安科瑞 繆凱倫

摘要：路燈是城市中重要的照明設(shè)施，也是城市中耗電量相當大的設(shè)施，傳統(tǒng)的路燈照明管理方式無法實現(xiàn)按照天氣狀況靈活地調(diào)節(jié)路燈的照明時間和亮度，造成了很大的電能浪費。而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)將路燈連接到網(wǎng)絡(luò)中統(tǒng)一進行管理，可以實現(xiàn)根據(jù)天氣狀態(tài)實時控制路燈的照明狀態(tài)，從而節(jié)省路燈耗電。而本文就對基于NB-IOT 技術(shù)的智能路燈照明控制系統(tǒng)進行了研究。

關(guān)鍵詞：路燈照明；智能照明控制系統(tǒng)；照明節(jié)能

0.引言

隨著現(xiàn)代城市規(guī)模的擴大和城市居民對生活水平的提升，城市中的路燈數(shù)量也越來越多，而傳統(tǒng)的粗放式的路燈管理不僅維護效率低，也難以實現(xiàn)對路燈的靈活控制。路燈損壞 和白天耗電等問題在我國城市中屢見不鮮。而現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使得智慧城市的建設(shè)進程進一步加快，路燈作為城市中的重要設(shè)施，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行控制可以顯著提升路燈管理效率。因此，對路燈智能照明系統(tǒng)進行研究對于推動智慧城市的建設(shè)和促進節(jié)能環(huán)保具有重要意義。

1.智能路燈中使用NB-IOT技術(shù)的優(yōu)勢

智能路燈照明系統(tǒng)需要采用端到端的連接方式，倘若采用傳統(tǒng)的LTE技術(shù)連接，則需要同運營商端進行部署，部署的成本相對更高。此外，LTE網(wǎng)絡(luò)雖然帶寬更大，但其受影響也

較大，容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)波動導(dǎo)致的丟包問題。而智能路燈對網(wǎng)絡(luò)的要求則是較低的延遲，對帶寬則并不敏感。而NB-IOT網(wǎng)絡(luò)可以利用運營商的網(wǎng)絡(luò)搭建，并且其具備物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的抗

干擾、低延遲和安全等優(yōu)勢。因此非常適合用于智能路燈的部署中。對于路燈數(shù)量非常多的大型城市來說，NB-IOT具備部署范圍廣和可靠性更強的技術(shù)優(yōu)勢。適合用于大量路燈的端對端連接。同時，NB-IOT技術(shù)借助運營商網(wǎng)絡(luò)進行搭建，可以有效解決大規(guī)模部署的問題。

在降低部署成本的同時提升網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

2.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)屬于分層式結(jié)構(gòu)，從上至下為管理層、傳輸層和監(jiān)控層。其中，管理層與傳輸層的連接方式采用NB-IOT 技術(shù)，這是考慮到城市中路燈數(shù)量過多可能導(dǎo)致連接丟包問題所采用

的。路燈內(nèi)安裝有監(jiān)控終端，每個監(jiān)控終端與路燈共同組成受上層控制的智慧路燈，并具備設(shè)備識別碼，監(jiān)控終端可將路燈的工作數(shù)據(jù)傳送到管理層。并接收來自管理層的指令

控制路燈工作，但由于NB-IOT 技術(shù)屬于非實時性通信技術(shù)。因此在NB-IOT之外采用CoAP

技術(shù)作為輔助，提供信息重傳和驗證機制。防止因丟包導(dǎo)致的失控問題。監(jiān)控終端不僅可以控制路燈的工作，也可以監(jiān)控路燈的運行狀態(tài)。當路燈出現(xiàn)故障時，監(jiān)控終端可將路燈的故障信息傳送到服務(wù)器中。由服務(wù)器將故障的路燈的位置、故障信息和故障時間等數(shù)據(jù)發(fā)送給維修工人，以便及時的進行維修。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計

整個智能路燈控制系統(tǒng)中關(guān)鍵的是與路燈連接的監(jiān)控終端，監(jiān)控終端上與服務(wù)器連接、下控制路燈的工作，也是智能路燈中重要的裝置，為實現(xiàn)監(jiān)控終端的穩(wěn)定性和設(shè)計的簡易性，本文中所用的監(jiān)控終端采用模塊化設(shè)計，主要由電量采集和數(shù)據(jù)管理量大模塊組成，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊為簡易的微型計算機，其處理器部分為ARM架構(gòu)的Cortex-M3 RISC芯片，

該芯片的頻率為72MHz，內(nèi)部含有512K DRAM和64K SRAM，該芯片的工作范圍-40-100℃，

具有兩條APB總線，可以連接通用的多種外設(shè)，其性能滿足本文中智能路燈控制系統(tǒng)監(jiān)控終端的需求，除處理器外，監(jiān)控終端的外圍硬件包括電量采集模塊、路燈狀態(tài)采集模塊、故障信息、采集模塊等。

該模塊包含的功能有：

（1）數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集是對路燈所在環(huán)境的亮度、照度、溫度、濕度等指標進行檢測的模塊，由光敏電阻和溫度傳感器以及濕度傳感器等構(gòu)成。這些指標是決定路燈亮度的關(guān)鍵指標，監(jiān)控終端將這些數(shù)據(jù)返回到服務(wù)器后，由服務(wù)器按照特定的程序?qū)β窡舻牧炼冗M行計算后向?qū)?yīng)的監(jiān)控終端發(fā)送指令，實現(xiàn)根據(jù)環(huán)境實時調(diào)節(jié)路燈的亮度。同時，GPS定位模塊可以在路燈出現(xiàn)故障時將路燈的具體位置發(fā)送到維修人員處，方便維修人員迅速前往現(xiàn)場進行維修。

