浅析基于NB-IoT技术的路灯照明智能控制系统的研究与应用

安科瑞 缪凯伦

摘要：路灯是城市中重要的照明设施，也是城市中耗电量相当大的设施，传统的路灯照明管理方式无法实现按照天气状况灵活地调节路灯的照明时间和亮度，造成了很大的电能浪费。而物联网技术可以实现将路灯连接到网络中统一进行管理，可以实现根据天气状态实时控制路灯的照明状态，从而节省路灯耗电。而本文就对基于NB-IOT 技术的智能路灯照明控制系统进行了研究。

关键词：路灯照明；智能照明控制系统；照明节能

0.引言

随着现代城市规模的扩大和城市居民对生活水平的提升，城市中的路灯数量也越来越多，而传统的粗放式的路灯管理不仅维护效率低，也难以实现对路灯的灵活控制。路灯损坏 和白天耗电等问题在我国城市中屡见不鲜。而现代物联网技术的发展使得智慧城市的建设进程进一步加快，路灯作为城市中的重要设施，结合物联网技术进行控制可以显著提升路灯管理效率。因此，对路灯智能照明系统进行研究对于推动智慧城市的建设和促进节能环保具有重要意义。

1.智能路灯中使用NB-IOT技术的优势

智能路灯照明系统需要采用端到端的连接方式，倘若采用传统的LTE技术连接，则需要同运营商端进行部署，部署的成本相对更高。此外，LTE网络虽然带宽更大，但其受影响也

较大，容易出现网络波动导致的丢包问题。而智能路灯对网络的要求则是较低的延迟，对带宽则并不敏感。而NB-IOT网络可以利用运营商的网络搭建，并且其具备物联网技术中的抗

干扰、低延迟和安全等优势。因此非常适合用于智能路灯的部署中。对于路灯数量非常多的大型城市来说，NB-IOT具备部署范围广和可靠性更强的技术优势。适合用于大量路灯的端对端连接。同时，NB-IOT技术借助运营商网络进行搭建，可以有效解决大规模部署的问题。

在降低部署成本的同时提升网络的可靠性。

2.系统整体结构

系统属于分层式结构，从上至下为管理层、传输层和监控层。其中，管理层与传输层的连接方式采用NB-IOT 技术，这是考虑到城市中路灯数量过多可能导致连接丢包问题所采用

的。路灯内安装有监控终端，每个监控终端与路灯共同组成受上层控制的智慧路灯，并具备设备识别码，监控终端可将路灯的工作数据传送到管理层。并接收来自管理层的指令

控制路灯工作，但由于NB-IOT 技术属于非实时性通信技术。因此在NB-IOT之外采用CoAP

技术作为辅助，提供信息重传和验证机制。防止因丢包导致的失控问题。监控终端不仅可以控制路灯的工作，也可以监控路灯的运行状态。当路灯出现故障时，监控终端可将路灯的故障信息传送到服务器中。由服务器将故障的路灯的位置、故障信息和故障时间等数据发送给维修工人，以便及时的进行维修。

3.系统硬件设计

整个智能路灯控制系统中关键的是与路灯连接的监控终端，监控终端上与服务器连接、下控制路灯的工作，也是智能路灯中重要的装置，为实现监控终端的稳定性和设计的简易性，本文中所用的监控终端采用模块化设计，主要由电量采集和数据管理量大模块组成，确保系统的稳定工作。

3.1 数据采集模块

数据采集模块为简易的微型计算机，其处理器部分为ARM架构的Cortex-M3 RISC芯片，

该芯片的频率为72MHz，内部含有512K DRAM和64K SRAM，该芯片的工作范围-40-100℃，

具有两条APB总线，可以连接通用的多种外设，其性能满足本文中智能路灯控制系统监控终端的需求，除处理器外，监控终端的外围硬件包括电量采集模块、路灯状态采集模块、故障信息、采集模块等。

