基于NB-IoT技术的智慧道路照明系统优化

邓碧波，金 珠，王 俊

(1.同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092；2.上海麦索照明设计咨询有限公司，上海 201102)

引言

道路照明是城市的重要基础设施。在5G网络和“新基建”的推动下，道路照明成为多功能灯杆的基本功能，而智慧道路智能照明系统则成为智慧城市建设、运营及维护的重要载体。

从传统道路照明到智慧道路照明系统，其核心在于将道路照明连接起来。通过多功能路灯杆整合监控摄像头、微基站、媒体信息屏、充电桩、公共广播以及无线Wi-Fi、报警求助等硬件功能，并通过信息感知、数据通信传输、灯光控制和计算机处理等技术将采集的数据和信息传输到“智慧照明软件系统平台”，进而以之为管理后台实现大数据交互环境下的智能照明、智慧交通、安防监控、环境监测、信息发布、充电服务等功能，从而更有效地促进智慧城市的基础设施智能化、公共设施共享化、公共服务便捷化和城市管理精细化。

NB-IoT(Narrow Band Internet of Things，基于蜂窝的窄带物联网)由于高安全、广覆盖、低功耗、大连接、低成本以及稳定性强、部署灵活等优点，成为智慧道路照明连接协议的首选，可以构建更稳定、低耗能的路灯物联网，同时提高单灯控制的灵活性、可靠性和实时性[1]。自2017年开始，基于NB-IoT技术的智慧道路照明系统已在多个城市规模展开。2020年7月3GPP又批准NB-IoT成为5G eMTC标准，这无疑会进一步推进基于NB-IoT技术的智慧道路照明系统建设。

1 NB-IoT智慧道路照明的控制系统架构与功能要求

基于NB-IoT技术的智慧道路照明控制系统架构如图1所示，从上至下依次包括管理平台、网络通信系统(含NB-IoT网络和IoT平台)和单灯(含单灯控制器，以及基于GIS系统的可视化管理方式[2])，从而组成云、管、端协同发展的智慧照明系统。

图1 基于NB-IoT技术的道路照明控制系统架构Fig.1 Road lighting control system based on NB-IoT

管理平台通过NB-IoT网络通信系统与单灯控制器进行双向通信。基于NB-IoT技术的智慧道路照明系统道路照明智能控制系统以无线通信方式接入由运营商建设与维护的移动蜂窝网络，不再需要现场通信网关即可直接与监控中心通信，减少通信环节，使网络和系统对单灯的控制更灵活[3]。

因此，NB-IoT模组应符合YD/T 3337—2018《面向物联网的蜂窝窄带接入(NB-IoT)终端设备技术要求》的规定。可实现单灯控制、状态监测、参数设置、数据处理、系统管理等功能，以达到对道路照明单灯的全面监测、智能控制和精准管理，从而实现按需照明和节能减排的目标。

当然，基于NB-IoT技术的智慧道路照明系统在实际工程建设与应用中也出现了一些问题，如：管理系统的建设、NB-IoT通信与照明需求的匹配、智慧道路照明控制的安装和维护困难等。

2 NB-IoT智慧道路照明的管理系统建设及优化

传统的道路照明系统网络管理中心架构在路灯管理中心的机房内；而NB-IoT智慧道路照明系统则通过NB-IoT通信连接将单灯“终端”接入到运营商的“云端”管理平台，照明管理系统再从物联网管理平台获取数据。

相比传统的手动管理或光感控制等路灯控制方式难以实现远程与实时控制，基于NB-IoT技术的智慧道路照明控制可以在不同时段控制路灯使其呈现不同亮度，并且可以通过网络平台实现亮暗调节，还可随时查询历史操作数据，使路灯真正成为智慧城市的一部分[4]。

因此，不同于传统的自建本地管理系统，NB-IoT智慧道路照明的管理系统需要着重考虑管理系统架构在“云端”的需求与现状，在设计之初就应注意建设成本的总体拥有成本(TCO)和系统的安全性。

2.1 云计算的架构可降低总体成本

总体拥有成本指使用服务的总体成本，包括硬件设备与软件的购买成本和能源消耗、硬件维护升级、软件升级及技术支持等使用成本的总和。

1)云计算的服务供应商多是阿里、亚马逊、微软、华为、中国联通、中国移动等超大型企业，他们可以通过其规模效应提供较便宜和更优质的云计算服务和云储存服务，因此硬件设备及软件的采购成本更低；而且使用云计算还可以节约电力、空调及机房等成本；

2)云计算采用云上虚拟化和多种备份技术，可以有效降低宕机率、实现自动宕机迁移，并支持大规模并发，从而有效地降低系统运营和维护成本；

3)云计算可以实现计算与存储分离，从而通过灵活的虚拟化管理、弹性的技术资源分配以及集成弹性伸缩和限流降级的灵活缩容与扩容，实现任务调度和集群监控，从而有效地降低数据备份、系统扩容及数据迁移的成本。

综上，基于NB-IoT技术的智慧道路照明系统通过“云端”及“云计算”技术可以有效降低道路照明系统的总体拥有成本。

2.2 云计算的架构可提供更高的安全性

在基于NB-IoT技术智慧道路照明系统的数据传输过程中，我们首先对数据接入与传输的SSL链路进行加密，通过加密和安全机制保证计算过程中数据的物理安全；其次，针对存储在云端的数据制定不碰用户数据的“云服务”底线，并建立全方位的审计制度；同时，对存储在云端的数据采用TDE数据加密、云盘落盘加密等多种加密方式，并由用户自己掌握加密密钥；此外，使用白名单访问控制以有效防止非法访问；最后，采用多副本同步复制技术及日志同步技术确保云端数据的一致性，从而提供更可靠的云计算服务。

