北鬥時鐘同步伺服器（衛星授時）應用智慧路燈系統

北鬥時鐘同步伺服器（衛星授時）應用智慧路燈系統

北鬥時鐘同步伺服器（衛星授時）應用智慧路燈系統

在路燈的實際應用過程中會出現控制、檢測以及安全問題，包括路燈不能根據實際情況(天氣突變、重大事件、節日)及時校時和修改開關燈時間，也無法進行LED燈調光，無法實作二次節能；故障依據主要來源于巡視人員上報和市民投訴，缺乏主動性、及時性和可靠性，不能實時、準确、全面地監控全城的路燈運作狀況。管理部門缺乏統一排程的能力，隻能以逐個配電櫃為單元進行調整，不僅費時費力，而且增加了人為誤操作的可能性；裝置易丢失故障無法定位，無法準确發現電纜盜割、燈頭被盜和斷路，一旦出現以上情況将帶來巨大的經濟損失，同時影響市民的正常生活及出行安全。

目前，國家層面已經釋出了《關于促進智慧城市健康發展的指導意見》，指出2020年建成一批特色鮮明的智慧城市，實作公共服務便捷化、城市管理精細化、生活環境宜居化、基礎設施智能化等。降本增效和精細化營運的内部需求也驅動智能路燈建設，以降低人工巡檢成本，減少因為安全問題帶來的經濟損失，提高控制準确性、全面性，統一排程。NB—IoT技術相比其他控制技術，能夠很好地滿足以上需求，實作路燈的智能化控制，促進智慧城市建設，滿足降本增效和精細化營運的内部管理需求。

一、路燈的發展狀況

路燈從白熾燈開始，經曆了氣體放電燈、LED燈階段，能耗逐漸降低，智能化程度不斷提高。目前LED路燈的光效可達160lpw，比白熾燈節電90％以上，比高壓鈉燈節電5O％～70％，壽命高達50000hrs以上，可選PLC或者zigbee等技術組網控制。

近年來，我國城市建設呈現高速增長态勢。作為城市基礎建設的一部分，城市道路照明也得到了快速發展，據國家統計局資料顯示，從2007年至2015年近十年間，全國城市道路照明路燈數量由1395萬盞增加到2423萬盞，年均複合增長率達到7.14％。在城市道路照明路燈的使用類型方面，按道路照明路燈光源的不同，可以分為高壓鈉燈、LED路燈、節能路燈、新型氙氣路燈等。

按照光源分，鈉燈占絕大比例，其次是LED燈，其餘燈種類占比較小。

根據對包括所有直轄市、省會城市、計劃單列市在内Ag81個重點城市的統計，智能監控儀的總數最多，已達21826點，分别是時控、光控和防盜監控點Ag3倍、6.8倍、9.2倍。

在城市道路照明監控系統使用情況中，“三遙”系統使用最為普遍，占64％；其次是“五遙”系統，占23％；“四遙”和GPRS系統分别占5％和8％。

二、路燈智能化演進存在的問題

監控管理方式相對粗放。傳統的“三遙”系統隻能實作回路級别的采集和控制，對單燈運作情況無法實時、準确監控，出現燈具故障無法及時回報到監控中心，不能實作智能化監控和精細化管理。另外也不能對故障處理情況實時跟蹤、分析，影響照明生産管理考核和決策判斷。

能源消耗偏大。缺少靈活有效的節能控制手段，過度照明和照明不足的沖突難以調和(即前半夜按照城市形象照度運作，後半夜采取節能照度運作)，無法實作按需照明，進而在保障照明品質的前提下有效降低照明能耗。

運作維護效率低、成本偏高。現階段的照明設施故障發現機制主要采用人工巡查模式，工作量巨大，還可能留有盲區，運維效率低，難以實作主動服務，保障服務品質；在維護過程中，對材料的采購也缺少科學依據，不适當的材料備貨會造成資金占用，不能對材料進行精細化管理。