该模块包含的功能有：

（1）数据采集：数据采集是对路灯所在环境的亮度、照度、温度、湿度等指标进行检测的模块，由光敏电阻和温度传感器以及湿度传感器等构成。这些指标是决定路灯亮度的关键指标，监控终端将这些数据返回到服务器后，由服务器按照特定的程序对路灯的亮度进行计算后向对应的监控终端发送指令，实现根据环境实时调节路灯的亮度。同时，GPS定位模块可以在路灯出现故障时将路灯的具体位置发送到维修人员处，方便维修人员迅速前往现场进行维修。

（2）临时存储:监控终端需要将收集到的数据上传到服务器中,发送的速率为230bit/s,但当网络连接不稳定时,监控终端可临时将数据存储在SD卡或FLASH闪存中,等到网络正常时再次尝试传输数据,防止因传输不及时造成数据丢失, 通过本地存储器存储数据的另一个点优势在于当维修人员需要获取路灯的状态数据时，仅需要将路灯监控终端中的数据进行导出即可，更加方便快捷。

3.2终端电量管理

电量管理是整个智能路灯照明系统的核心硬件，其通过电源管理芯片，可以实现对电量指标的检测，如剩余电量、充电状态、电池电压、电池温度等。同时还可以检测路灯电路中的短路或断路事件。

对于电量管理芯片来说，想要获得尽可能准确的路灯电量信息的前提是对路灯的充放电周期进行学习，学习的方式如下：

为电量管理模块进行充放电学习的过程，首先从电池电量半满的状态开始，对电池充电至电压管理软件检测到电池以充满后，对电池进行放电。此时再次使用电压管理软件对电池的状态进行测量，通过两次充放电状态和通过电池的电荷量计算出电池的容量。

4.安科瑞为路灯智能照明控制系统提供方案

4.1安科瑞智能照明监控系统采用分层分布式结构，即站控层，通讯层与间隔层； 如图（1）所示：

图（1）网络拓扑图

间隔设备层主要为：开关驱动器，这些装置分别对应相应的一次设备安装在电气柜内，这些装置均通过现场KNX总线组网通讯，实现数据现场采集。

网络通讯层主要为：智能照明网关，其主要功能为把分散在现场采集装置集中控制，同时远传至站控层，完成现场层和站控层之间的数据交互。

站控管理层：设有高性能工业计算机、显示器、UPS电源、打印机等设备。监控系统安装在计算机上，集中采集显示现场设备运行状况，以人机交互的形式显示给用户。 以上开关模块均采用KNX总线传输，一般都采用4根连线，接线简单方便，传输距离可达1.2km。

4.2安科瑞智能照明系统组成

1.定时控制

通过时钟管理器，实现整个系统的有关区域照明的定时和自动管理功能，实现公共通道、景观照明、泛光照明、车库照明定时控制。如百叶窗定时升降、集中供热定时调节、节假日照明定时关闭、定时通知等。

2.场景控制

智能照明控制系统根据各个部门的需求，设定不同种类的场景模式，进行各种照明灯光的组合，达到美化工作环境的效果；结合人体感应传感器，当人员离开时，关闭所有该会议室照明。

3.实时监控

中心控制室，配置一台中控主机，所有照明控制设备，通过KNX网关，接入监控系统，操作管理人员，可以通过中控电脑，实时监视总线、区域、楼层、楼栋等照明状态，并可根据需求进行控制调整。系统绘图工具支持向量图和多层页面，图形页面缩放方便，切换简单，支持DXF、WMF、BMP、JPG、ICON等图形对象的嵌入、支持二维、三维图元的绘制，增加可视化的空间效果。

4.报警处理

系统提供了警报处理能力，用户可采用编程来完成不同的任务，当某种警报条件出现时应做什么，可由用户自行确定。

5.事件通报 系统提供了事件通报功能，支持邮件通报、文本输出以及事件驱动打印，可按照用户预先设置的条件，触发事件通报功能。

4.3设备选型

5.结束语

本文对智能路灯照明系统进行了研究，采用NB-IOT技术搭建了云端控制的智能路灯网络，并对其中的关键技术点进行了研究，期待本文的研究成果能够为我国城市路的建设提供参考。