上述技术的运用，全方位地保障了NB-IoT智慧道路照明系统的安全性。

3 NB-IoT智慧道路照明通信系统的匹配与优化

由于多功能智慧灯杆需要接入照明控制、视频监控、环境监测、汽车充电等不同功能的组件及数据，具有典型的多样性特征[5]，因此通信系统、通信结构和通信方式的设计是智慧道路照明系统的关键。

目前，智慧道路照明系统中采用的通信协议有电力载波PLC、RF无线(如ZigBee)、GPRS/3G、NB-IoT以及LoRa等其他协议。

NB-IoT网络具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优[6]等优点；近年来政府和运营商也在大力推进NB-IoT网络的建设。因此，NB-IoT技术相比之下更适合道路照明控制系统，目前该技术在常州、苏州、鹰潭等地已有规模应用。

1)智慧道路照明的控制系统要求。在实际工程应用中，基于NB-IoT技术的智慧道路照明控制系统要求如表1所示。

2)NB-IoT控制系统业务模型。运营商提供的NB-IoT网络在道路照明控制系统中的业务模型如表2所示。

表1 智慧道路照明控制系统要求Table 1 Requirement of intelligent road lighting control system

表2 NB-IoT道路照明控制系统业务模型Table 2 Model of road lighting control system based on NB-IoT

由此可见，NB-IoT道路照明控制系统业务模型与智慧道路照明控制系统要求在功能及性能等方面还存在一些不匹配的现象。

3)对NB-IoT智慧道路照明通信系统的优化。以上所述两者的不匹配主要体现为路灯控制的组控与实时性等，因此NB-IoT智慧道路照明通信系统设计时应考虑连接、错峰、告警数据、心跳间隔以及软件更新等问题，如表3所示。

表3 NB-IoT道路控制系统NB-IoT通信的优化Table 3 Optimization of NB-IoT communication of NB-IoT road lighting control system

4 NB-IoT智慧道路照明系统的控制器安装优化

4.1 以可插拔的照明控制器取代内置式控制器

传统的单灯控制器大多安装于灯具内部。这种内置式的控制器多置于灯具内部的电源腔内，这种安装方式接线复杂且维修不便，而且金属制成的灯具会对无线信号造成很大的衰减与屏蔽。所以，这种安装往往需要舍弃无线传输的优势而采用基于电力线的传输。此外，也可以将控制器内置于灯杆检修孔位置的电气腔内，这种安装方式又会由于高度过低而受到地面树荫的遮挡或遭到人为的破坏。因此，内置式单灯控制器的通信性能常常受到一定的影响。

如果采用可插拔的接插头外壳单灯控制器，安装维修方便；而且塑料外壳的内置天线具有良好的无线信号穿透效果，可以避免延长馈线的信号衰减问题，从而更充分地发挥单灯控制器的通信性能。

4.2 外置式照明控制器的安装接口优化原则

1)数字化。物联网时代是数字化的时代，因此控制协议和通信协议都应支持数字化能力。

2)即插即用原则。为了降低安装、维护和调试成本，并提高设备更换维护的方便性，照明控制器的安装接口应满足即插即用的设计原则。

3)安全原则。IEC国际标准和国家标准都明确规定，直流插座和交流插座不能将直流插头插入交流插座、交流插头插入直流插座，不能将插头插入任何其他的插头插座系统的插座，不能将插头能插入其他电压额定值的插座。因此，插座插头接口的设计要求保证高度的可标识性，交流供电和直流供电的控制器接口应该从外观、尺寸和机械结构等方面进行严格区分，从而防止误插。

4)互联互通。不同设备之间的控制协议应该是开放，并制定标准化的照明控制协议，从而实现数据与设备的互联互通。

5)系统化。道路灯具和灯杆都安装了电源、控制器、传感器等设备，同时又需要控制器和智能电源以及传感器等设备实现数据的双向交换数字化，因此应控制协议的支持系统化能力，可以在系统内的多个设备进行双向通信。

表4 两种外置式可插拔照明控制器的比较Table 4 Comparison of the two kinds of lighting controller

4.3 道路照明控制器接口优化实例

在实际工程应用中，较常用的外置式可插拔道路照明控制器有NEMA接口连接模拟控制(0/1～10 V)智能电源和高压供电控制器以及Zhaga接口连接带辅助电源输出数字控制(DALI)智能电源和直流供电控制器等两种形式。

现阶段道路照明控制器多采用内置式的道路照明控制器，即通过连线或接线端子与模拟控制智能电源连接，但上述方式的安装与维修成本较高。因此，推荐采用表4所述的外置可插拔式的道路照明控制器；其中：交流供电的道路照明控制器安装接口推荐采用NEMA ANSI C136.41接口；直流供电的道路照明控制器安装接口推荐采用Zhaga book18接口。

5 结语

5G网络、物联网以及新基建积极地推进了基于NB-IoT技术的智慧道路照明系统的建设与应用。本文介绍了NB-IoT智慧道路照明系统的架构与支持的功能，并结合实际工程设计应用对其中的管理系统、通信系统及控制器安装优化等问题进行了探讨：基于总体使用成本和系统安全性的考虑，推荐设计使用架构在云端的道路照明管理系统；基于照明控制的实际需要，应对NB-IoT网络的通信系统进行优化，以满足智慧道路照明系统控制的实时性与并发性；基于安全性、系统性、便利性、开放性及数字化等控制器安装方式的优化需要，推荐设计使用可插拔的智能道路控制器。