設施安全難以保障。缺少實時監管措施，照明電纜等設施頻繁被盜或損壞，給照明管理部門造成直接的經濟損失，嚴重影響城市照明的正常運作，同時帶來安全隐患。設施資源缺乏有效管理。城市照明設施資源管理基本停留在人工台賬時代，缺少資訊化手段，設施資源數量不清、狀态不明，不利于運維養護。

智能路燈的方案給路燈帶來的好處顯而易見，然而我國城市路燈仍以傳統的非智能化的鈉燈為主，智能化改造遇到的阻力很大：、1：LED路燈的成本較高。l2把鈉燈換成LED燈，并智能化更新，全城改造要花費幾個月時間。、3将鈉燈更換成LED燈，節能不節錢，還增加了工作量，通常路燈維修需要三個人，一個開車、一個維修、一個現場維護。盡管已經取得了長足進步，但路燈用LED燈仍然存在缺陷，例如穿透性不夠強，霧霾天氣下難照亮；散射能力比鈉燈差，照射範圍小。

三、NB-IoT技術在智能路燈控制中的技術選擇對比分析

目前主要采用組控方式，随着路燈對控制精細化要求的不斷提高，以及智慧城市建設程序的不斷加快，部分城市開始采用單控。智能路燈單控主要采用兩跳和一跳系統，兩跳通過FAN網絡計算彙聚後再接入平台，一跳通過WAN直接與平台通信。

兩跳：市政路燈管理以路段為單元，各路段配備配電櫃供電。路段電氣參數采集器與網關通常合一，部署在配電櫃。在路燈杆上拓展需要進行邊緣計算的應用，如W、安防監控、廣告屏等。目前FAN網絡主要采用PLC、ZigBee/RF技術。

一跳：單燈故障定位、單燈開關、調光不需要本地集中計算控制。離散擴充應用直接接入網絡，無須本地進行集中計算控制。一跳網絡使整個路燈網絡更加簡單，業務側隻需關注應用層标準，可快速接入不同廠商裝置。

兩跳方案分為PLC和Zigbee/RF技術兩種，同時搭配GPRS技術，實作路燈控制。一跳方案主要為LoRa和NB—IoT兩種，經過對比分析發現，一跳整個路燈網絡簡單，業務側隻需關注應用層标準，可快速接入不同廠商的裝置，同時一跳中的NB-IoT技術更加優良。

目前在城市公共照明單燈智能化監控領域，電纜線載波通信是底層通信技術的主流方向，在實際應用中約占90％的比例；ZigBee技術也有一定應用，約占1O％的市場佔有率；其他技術則應用較少。在遠端傳輸領域，目前大部分是利用GPRS技術，未來NB—IoT等技術将逐漸增多。

從成本角度看，NB—IoT的技術成本最低，其中包括建設成本、運作成本和年均成本等。從技術角度講，NB—IoT更适合路燈控制，因為其覆寫較廣、容量較大，通信品質有保障。

四、智能路燈NB-IoT拓展政策

4.1聚合

建立模範試點效應。聯合路燈所、路燈廠家、終端系統解決方案商，營運商通過提供終端補貼，推動智能路燈廠商進行終端改造，打造NB—IoT示範應用工程。

推動路燈産業聚合。通過聚合模組供應商、路燈廠商、平台提供商、系統內建商、路燈管理等，搭建産業聯盟，形成行業标準，降低智能路燈制造、智能晶片模組等成本，聚力推動路燈行業成熟，以低資費吸引使用者使用，短時間快速擴大路燈使用規模。

4.2争取主動權

以管道為基礎，大力推廣平台層内容，讓路燈在智能化的基礎上成為智慧城市和智能交通等的載體。應利用營運商資源優勢，推廣宣傳示範成果，搶占先機，争奪智能路燈平台話語權。

4.3開闊思路，豐富服務内容

利用路燈的獨特優勢，結合NB—IoT技術特點，擴充路燈服務。比如，将路燈變成環境氣象站，在智能網關上增加PM2.5、溫濕度等傳感器，在路燈載體上播報當地氣象、環境等城市綜合資訊。