（2）臨時存儲:監(jiān)控終端需要將收集到的數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器中,發(fā)送的速率為230bit/s,但當網(wǎng)絡(luò)連接不穩(wěn)定時,監(jiān)控終端可臨時將數(shù)據(jù)存儲在SD卡或FLASH閃存中,等到網(wǎng)絡(luò)正常時再次嘗試傳輸數(shù)據(jù),防止因傳輸不及時造成數(shù)據(jù)丟失, 通過本地存儲器存儲數(shù)據(jù)的另一個點優(yōu)勢在于當維修人員需要獲取路燈的狀態(tài)數(shù)據(jù)時，僅需要將路燈監(jiān)控終端中的數(shù)據(jù)進行導(dǎo)出即可，更加方便快捷。

3.2終端電量管理

電量管理是整個智能路燈照明系統(tǒng)的核心硬件，其通過電源管理芯片，可以實現(xiàn)對電量指標的檢測，如剩余電量、充電狀態(tài)、電池電壓、電池溫度等。同時還可以檢測路燈電路中的短路或斷路事件。

對于電量管理芯片來說，想要獲得盡可能準確的路燈電量信息的前提是對路燈的充放電周期進行學(xué)習，學(xué)習的方式如下：

為電量管理模塊進行充放電學(xué)習的過程，首先從電池電量半滿的狀態(tài)開始，對電池充電至電壓管理軟件檢測到電池以充滿后，對電池進行放電。此時再次使用電壓管理軟件對電池的狀態(tài)進行測量，通過兩次充放電狀態(tài)和通過電池的電荷量計算出電池的容量。

4.安科瑞為路燈智能照明控制系統(tǒng)提供方案

4.1安科瑞智能照明監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)，即站控層，通訊層與間隔層； 如圖（1）所示：

圖（1）網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

間隔設(shè)備層主要為：開關(guān)驅(qū)動器，這些裝置分別對應(yīng)相應(yīng)的一次設(shè)備安裝在電氣柜內(nèi)，這些裝置均通過現(xiàn)場KNX總線組網(wǎng)通訊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集。

網(wǎng)絡(luò)通訊層主要為：智能照明網(wǎng)關(guān)，其主要功能為把分散在現(xiàn)場采集裝置集中控制，同時遠傳至站控層，完成現(xiàn)場層和站控層之間的數(shù)據(jù)交互。

站控管理層：設(shè)有高性能工業(yè)計算機、顯示器、UPS電源、打印機等設(shè)備。監(jiān)控系統(tǒng)安裝在計算機上，集中采集顯示現(xiàn)場設(shè)備運行狀況，以人機交互的形式顯示給用戶。 以上開關(guān)模塊均采用KNX總線傳輸，一般都采用4根連線，接線簡單方便，傳輸距離可達1.2km。

4.2安科瑞智能照明系統(tǒng)組成

1.定時控制

通過時鐘管理器，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的有關(guān)區(qū)域照明的定時和自動管理功能，實現(xiàn)公共通道、景觀照明、泛光照明、車庫照明定時控制。如百葉窗定時升降、集中供熱定時調(diào)節(jié)、節(jié)假日照明定時關(guān)閉、定時通知等。

2.場景控制

智能照明控制系統(tǒng)根據(jù)各個部門的需求，設(shè)定不同種類的場景模式，進行各種照明燈光的組合，達到美化工作環(huán)境的效果；結(jié)合人體感應(yīng)傳感器，當人員離開時，關(guān)閉所有該會議室照明。

3.實時監(jiān)控

中心控制室，配置一臺中控主機，所有照明控制設(shè)備，通過KNX網(wǎng)關(guān)，接入監(jiān)控系統(tǒng)，操作管理人員，可以通過中控電腦，實時監(jiān)視總線、區(qū)域、樓層、樓棟等照明狀態(tài)，并可根據(jù)需求進行控制調(diào)整。系統(tǒng)繪圖工具支持向量圖和多層頁面，圖形頁面縮放方便，切換簡單，支持DXF、WMF、BMP、JPG、ICON等圖形對象的嵌入、支持二維、三維圖元的繪制，增加可視化的空間效果。

4.報警處理

系統(tǒng)提供了警報處理能力，用戶可采用編程來完成不同的任務(wù)，當某種警報條件出現(xiàn)時應(yīng)做什么，可由用戶自行確定。

5.事件通報 系統(tǒng)提供了事件通報功能，支持郵件通報、文本輸出以及事件驅(qū)動打印，可按照用戶預(yù)先設(shè)置的條件，觸發(fā)事件通報功能。

4.3設(shè)備選型

5.結(jié)束語

本文對智能路燈照明系統(tǒng)進行了研究，采用NB-IOT技術(shù)搭建了云端控制的智能路燈網(wǎng)絡(luò)，并對其中的關(guān)鍵技術(shù)點進行了研究，期待本文的研究成果能夠為我國城市路的建設(shè)提供參考。