基于NB-IoT技术的智慧照明管理系统在城市中的应用

    陈恩铭 汪庆 郑其存

    

    

    

    【摘?要】在智慧城市的建设浪潮中，“互联网+交通”处于排头兵位置，然而，没有数据之间的互相打通融合，形成了局域网孤岛。基于NB-IoT技术的智慧照明系统就是大数据应用和传统的太阳能LED路灯相结合的物联网产物。利用以计算机技术、通信技术和传感技术等新兴技术为主要特点的物联网技术和大数据应用来解决城市道路照明管理问题。具有智慧照明、节能环保、技术创新、大数据控制的优点。为未来智慧城市的建设起积极作用。

    【关键词】NB-IoT;智慧照明;互联网+交通

    Application of Intelligent Lighting Management System Based on NB-IoT Technology in Urban Areas

    Chen En-ming，Wang Qing，Zheng Qi-cun

    （Hunan University?Changsha?Hunan?410012）

    【Abstract】In the wave of construction of smart cities， "Internet + traffic" is in the position of the vanguard. However， there is no data to open up and merge with each other， forming a local island of LAN. The intelligent lighting system based on NB-IoT technology is the Internet of Things product of big data application and traditional solar LED street light. IoT technology and big data applications， which are characterized by emerging technologies such as computer technology， communication technology and sensing technology， solve urban road lighting management problems. With the advantages of intelligent lighting， energy saving and environmental protection， technological innovation， and big data control. It will play a positive role in the construction of a smart city in the future.

    【Key words】NB-IoT;Smart lighting;Internet + traffic

    1. 城市照明現状

    （1）路灯照明是体现地区发展程度的窗口，良好的城市照明能带来巨大的社会效益、环境效益和经济效益。不管是路灯照明还是景观照明都能让这个城市的面貌焕然一新。

    （2）但对于城市经济高速发展的今天，基建日新月异，公共照明系统建设规模不断扩大，时控及简单的远程控制手段已经无法满足需求。照明设备缺乏有效的管理手段的问题越来越突出，由此带来的照明设备过度照明、白天亮灯、早亮灯、晚熄灯等电力浪费愈来愈严重。为了做到科学照明、绿色照明、节约能源、减低能耗，建立优质高效、生态环保的城市照明环境，确保城市照明节能减排任务全面完成，实施照明智能化、节能化建设已迫在眉睫。

    2. 智慧照明管理系统简介

    智慧照明，是通过应用新一代信息技术（internet/intarnet、物联网、窄带物联网（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）、4G/4G）和无线GPRS/CDMA通信技术等，实现对照明灯具的远程集中控制与管理，具有根据车/人流量自动调节亮度、远程照明控制、故障主动报警、灯具线缆防盗、远程抄表等功能，能够大幅节省电力资源，提升照明管理水平，节省运维成本的一种新兴照明管理模式。

    3. 智慧照明系统的优点

    （1）智慧照明。本作品是基于能够在连续阴雨天作业的太阳能路灯控制器的智能照明系统，属太阳能能源控制技术。该系统能够智能调节输出功率，利用智能感应技术达到阴雨天、雾霾天增强亮度的功能。在夜晚可以感应车辆和行人通过来判断是否照明，从而达到夜间节能的作用。

    （2）节能环保。采用光控+时控模式，利用太阳能板提供电源，并通过太阳能电压判断白天和晚上再结合时段控制以达到精确控制。利用光能来提供照明，并通过光照强度的调节来达到节能环保。

    （3）技术创新。本系统采用发明专利的能够在连续阴雨天作业的太阳能路灯控制器。它能够智能调节输出功率，且增强了抗阴雨天数。硬件部分防短接反接的方案，起到了防反接，防雷击、精确电压采样的作用。软件部分采用了多项自主研发的算法，解决了充电过程中的发烫问题，提高了充电效率，延长了控制器和蓄电池的使用寿命。

    （4）大数据应用。利用大数据分析和数据应用，通过LED路灯智慧照明系统的数据采集可以精确的采集路灯故障问题，从而降低维修成本。还可以利用车辆通行数据来达到智能调节光照强度，并可以利用数据与红绿灯系统联动从而起到交通调节的作用。

