基于NB-IoT的智慧路燈系統(tǒng)

0 引 言

國家“十三五”規(guī)劃明確提出建設(shè)“以基礎(chǔ)設(shè)施智能化、 公共服務(wù)便利化、社會治理精細(xì)化為重點(diǎn)，充分運(yùn)用現(xiàn)代信息 技術(shù)和大數(shù)據(jù)”的“智慧城市”。而道路照明作為城市的基礎(chǔ) 公共設(shè)施之一，對于其如何實(shí)現(xiàn)智能化的運(yùn)營管理是目前熱門 的研究課題。采用基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技術(shù)的智慧路燈系統(tǒng)，可智能、合理地運(yùn) 營城市道路照明體系，通過對系統(tǒng)內(nèi)每一盞路燈的管控、調(diào) 光及監(jiān)測，可有效節(jié)省運(yùn)維成本，增加經(jīng)濟(jì)效益，提高城市 道路照明的管理效率，滿足智慧城市設(shè)施智能化、治理精細(xì) 化的訴求。

1 NB-IoT 智慧路燈系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢

傳統(tǒng)的道路照明控制采用組控方式，即通過路燈配電箱 內(nèi)電路的通斷來統(tǒng)一控制若干數(shù)量路燈的開關(guān)，不具備單燈 控制功能，后臺無法采集個體燈桿的狀態(tài)信息，無法監(jiān)管單燈 是否出現(xiàn)故障，難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。其主流的節(jié)能措施為 時間控制和光照控制，即采用調(diào)節(jié)電壓及半夜燈控制等手段， 但效果十分有限。而本文所述的智慧路燈系統(tǒng)采用 NB-IoT 技 術(shù)，不僅能對單燈進(jìn)行遠(yuǎn)程開關(guān)控制，還能實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)光功能， 在照明非高峰期時段調(diào)低燈光亮度，有效降低道路照明能耗。 同時，通過采集路燈運(yùn)行數(shù)據(jù)信息并進(jìn)行智能分析，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn) 程故障分析定位，從而有效提高維護(hù)人員排查、清障的效率， 大大節(jié)省了維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)了高效、可靠、節(jié)能的城市照明管 理目標(biāo)。此外，智慧路燈還可在關(guān)燈的情況下不斷電，為智 慧燈桿上其他需要供電的設(shè)備（微基站、攝像頭、WiFi 模塊、 環(huán)境監(jiān)測模塊等）提供支持。

NB-IoT 智慧路燈系統(tǒng)提供的端到端安全管理方案，可 有效保障數(shù)據(jù)的可靠性。電信運(yùn)營商基于授權(quán)頻譜組建的 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)，其抗干擾能力、數(shù)據(jù)安全性、技術(shù)服務(wù)等方面 均有高安全性保障，易于推廣，為城市照明的數(shù)據(jù)整體安全提 供可靠保障。廣域低功耗 NB-IoT 技術(shù)具備廣覆蓋、大連接、 高可靠等優(yōu)勢，可滿足城市路燈部署范圍廣、桿體數(shù)量多、數(shù) 據(jù)可靠性要求高的需求。同時，電信運(yùn)營商提供的統(tǒng)一 IoT 平 臺，可解決不同終端廠商協(xié)議的兼容性問題，滿足單燈控制器 接入便捷性的要求，解決了互聯(lián)互通互換的大規(guī)模連接問題。

2 基于 NB-IoT 技術(shù)的智慧路燈系統(tǒng)

基于 NB-IoT 技術(shù)的智慧路燈系統(tǒng)運(yùn)用高安全、廣覆蓋、 低功耗、大連接廣域通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對路燈信息實(shí)時采集、 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、控制指令下發(fā)等遠(yuǎn)程操作。將采集的路燈運(yùn)行 數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息進(jìn)行及時分析和處理，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)性的動態(tài) 管理，從而提升了路燈運(yùn)營的管理效率和服務(wù)水平。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于 NB-IoT 技術(shù)的智慧路燈系統(tǒng)架構(gòu)如圖 1 所示，主 要包含四層結(jié)構(gòu)，即感知層、傳輸層、平臺層和應(yīng)用層。

感知層是集成了 NB-IoT 模組的單燈控制器裝置，用以 控制每盞路燈的開、關(guān)以及采集路燈信息，并通過 NB-IoT 模 組與無線網(wǎng)絡(luò)通信。