五、智能路燈的NB-IoT技術監控系統

道路照明是人們生活中不可缺少的道路交通安全設施．傳統的道路照明采取集中供電（夜晚點亮、白天關閉）的固定管理模式，存在諸多弊端：（１）不能根據周圍的人車流量、天氣的變化來調節路燈亮度；（２）不能遠端設定亮燈模式和修訂參數；（３）不能自動報故障和定位故障的具體地點．為了節約電能、友善人們出行，有必要對傳統的路燈控制系統進行更新改造．窄帶物聯網（ＮａｒｒｏｗＢａｎｄＩｎｔｅｒｎｅｔｏｆＴｈｉｎｇｓ，簡稱ＮＢ－ＩｏＴ）技術已成為萬物網際網路絡的一個重要分支，是基于蜂窩網絡，由３ＧＰＰ組織所制定的通信技術，利用授權的ＧＳＭ和ＬＴＥ頻段，使用現有的４Ｇ基站和相關裝置，不需重新建構網絡．ＮＢ－ＩｏＴ技術具有如下優點：（１）廣覆寫．依托三大營運商的網絡實作全國覆寫．（２）深層次覆寫．（３）低功耗．基于這些優點，可将ＮＢ－ＩｏＴ技術應用到路燈監控系統中，對路燈的運作狀态及其相關裝置進行監控，實作高效智能化、科學化的管理．将ＮＢ－ＩｏＴ技術應用到智能路燈監控系統中，使每一盞路燈都接入網絡，且都有唯一的ＩＤ識别碼．這樣，系統就能對路燈進行實時的監控管理，有效地提高系統運作的效率，節約電能，滿足智慧城鎮發展和建設的要求．

5.1智能路燈監控系統的網絡架構

基于ＮＢ－ＩｏＴ技術的智能路燈監控系統包括感覺層、網絡層和應用層．感覺層由單獨的路燈控制子產品和ＮＢ－ＩｏＴ終端構成．道路上的每個路燈都安裝１個路燈控制子產品，路燈控制子產品管理路燈的開關、負責資料資訊的采集和監控路燈的運作狀态，它通過ＮＢ－ＩｏＴ網絡與ＮＢ－ＩｏＴ終端進行無線通信；ＮＢ－ＩｏＴ終端将路燈控制子產品采集的資料資訊上傳到ＮＢ－ＩｏＴ基站，将應用層中的手機或監控中心的管理指令下達到路燈控制子產品，對感覺層的路燈進行管理和監控．網路層由ＮＢ－ＩｏＴ基站和Ｉｎｔｅｒｎｅｔ網絡構成．Ｉｎｔｅｒ－ｎｅｔ網絡主要應用４Ｇ的ＬＴＥ平台，将感覺層的資料資訊實時地傳送到應用層，同時将應用層的控制指令傳送到感覺層．智能路燈監控系統網絡架構如圖１所示．

圖 １ 智 能路燈監控系統的 網絡架構框圖

5.2系統硬體設計

（1）路燈控制子產品：路燈控制子產品結構框圖如圖２所示．路燈控制子產品是感覺層的核心部件，對路燈的現場進行監控和管理，主要由微控制器、ＮＢ－ＩｏＴ模組、ＧＰＳ定位單元、資訊采集模組、檢測電路和驅動電路構成．每個路燈控制子產品設定唯一的ＩＤ碼，便于識别不同的路燈．ＧＰＳ定位單元能夠定位路燈的具體位置，為路燈的監控和檢修提供詳細的位址．ＮＢ－ＩｏＴ模組實作路燈控制子產品與ＮＢ－ＩｏＴ終端的通信．路燈控制子產品通過ＮＢ－ＩｏＴ模組将資訊采集模組采集的路燈現場資料資訊發送到ＮＢ－ＩｏＴ終端，同時接收應用層通過ＮＢ－ＩｏＴ終端傳遞的各種控制指令．資訊采集模組主要由溫濕度傳感器、光照傳感器、車流量傳感器和熱釋電紅外傳感器構成．溫濕度傳感器采集周圍環境的溫度和濕度，光照傳感器采集光照的強度，車流量傳感器采集道路上的車流量，熱釋電紅外傳感器采集道路上的行人流量．檢測電路檢測系統供電的電能品質、路燈的電壓及電流和路燈的運作狀态，驅動電路用于控制路燈的開關和亮度調節．