    4. 智慧照明系统构成和功能

    4.1?基本组成和工作方式：

    智慧照明分为四层架构：云处理中心，通讯层，感知层，控制执行层。图1为系统架构图。

    （1）监控中心：建立基础GIS和基础数据库;接受和归档来自远程的路灯工作状态数据;方便快捷生成各种管理报表;提供丰富的智慧控制策略实现“按需照明”;通过电脑、手机或平板电脑远程遥控和巡视。

    （2）通讯层：采用4G无线网络、物联网，将道路智慧照明控制系统的监控中心、控制装置RTU和路灯控制器联系在一起。通讯层是遥感、遥测、遥控的基础，是高效可靠的信息通道。

    （3）感知层：感知道路实时路况、环境信息智慧，及时反馈信息给云处理中心。

    （4）控制执行层：采用微控制技术、窄带物联网（Narrow Band Internet of Things， NB-IoT）通讯技术实现道路控制点的自动采集、智能控制和道路单灯调光控制（系统架构图见图1）。

    4.2?主要硬件和功能。

    4.2.1?集中控制器。

    集中控制器做为控制的中继部分，接收监控中心指令，控制單双灯及节点工作方式，采集信息发送到监控中心。

    （1）保护功能：具备有防止雷击、强脉冲干扰等自我保护功能，同时具有内部参数保护功能，保证设备运行的可靠性和稳定性。

    （2）终端数量：每个主控器可控制不小于800杆数量的双灯头路灯。

    （3）断电保护：能够在供电线路断电时，自动切换至备用电池供电，并及时告警，第一时间相关人员抢修，并系统能够保存断电时间段的相关数据。

    4.2.2?单双灯控制器。

    单双灯控制器为智慧照明控制系统终端设备，接收集中控制器及节点控制器指令，控制路灯工作方式，反馈路灯数据信息到集中控制器。

    （1）控制方式：对一个灯杆上的两个灯头分别进行开/关控制、检测，并将数据传回，故障主动报警。

    （2）在线状态：路灯运行时，始终在线，非运行状态时，可在监控中心或通过手持检修设备操作，使线路带电，从而让设备在线，方便检修。

    （3）自动报警：灯具灯泡损坏故障报警、灯具功率因数异常报警、开关灯异常故障报警、保险丝断开故障报警、单灯供电故障报警。

    （4）自主运行能力：在无人值守的情况下，当三遥控制器出现意外而无法与中心正常通讯时，单灯仍能按照预置的开关灯时间以及模式转换时间可稳定地执行开关灯和模式转换操作。

    4.2.3?节点控制器。

    节点控制器接收传感器采集的采集车流量信息，控制单双灯控制器进行工作。

    （1）控制方式：与附近灯杆上的控制器分组组网，对应控制器的数量可选择。

    （2）自动照度控制：在检测到附近有人员活动时，自动的按照设定的照度，控制关联的单灯控制器进行功率调节，以提高路面的照度。

    （3）在人员离开该区域后n分钟后（时间可设置），照度自动恢复到原来的级别，以节约能耗。

    4.2.4?传感器网络模板。

    本模块旨在解决常规路灯在各种条件下无法达到人们预期工作效果，通过多功能的传感器实现对温度、光照、烟雾、湿度准确的捕捉，达到在各种条件下的智能工作。通过GPS全球定位，实现突发事件的高效准确定位。通过云端可以将采集的数据进行分析统计，实现精细化管理以及节约资源，低碳环保的功能。其主要由人车检测传感器、人车检测传感器、雨水传感器、能见度传感器等四大传感器组成。

    4.3?软件系统和功能。

    4.3.1?监控中心建设。

    监控中心是整个系统运行的核心部分，由工作站、服务器、路由交换设备、办公设备等构成。服务器通过无线网络（公网）将各个点的状况采集上来。检测中心计算机可以及时检测并报告所有在测得监控终端的工作状况，实现数据的记录和管理，进行数据的统计。发现异常可以及时将故障定位，同时将现状报告给相关人员，管理人员可以随时随地主动查询监控终端的运行信息。