傳輸層采用先進(jìn)的 NB-IoT 廣域通信技術(shù)，授權(quán)無線頻 譜資源以及電信級端到端的安全技術(shù)，以保障數(shù)據(jù)安全和接 入安全。

平臺層擁有豐富的協(xié)議適配能力，支持海量多樣化終端 設(shè)備接入，基于統(tǒng)一規(guī)約和接口，實(shí)現(xiàn)不同類型終端設(shè)備及不 同應(yīng)用平臺的統(tǒng)一接入和管理，以確保互聯(lián)互通。

應(yīng)用層是在服務(wù)器上運(yùn)行的路燈管理平臺，管理員可以 在 PC 終端通過 Internet 經(jīng)身份驗(yàn)證后進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢和控 制，還可在手機(jī)端安裝管理軟件，實(shí)現(xiàn)隨時隨地的信息監(jiān)測 與管理操控。

2.2 單燈控制器

單燈控制器作為智慧路燈系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)，不僅可以采 集與路燈運(yùn)行相關(guān)的信息并發(fā)送給遠(yuǎn)端管理平臺，還可以接 收來自管理平臺的各種操作指令，對單個路燈進(jìn)行開關(guān)控制以 及燈光亮度調(diào)節(jié)。標(biāo)準(zhǔn)的 NB-IoT 單燈控制器主要由各類傳感 器、功率檢測模塊、單片機(jī)微處理器、NB-IoT 無線通信模組 及驅(qū)動電源模塊組成。單燈控制器使用集成的各類傳感器測 量路燈的溫度和周邊光照亮度，使用功率檢測模塊檢測供電 狀況及路燈的工作功率，并將采集的數(shù)據(jù)由 NB-IoT 模組經(jīng)運(yùn) 營商網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至路燈管理平臺，由管理平臺進(jìn)行相應(yīng)的操控。

2.3 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)是整個物聯(lián)網(wǎng)的通信基礎(chǔ)，本系統(tǒng)基于電信運(yùn)營商 的 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)，具有低速率、低功耗、低成本、廣覆蓋等特點(diǎn)， 與其他 LPWA 技術(shù)相比，NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)基于授權(quán)頻譜組建，其 抗干擾能力、數(shù)據(jù)安全性、技術(shù)服務(wù)等方面均有高安全性保障。

NB-IoT 具備以下幾大特點(diǎn)，可完美匹配城市路燈智能控 制的需求 ：

（1）深度覆蓋 ：通過提高功率譜密度和增加重傳次數(shù)等 技術(shù)手段，在相同頻段下，NB-IoT 比 GPRS 網(wǎng)絡(luò)增益提高約 20 dB，可提供更廣更深的覆蓋能力，滿足大街小巷路燈的無 縫覆蓋。

（2）海量連接 ：NB-IoT 使每個小區(qū)具備支撐 5 萬個連接 的能力，滿足覆蓋范圍內(nèi)所有路燈可靠接入的需求。

（3）低功耗 ：NB-IoT 使用 PSM 和 eDRX 技術(shù)，通過簡 化無線協(xié)議、縮短收發(fā)時間等措施，降低終端功耗，符合城 市照明節(jié)能的要求。

（4）NB-IoT 低速率、低功耗、低帶寬的特性帶來了低成 本優(yōu)勢，在模組規(guī)模商用化后可將成本控制在 5 美元 / 個以下。

2.4 IoT 平臺

IoT 平臺擁有提供連接管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)管理、能 力開放等基礎(chǔ)功能，支持多種物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備快速接入及各 行業(yè)應(yīng)用的快速集成，支持客戶聚焦應(yīng)用和業(yè)務(wù)創(chuàng)新，平臺 提供連接感知、連接診斷、連接控制等連接狀態(tài)查詢及管理 功能。同時，IoT 平臺還可以屏蔽不同設(shè)備和連接協(xié)議的差異 性，使用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議與應(yīng)用層連接。平臺可提供靈活高 效的數(shù)據(jù)管理，包括數(shù)據(jù)采集、分類、結(jié)構(gòu)化存儲，數(shù)據(jù)調(diào) 用、使用量分析，并提供分析性的業(yè)務(wù)定制報表。將業(yè)務(wù)進(jìn)行 模塊化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯的靈活編排，以滿足行業(yè)應(yīng)用的 快速開發(fā)需求。