圖 ２ 路燈控制子產品結構框圖

（2）ＮＢ－ＩｏＴ終端：ＮＢ－ＩｏＴ終端采用工業級３２位的ＡＲＭ９系列晶片，以嵌入式實時作業系統為支撐，可以大容量地接入路燈控制子產品，通過無線的方式與路燈控制子產品進行資訊通信．同時備有有線ＲＳ４８５和ＲＳ２３２序列槽通信，接收路燈控制子產品采集的資料資訊和路燈運作的狀态參數，傳遞監控中心下達的控制指令．根據路燈的數量和系統實際控制的需求，通過計算分析，合理地規劃ＮＢ－ＩｏＴ終端數量和布置地點，使每個ＮＢ－ＩｏＴ終端都能與接入它的路燈控制子產品進行雙向通信．

（3）ＮＢ－ＩｏＴ基站：由于４Ｇ通信網絡基站分布較多，信号覆寫範圍廣，利用現有的４Ｇ通信基站規劃架設ＮＢ－ＩｏＴ網絡基站，可使信号覆寫範圍更廣，傳輸能力更強．ＮＢ－ＩｏＴ基站部署在現有的基站上，路燈現場資料資訊通過三大營運商的４Ｇ網絡實作有線遠距離傳輸，被傳送到監控中心，同時，ＮＢ－ＩｏＴ基站将所接收的監控中心的控制指令下達到路燈控制子產品．

5.3監控中心軟體設計

監控系統應用層主要由移動手機、監控中心和報警裝置構成．監控中心是應用層的核心，是感覺層處理資料、管理狀态、處理故障和管理能耗的人機互動的平台．通過移動手機上的監控ＡＰＰ，從業人員可以随時随地監測和管理路燈的運作．

監控中心是從業人員和遠端監控系統的人機互動視窗，可以直接反映整個系統資料采集的情況和路燈運作的狀态，是以其設計必須滿足控制的要求，還要兼顧整個系統的實時性、可操作性和穩定性．監控中心軟體的功能子產品框圖如圖３所示．資料處理實作資料的采集、存儲、查詢和報表的輸出列印．資料采集主要采集溫濕度、光照強度、車流量、人流量，以及路燈的電壓、電流、功率等參數；資料存儲主要存儲現場的資料資訊；資料查詢可以快速查詢曆史資料．狀态管理實作系統參數的設定、路燈控制模式的設定、路燈模式的設定、路燈調光模式的設定和運作狀态的查詢．路燈控制模式可以采用自動控制模式、經緯度模式、節假日模式和臨時模式等；路燈模式可以針對不同的單個路燈、某一路段的路燈和某一區域的路燈進行設定；路燈調光模式可以根據車流量和人流量自動地開啟相關路燈，還可以根據時間段設定不同百分比的ＰＷＭ開關路燈，或根據采集的自然環境資訊實作全開、半開或全關路燈．故障處理實作故障的自動監測、故障位置資訊的鎖定和自動報警，并以短信的形式通知從業人員．能耗管理實作遠端抄表、各路段和系統的能耗統計，能耗可以按照時間生成曲線報表，供從業人員分析．

圖３ 監控中心軟體的功能子產品框圖

總結

設計了一套基于ＮＢ－ＩｏＴ技術的智能路燈監控系統，該系統利用路燈控制子產品采集現場資料資訊，再利用ＮＢ－ＩｏＴ終端将現場資料通過無線網絡傳輸到網絡層．網絡層利用ＮＢ－ＩｏＴ基站和４Ｇ網絡實作資料資訊的上傳與控制指令的下達．基于ＮＢ－ＩｏＴ技術的智能路燈監控系統實作了資料處理、狀态管理、故障處理和能耗管理等４大功能，符合物聯網路燈控制系統的實時性、自動化和物物互聯的需求，提升了路燈照明監控系統的智能化，提高了系統的管理水準和技術服務水準，能為建設節能環保型的綠色城鎮發揮作用．