    4.3.2?系统功能。

    （1）主控、单灯监控软件一体化运行。

    （2）数据存储。

    （3）数据采集。

    （4）报警处理。

    （5）短信和智能手机push报警分组管理。

    （6）故障报表自动生成。

    （7）历史数据浏览及打印。

    （8）界面要求。

    系统要求操作界面简单、明了，全中文输入输出。主控监控界面与单灯监控界面可自由切换。

    （9）系统安全管理。

    （10）自动/手动运行。

    （11）自动巡测。

    （12）校时管理。

    （13）系统组态设置功能。

    能够设置修改三遥控制器和单灯控制器的编号和名称;

    能够设置修改各时段的定时巡测周期;

    能够设置修改365天的开关等时间策略;

    能够设置任意开/关灯时间;

    能够编辑电子地图，且在地图上通过组件添加主控箱、单灯标记。

    （14）报警级别管理。

    （15）终端分组管理。

    （16）GIS地图编辑管理。

    5. 应用前景

    5.1?经济效益分析。

    5.1.1?智慧照明改造前能耗计算。

    （1）昌北经济技术开发区实施两条道路路灯情况表如表1所示。

    （2）根据南昌市日升日落全年统计计算得出南昌市路灯平均开灯时间为11小时/天，则得出能耗分析如下表2所示：

    （3）南昌市路灯照明电价按1元/度计算，则由表2可知智慧照明改造前年电费费用为：

    264990度*1元/度 = 264990元≈26.5万元。

    5.1.2?智慧照明改造后能耗计算。

    由表3可知进行智慧照明改造后管理节能达到58%。

    由表3可知，进行智慧照明系统改造后年电费费用为（具体数据以合同计算为准）：

    111295.8度*1元/度=111295.8元≈11万元。

    5.1.3?智慧照明改造后经济效益分析。

    由5.1.1与5.1.2可知智慧照明改造后年节省电费费用为：

    26.5万元-11万元=15.5万元。

    5.2?社会效益分析。

    5.2.1?直接社会效益分析。

    根据计量标准，节约一度电，相当于节省了0.327千克煤的能耗和4升水。同时还减少了0.96千克二氧化碳和0.03千克二氧化硫的排放;使用1000度电的“碳足迹”是960公斤，需要栽种2.6棵树进行“碳中和”。由此得出每年数据如表4所示：

    5.2.2?隐形的社会效益分析。

    （1）故障及时维修，减少居民投诉，提高政府形象;

    故障短信提醒，2个小时内即可解决故障问题。

    （2）按需照明，减少交通事故发生。

    （3）可以减少因照明问题引发事故的50%。

    （4）可为智慧城市建设提供大数据（车辆人流等）。

    6. 总结

    （1）随着城市规模不断扩大，道路照明能耗浪费严重。管理问题日益突出，维护检修的工作量不断加大，针对这些问题，我们研究了一套照明系统——现代城市智慧照明系统。她未仆先知，自动诊断故障，智能调节亮度。她可以全城定，为社会安全服务系统提供准确地理定位。她节能省钱，以西安陵城区秦王璐和渭水路两条道路改造为例，年经济效益为355364元，不到两年可收回全部投资。

    （2）基于无线窄带物联网（NARROW BAND INTERNET OF THINGS， NB-IOT）技术的节能系统是新时代技术的产物。利用大数据和物联网技术打造的城市照明系统为智慧城市、智能城市建设添加新活力，是智慧城市建设由数据信息技术从虚拟数字空间走向真实物理世界的重要阶梯，未来前景与影响力不可估量。

    参考文献

    [1]?吴睿. 智慧照明系统研究與实现[D].电子科技大学，2015.

    [2]?车都. 城市路灯智慧照明系统的设计与实现[D].哈尔滨工业大学，2014.

    [3]?王静远，李超，熊璋，单志广. 以数据为中心的智慧城市研究综述[J]. 计算机研究与发展，2014，（02）：239～259.

    [4]?辜胜阻，杨建武，刘江日. 当前我国智慧城市建设中的问题与对策[J]. 中国软科学，2013，（01）：6～12.