物联网技术在智能道路照明领域的应用与标准转化

高伟 李澄 阮军 张冬 余湛

摘 要：在智能道路照明领域，多种物联网通信技术并存，终端控制器的集成度和供电电源选择多样，机械结构和形式五花八门，在推广应用中成为难以规模化推广的瓶颈。文中选择由LED电源向终端控制器供电的DC方案，选择NB-IoT（窄带物联网）通信方式，对机械接口进行规范，形成标准化解决方案。该方案是实现产业链各环节生产厂商之间、终端控制器与中央管理系统之间互联互通互换和标准化的有效途径。

关键词：智能道路照明;物联网;终端控制器;NB-IoT;应用;标准化

中图分类号：TP17;TM923文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）11-00-03

0 引 言

通过对智能道路照明领域的调研，结果显示它目前是多种通信技术并存[1]（如PLC等有线通信方式，ZigBee、LoRa、GPRS、NB-IoT等无线通信方式）;终端控制器的集成度和供电电源的选择有多种方案;终端控制器的机械结构和形式更是五花八门。在推广应用中，终端控制器在机械接口、电气接口和通信（软件）接口上各不相同，对用户的方案确定、产品选择以及后期运营维护造成了很大困扰;对于生产厂商来说，市场推广成本高、大规模制造阻力大、难以规模化推广的关键瓶颈。

NB-IoT具有市场空间大、建网成本低、产业链广泛参与、安全性和可靠性高，以及在广覆盖、低功耗、大连接等方面的优势[2]，在智能道路照明领域的应用有着广阔的前景。

以半导体照明为代表的新兴技术处于快速发展阶段，技术日新月异，但产品尚未完全定型，给检测方法和评价标准等工作带来了巨大挑战。在8个半导体照明相关标准化技术委员会框架下的国家标准体系，制定程序复杂、过程较长，严重滞后产业需求。2017年，新标准化法发布，团体标准正式获得法律地位。该标准以“公开、透明、协商一致”为宗旨，建立产、学、研合作平台，组织产业内各领域共同参与，制定的团体标准具有制定周期短、应对市场反应快速、与知识产权结合相对灵活等特点，体现了技术先进性。2018年，由中国照明学会、国家半导体照明工程研发及产业联盟共同管理，华为参与制定的《基于窄带物联网（NB-IoT）的道路照明智能控制系统技术规范》团体标准正式发布[3]。

1 团体标准《智能道路照明终端控制器接口要求》[4]的优势

1.1 符合国家政策，产业链完整

NB-IoT作为物联网时代的关键技术得到国家政策支持，工信部在国家层面全面推进NB-IoT基础设施建设和应用推广。工信部2017年6月发布《关于全面推进移动物联网（NB-IoT）建设发展的通知》和《关于NB-IoT系统频率使用要求的公告》，明确要求“加快推进网络部署，构建NB-IoT网络基础设施”。

运营商和电信设备商在大力推进网络建设和硬件支持，2017年中国电信率先开始NB-IoT的布局。截至目前，中国移动已经实现全国346个主要城市城区NB-IoT连续覆盖;中国电信已经全网建设40万个NB-IoT基站;中国联通已经在全国数十个城市开通NB-IoT试用，全国已经有300多个城市具备快速接入物联网的能力。

芯片、模组、应用厂商不断投入布局，已形成良好的NB-IoT应用生态。以NB-IoT应用于智能道路照明为例，产业链主要由NB-IoT芯片、NB-IoT模组、终端控制器、LED电源、LED模块、灯具（灯体）、运营商网络、运营商物联网平台和中央管理系统等相关厂商组成。围绕NB-IoT应用生态，各环节都有厂家参与，如NB-IoT芯片有华为海思，NB-IoT模组有上海移远，终端控制器和中央管理系统有比弦、瓴泰、方大智控，LED电源有英飞特，灯具有华普永明，运营商有中国电信、中国移动、中国联通等。

1.2 系统整体成本低，实现了互联互通互换

符合本标准的智能道路照明终端控制器，及其配套使用的LED电源的综合成本比传统AC方案在产品成本方面节省约10%。这主要是因为实现了互联互通互换，用户单位在配件备件方面有了更多选择，维护也更加简单。

基于NB-IoT技術，通过对终端控制器、LED电源、运营商物联网平台和中央管理系统之间的机械接口、电气接口、通信（软件）接口进行标准化，实现了终端控制器、LED电源、灯体和中央管理系统之间的互联互通互换。

1.3 通信质量好、在线率高，数据安全可靠

NB-IoT信号强，在授权频谱内工作受外界干扰小、通信稳定，网络接入成功率可达99.9%;在线率高，通信网络由运营商维护，响应迅速、故障排除快;数据在授权频谱内传输，并存储在运营商物联网平台，安全水平与可靠性得到大幅提高。

