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智慧城市

NB-IoT智能路燈系統方案


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,無法實現二次節能;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、準確、全面地監控全城的路燈運行狀況。管理部門缺乏統一調度的能力,只能以逐個配電柜為單元進行調整,不僅費時費力,而且增加了人為誤操作的可能性;設備易丟失故障無法定位,無法準確發現電纜盜割、燈頭被盜和斷路,一旦出現以上情況將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,國家層面已經發布了《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,實現公共服務便捷化、城市管理精細化、生活環境宜居化、基礎設施智能化等。降本增效和精細化運營的內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,提高控制準確性、全面性,統一調度。NB—IoT技術相比其他控制技術,能夠很好地滿足以上需求,實現路燈的智能化控制,促進智慧城市建設,滿足降本增效和精細化運營的內部管理需求。

一、路燈的發展狀況

路燈從白熾燈開始,經歷了氣體放電燈、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態勢。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,據國家統計局數據顯示,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,年均復合增長率達到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,其余燈種類占比較小。

根據對包括所有直轄市、省會城市、計劃單列市在內Ag81個重點城市的統計,智能監控儀的總數最多,已達21826點,分別是時控、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系統分別占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”系統只能實現回路級別的采集和控制,對單燈運行情況無法實時、準確監控,出現燈具故障無法及時反饋到監控中心,不能實現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,影響照明生產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矛盾難以調和(即前半夜按照城市形象照度運行,后半夜采取節能照度運行),無法實現按需照明,從而在保障照明質量的前提下有效降低照明能耗。

運行維護效率低、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,難以實現主動服務,保障服務質量;在維護過程中,對材料的采購也缺少科學依據,不適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行,同時帶來安全隱患。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臺賬時代,缺少信息化手段,設施資源數量不清、狀態不明,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,并智能化升級,全城改造要花費幾個月時間。、3將鈉燈更換成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,照射范圍小。

三、NB-IoT技術在智能路燈控制中的技術選擇對比分析

當前主要采用組控方式,隨著路燈對控制精細化要求的不斷提高,以及智慧城市建設進程的不斷加快,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網絡計算匯聚后再接入平臺,一跳通過WAN直接與平臺通信。

兩跳:市政路燈管理以路段為單元,各路段配備配電柜供電。路段電氣參數采集器與網關通常合一,部署在配電柜。在路燈桿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。離散擴展應用直接接入網絡,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,業務側只需關注應用層標準,可快速接入不同廠商設備。

兩跳方案分為PLC和Zigbee/RF技術兩種,同時搭配GPRS技術,實現路燈控制。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,業務側只需關注應用層標準,可快速接入不同廠商的設備,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%的市場份額;其他技術則應用較少。在遠程傳輸領域,目前大部分是利用GPRS技術,未來NB—IoT等技術將逐漸增多。

從成本角度看,NB—IoT的技術成本最低,其中包括建設成本、運行成本和年均成本等。從技術角度講,NB—IoT更適合路燈控制,因為其覆蓋較廣、容量較大,通信質量有保障。

四、智能路燈NB-IoT拓展策略

4.1聚合

建立模范試點效應。聯合路燈所、路燈廠家、終端系統解決方案商,運營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示范應用工程。

推動路燈產業聚合。通過聚合模組供應商、路燈廠商、平臺提供商、系統集成商、路燈管理等,搭建產業聯盟,形成行業標準,降低智能路燈制造、智能芯片模組等成本,聚力推動路燈行業成熟,以低資費吸引用戶使用,短時間快速擴大路燈使用規模。

4.2爭取主動權

以管道為基礎,大力推廣平臺層內容,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。應利用運營商資源優勢,推廣宣傳示范成果,搶占先機,爭奪智能路燈平臺話語權。

4.3開闊思路,豐富服務內容

利用路燈的獨特優勢,結合NB—IoT技術特點,擴展路燈服務。比如,將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、環境等城市綜合信息。