2.5 智慧路燈管理平臺

智慧路燈管理平臺通過 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)及 IoT 平臺與路燈的 單燈控制器建立連接，發(fā)送命令實(shí)現(xiàn)單盞路燈的遠(yuǎn)程開關(guān)控 制和狀態(tài)、故障檢測。智慧路燈管理平臺可在電子地圖上標(biāo) 示每盞路燈，并統(tǒng)計每盞路燈的開關(guān)狀態(tài)、功耗等信息，同 時建立運(yùn)行日志數(shù)據(jù)庫，永久保存數(shù)據(jù)。管理平臺可對路燈出 現(xiàn)的故障進(jìn)行及時提示、告警，并提供打印維護(hù)訂單等功能。 管理平臺可遠(yuǎn)程對單燈控制器進(jìn)行軟件更新升級。

3 應(yīng)用案例

長沙市隆平高科技園為建設(shè)智慧園區(qū)，率先在雄天路路段 采用智慧路燈系統(tǒng)進(jìn)行道路照明的體制改造。本系統(tǒng)采用中國 電信 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)，在單燈控制器上集成上海移遠(yuǎn) BC-95 NB- IoT 模組，其接收靈敏度為－129 dBm?；?800 MHz 頻段 的電信 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)，信號穿透力強(qiáng)，在覆蓋方面具有較大優(yōu) 勢，能滿足城市路燈分布在各角落復(fù)雜環(huán)境下的覆蓋需求。同 時，電信級運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)可保障數(shù)據(jù)的可靠性和安全性。經(jīng)測試， 試點(diǎn)路段電信 LTE 800 MHz 網(wǎng)絡(luò)參考信號接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP）在－80 ～－90 dBm 間，按照 理論測算，該路段 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)的 RSRP 值應(yīng)大于－70 dBm， 信號覆蓋完全滿足 NB-IoT 模組的接收靈敏度要求。而在實(shí)際 應(yīng)用中，單燈控制器與管理平臺連接穩(wěn)定，也進(jìn)一步驗(yàn)證了本 路段 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋性能。試點(diǎn)路段電信 LTE 800 MHz 網(wǎng) 絡(luò) RSRP 的測試結(jié)果如圖 2 所示。

本系統(tǒng)基于路段的實(shí)際天氣和環(huán)境狀況，通過管理平臺 與單燈控制器內(nèi)置的傳感器及控制器進(jìn)行聯(lián)動以進(jìn)行智能調(diào) 節(jié)，在深夜車流稀少時調(diào)低路燈亮度、間隔開燈，在光照條 件不好的陰雨天，根據(jù)亮度感知及時開燈。系統(tǒng)結(jié)合 LED 路 燈，并組合使用照明策略，相比高壓鈉燈等傳統(tǒng)路燈，可節(jié)能 80%。系統(tǒng)管理平臺以云服務(wù)為主架構(gòu)，搭配可擴(kuò)展性的軟件 應(yīng)用，方便路燈管理者通過電腦、手機(jī)隨時隨地進(jìn)行路燈操 控和監(jiān)測。同時，系統(tǒng)采用可視化管理和預(yù)測性維護(hù)，可有效 降低運(yùn)維成本。智慧路燈管理平臺如圖 3 所示。

基于 NB-IoT 的智慧路燈系統(tǒng)有效提高了雄天路的道路 照明品質(zhì)和公共照明管理水平，隆平高科技園區(qū)內(nèi)其他主干道后續(xù)也將改造成智慧照明路，并將逐步建設(shè)成一個生活配套 齊全、商務(wù)服務(wù)周到、園區(qū)綜合管理高效的多層次智能化智慧 園區(qū)。

4 結(jié) 語

基于 NB-IoT 技術(shù)的智慧路燈系統(tǒng)，結(jié)合電信運(yùn)營商的 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、平臺等服務(wù)功能，通過構(gòu)建形式多樣 的管理平臺，可實(shí)現(xiàn)路燈的單燈監(jiān)控及故障管理，符合物聯(lián) 網(wǎng)智能、互聯(lián)的需求。將 NB-IoT 技術(shù)應(yīng)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務(wù)能力，是智慧城市的 重要組成部分。未來，還將從智慧路燈系統(tǒng)拓展到環(huán)境監(jiān)控 系統(tǒng)、安全防災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、智能充電樁、智能信息告示牌等， 從智慧路燈向智慧城市邁進(jìn)，提升社會服務(wù)能力。