1.4 智能管理、数据采集，节省电能、降低运维成本

可对单个路灯和成组路灯进行默认/计划/实时开关灯以及实时调光等智能管理，实时查询灯具状态，系统故障主动告警，远程定位故障;自动采集系统数据，为路灯全生命周期管理提供支撑;通过智能管理，可实现“二次节能”约15%～30%;可降低运行控制、人工巡检、故障定位等运维成本约50%。

2 标准主要技术方案

2.1 终端控制器供电方案

根据终端控制器集成度和供电电源的不同，可分为一体化方案（终端控制器与LED电源集成为一体，由电网供电）、AC方案（由电网供电给终端控制器）和DC方案（由LED电源供电给终端控制器）。终端控制器电气接口的三种方案示意如图1所示。

因终端控制器需要与控制系统平台配合使用，所以其生产厂家和销售企业多为互联网或物联网公司。这些公司对于终端控制器在户外使用所需的防雷击浪涌、防水、耐高低温等技术的积累较为薄弱，而户外大功率LED电源的技术和资金门槛很高，提供一体化方案的终端控制器厂家很少，因而AC方案和DC方案成为厂家的主流选择。

AC方案和DC方案由于技术路线不同，对于终端控制器来说，主要差异见表1所列。

2.2 基于NB-IoT的通信接口

中央管理系统通过运营商物联网平台和终端控制器，对道路照明灯具进行统一的连接管理和状态管理。基于NB-IoT的终端控制器通过物联网平台与中央管理系统进行通信，通信接口示意如图2所示。

由于各运营商所使用的物联网平台不同，本标准附录部分对不同运营商平台的接口分别做了定义。

终端控制器与运营商物联网平台之间的接口中，NB-IoT模组与运营商物联网平台之间的通信协议为通用物联网设备接入协议，而传输的消息由设备自身属性决定，本标准仅定义与终端控制器有关的消息接口。

2.3 机械接口规范

机械接口包括终端控制器与灯体的接口、数字LED电源与灯体的接口。

终端控制器与灯体之间通过底座进行安装固定，数字LED电源与灯体之间通过螺丝或其他方式进行安装固定，要求连接牢固、可靠。安装示例如图3所示。

本标准规定的终端控制器与灯体之间的机械接口设计参考了ANSI C136.10-1979第2章机械要求中的技术方案。

2.4 电气接口

终端控制器可通过灯体底座的电子连接器与数字LED电源控制端的电子连接器进行电气连接，或与数字LED电源控制端直接连接。电气连接如图4所示。

3 主要试验（或验证）的情况分析

依据标准文本对终端控制器、灯体、LED电源、中央管理系统和运营商物联网平台进行了互联互通互换，以及电气参数和机械尺寸等测试，试验结果证明该标准具有可操作性，验证了标准的先进性和基于本标准研发产品的可行性，制定的各项指标要求合理。

4 结 语

NB-IoT的应用越来越广泛[5-9]，在智能道路照明领域的应用引起关注。在充分调研，集合行业内龙头企业开展共性关键技术攻关的基础上，本方案选择NB-IoT通信方式[10];选择具有由LED电源向终端控制器供电的DC方案作为标准化技术解决方案;通过规范终端控制器的机械接口、电气接口和通信（软件）接口，实现产业链各环节生产厂商之间、终端控制器与中央管理系统之间的互联互通互换;满足用户单位对智能管理、数据安全、高可靠性、低成本和易维护的需求;推动产业化水平提升，为企业、用户和质量监督检验单位提供技术依据。

参考文献

[1]杨佳卉，黄浩，胡永明，等.基于NB-IoT的LED照明灯远程监控系统设计与实现[J].物联网技术，2018，8（6）：47-49.

[2]姚伟，李绍峰，吴燕.NB-IoT通信技术在智慧照明的应用[J].电子世界，2018，40（13）：170.

[3] 国家半导体照明工程研发及产业联盟，中国照明学会.基于窄带物联网（NB-IoT）的道路照明智能控制系统技术规范：T/CSA 052-2018/CIES 075-2017 [S].北京，2018.

[4] 国家半导体照明工程研发及产业联盟. 智能道路照明终端控制器接口要求：T/CSA 051-2019 [S].北京，2019.

[5]张红，郑炜陵，尹椿荣，等.窄带物联网技术在机场智慧场区建设中的应用[J].物联网技术，2020，10（10）：95-98.

[6]蔡航宇，王天凯，江朝晖. 基于NB-IoT的农林监测系统[J].物联网技术，2020，10（7）：6-9.

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[8]張财贵，罗林禄，余辉，等. 基于窄带物联网与机器学习的智慧光伏运维系统[J].物联网技术，2020，10（3）：8-10.

[9]秦钰林，周若麟，张珂欣，等. 基于NB-IoT窄带通信和多传感器组网技术的森林火灾监测预警系统[J].物联网技术，2020，10（6）：14-16.

[10]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.