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)不能遠程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、方便人們出行,有必要對傳統的路燈控制系統進行升級改造.窄帶物聯網(NarrowBandInternetofThings,簡稱NB-IoT)技術已成為萬物互聯網絡的一個重要分支,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基站和相關設備,不需重新構建網絡.NB-IoT技術具有如下優點:(1)廣覆蓋.依托三大運營商的網絡實現全國覆蓋.(2)深層次覆蓋.(3)低功耗.基于這些優點,可將NB-IoT技術應用到路燈監控系統中,對路燈的運行狀態及其相關設備進行監控,實現高效智能化、科學化的管理.將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識別碼.這樣,系統就能對路燈進行實時的監控管理,有效地提高系統運行的效率,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知層、網絡層和應用層.感知層由單獨的路燈控制模塊和NB-IoT終端構成.道路上的每個路燈都安裝1個路燈控制模塊,路燈控制模塊管理路燈的開關、負責數據信息的采集和監控路燈的運行狀態,它通過NB-IoT網絡與NB-IoT終端進行無線通信;NB-IoT終端將路燈控制模塊采集的數據信息上傳到NB-IoT基站,將應用層中的手機或監控中心的管理命令下達到路燈控制模塊,對感知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平臺,將感知層的數據信息實時地傳送到應用層,同時將應用層的控制命令傳送到感知層.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系統硬件設計

(1)路燈控制模塊:路燈控制模塊結構框圖如圖2所示.路燈控制模塊是感知層的核心部件,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、信息采集模組、檢測電路和驅動電路構成.每個路燈控制模塊設置唯一的ID碼,便于識別不同的路燈.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地址.NB-IoT模組實現路燈控制模塊與NB-IoT終端的通信.路燈控制模塊通過NB-IoT模組將信息采集模組采集的路燈現場數據信息發送到NB-IoT終端,同時接收應用層通過NB-IoT終端傳遞的各種控制命令.信息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質量、路燈的電壓及電流和路燈的運行狀態,驅動電路用于控制路燈的開關和亮度調節.

圖 2 路燈控制模塊結構框圖

(2)NB-IoT終端:NB-IoT終端采用工業級32位的ARM9系列芯片,以嵌入式實時操作系統為支撐,可以大容量地接入路燈控制模塊,通過無線的方式與路燈控制模塊進行信息通信.同時備有有線RS485和RS232串口通信,接收路燈控制模塊采集的數據信息和路燈運行的狀態參數,傳遞監控中心下達的控制命令.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模塊進行雙向通信.

(3)NB-IoT基站:由于4G通信網絡基站分布較多,信號覆蓋范圍廣,利用現有的4G通信基站規劃架設NB-IoT網絡基站,可使信號覆蓋范圍更廣,傳輸能力更強.NB-IoT基站部署在現有的基站上,路燈現場數據信息通過三大運營商的4G網絡實現有線遠距離傳輸,被傳送到監控中心,同時,NB-IoT基站將所接收的監控中心的控制命令下達到路燈控制模塊.

5.3監控中心軟件設計

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,是感知層處理數據、管理狀態、處理故障和管理能耗的人機交互的平臺.通過移動手機上的監控APP,工作人員可以隨時隨地監測和管理路燈的運行.

監控中心是工作人員和遠程監控系統的人機交互窗口,可以直接反映整個系統數據采集的情況和路燈運行的狀態,因此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.監控中心軟件的功能模塊框圖如圖3所示.數據處理實現數據的采集、存儲、查詢和報表的輸出打印.數據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;數據存儲主要存儲現場的數據信息;數據查詢可以快速查詢歷史數據.狀態管理實現系統參數的設置、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行狀態的查詢.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信息實現全開、半開或全關路燈.故障處理實現故障的自動監測、故障位置信息的鎖定和自動報警,并以短信的形式通知工作人員.能耗管理實現遠程抄表、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,供工作人員分析.

圖3 監控中心軟件的功能模塊框圖

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模塊采集現場數據信息,再利用NB-IoT終端將現場數據通過無線網絡傳輸到網絡層.網絡層利用NB-IoT基站和4G網絡實現數據信息的上傳與控制命令的下達.基于NB-IoT技術的智能路燈監控系統實現了數據處理、狀態管理、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平和技術服務水平,能為建設節能環保型的綠色城鎮發揮作用.

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