在设定的初始照度值基础上进行路灯亮度的调节;因路灯的奇数开或偶数开（隔盏开）会影响司机的视觉，增大交通事故的发生率，故本系统不采用此方式作为节能方案，而是通过合理降低路灯的照度值来达到节能的目的。在路灯未能入网或掉网的情况下会根据环境光亮度进行路灯的开关，并根据车流量做调光处理。

3.5  应用层管理软件设计

使用Java语言在IntelliJ IDEA平台下编写应用层管理软件。该软件包括4个模块。

3.5.1  设施管理模块

设施管理是城市照明管理最为基础的一项内容，照明设施信息的不齐全或不准确都会给整个管理工作造成混乱。该模块对路灯基本信息进行录入及查看。路灯的基本信息包括光源的类型、功率，灯杆的杆高和杆距等规格信息以及每种规格的路灯的数量;同时还包括路灯的名称、编号和经纬度信息等。

3.5.2  位置管理模块

位置管理模块是对设施管理的进一步深化，以管辖区域内不同道路为单位，统计每条道路上所布置的路灯的基本信息，并借助地理信息系统[10]（Geographic Information System，GIS）划分和记录每一杆路灯的编号和相对应的精确坐标信息，也可实现对单灯的直接控制，其界面如图6所示。

3.5.3  运行管理模块

通过对道路车流量以及路灯的电压、电流、功率等信息采集，实现对每盏路灯工作状态的实时监控，能够及时发现故障，提高路灯维护工作的及时性和准确性。

该模块可实现对路灯的手动控制和智能控制，手动既可实现对单个路灯的开关或调光，也可实现单个区域的整体开关和调光。智能控制则是从节省能源的角度出发，对不同区域、不同时间、不同车流量制定节能控制方案，进行精确的灯光亮度控制，以达到节能的目的。

3.5.4  能耗管理模块

通过对路灯的精确开关控制及合理照度调节，在保证城市道路照明功能和品质的基础上，实现最低的能源消耗[11]。能耗管理界面如图7所示。通过对能耗的分析对比，确定运维管理单位的实际管理情况，为运维管理单位提供数据支撑。

4  系统测试

应用层管理软件以网页形式访问，软件内嵌百度地图，能够实时展示路灯节点的位置及状态信息，同时也可直接对路灯进行开关和调光控制。

在实际道路安装NB?IoT路灯节点，利用电信的基站进行组网，每个路灯节点直接与服务器通信，保证了信号传输的安全性和稳定性。在管理软件添加完路灯的基本信息之后，可通过GIS实时地显示每个路灯节点的地理位置和运行状态，并可以直接对单个路灯节点进行开关和调光处理。

经实际运行，每个NB?IoT路灯节点都能够迅速组网并返回节点信息，在收到处理命令后能够及时的处理，并且能够及时地反馈报警信息，各个区域、时间段的路灯工作均正常，系统在长时间的运行后工作正常。通过近10个月的运行数据分析得知，本系统能够达到30%左右的节能率。

5  结  论

本文以NB?IoT作为通信手段，能够实现真正意义上的单灯控制，提高开、关灯的可靠性、及时性和可检查性，为以后智慧城市的建设打好基础;根据道路照度信息和车流量信息对路灯进行开关和调光，不仅能够节能，还可延长照明设施的使用寿命。单灯控制还可监测每个路灯的状态，能够及时发现路灯故障、断路等问题，方便管理，提高了维护、维修的针对性和工作效率。经实际测试，应用层管理软件功能完整，运行稳定。

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