發(fā)布時(shí)間：2022-02-24所屬分類：電工職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要 ：針對(duì)目前大多數(shù)城市對(duì)路燈照明控制和管理水平的不足，設(shè)計(jì)一種基于 NB-IoT 的城市路燈智能照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)與 PC 端后臺(tái)管理系統(tǒng)相結(jié)合，以 NB-IoT 為核心，由路燈終端節(jié)點(diǎn)和云平臺(tái)組成。將 NB-IoT 技術(shù)與 TCP/IP 技術(shù)相結(jié)合作為系統(tǒng)的通信方式，添加實(shí)際功能
摘 要 ：針對(duì)目前大多數(shù)城市對(duì)路燈照明控制和管理水平的不足，設(shè)計(jì)一種基于 NB-IoT 的城市路燈智能照明系統(tǒng)。該系統(tǒng)與 PC 端后臺(tái)管理系統(tǒng)相結(jié)合，以 NB-IoT 為核心，由路燈終端節(jié)點(diǎn)和云平臺(tái)組成。將 NB-IoT 技術(shù)與 TCP/IP 技術(shù)相結(jié)合作為系統(tǒng)的通信方式，添加實(shí)際功能模塊實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制等功能，從而實(shí)現(xiàn)方便管理、節(jié)約電能能源的目的。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)性能可靠，報(bào)障準(zhǔn)確。證明了該系統(tǒng)架構(gòu)合理，功能完備，能夠大大提高當(dāng)前城市道路路面照明系統(tǒng)的智能化程度，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞 ：城市路燈 ;NB-IoT ;智能照明系統(tǒng) ;無(wú)線網(wǎng)關(guān) ;路燈控制 ;云平臺(tái)
0 引 言
路燈作為城市照明中必不可少的公共基礎(chǔ)設(shè)施，與人們的日常生活和城市交通安全有著密不可分的聯(lián)系，路燈控制和管理水平的高低則是檢驗(yàn)一個(gè)城市現(xiàn)代文明的標(biāo)志。在 “互聯(lián)網(wǎng) +”的時(shí)代背景下，城市道路的智能照明是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。為了確保城市照明系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和科學(xué)管控，實(shí)現(xiàn)城市亮化和節(jié)能環(huán)保管理，處理好城市居民與城市景觀形象之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，如何實(shí)現(xiàn)城市化照明系統(tǒng)的管理，已經(jīng)成為當(dāng)前城市管理者主要解決的問(wèn)題。
現(xiàn)今大多數(shù)城市仍在采用傳統(tǒng)路燈系統(tǒng) [1-3]，對(duì)區(qū)域內(nèi)的所有路燈進(jìn)行統(tǒng)一管理，定時(shí)開(kāi)關(guān)。但是目前的照明系統(tǒng)存在一些問(wèn)題，例如 ：路燈數(shù)量的不斷增加導(dǎo)致維護(hù)成本、社會(huì)成本的上升問(wèn)題 ;夜間車輛行人稀少時(shí)，路燈仍然全部運(yùn)行的能源浪費(fèi)問(wèn)題 ;沒(méi)有多功能的后臺(tái)管理系統(tǒng)，路燈也無(wú)法采集周邊環(huán)境的有用數(shù)據(jù)，出現(xiàn)故障需要人工排查，不能及時(shí)被照明控制中心發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。為解決傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)的缺陷，本文設(shè)計(jì)一種城市路燈智能照明系統(tǒng)，將 NB-IoT 技術(shù)與 TCP/IP 技術(shù)相結(jié)合，添加實(shí)際功能模塊實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制等功能，從而能有效地監(jiān)測(cè)路燈的運(yùn)行狀態(tài)，并實(shí)時(shí)分析路燈狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)控制和維護(hù)。系統(tǒng)通過(guò)若干個(gè)光照度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光照度，并結(jié)合氣象部門(mén)發(fā)布的每日日出日落時(shí)間智能決策進(jìn)行無(wú)線照明控制，從而解決上述問(wèn)題。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求
該系統(tǒng)將城市中某一片區(qū)的照明燈全部連接起來(lái)，由 PC 端應(yīng)用程序統(tǒng)一進(jìn)行控制。PC 端應(yīng)用程序有自動(dòng)控制和手動(dòng)控制兩種工作方式。當(dāng)自動(dòng)控制模式開(kāi)啟時(shí)，路燈會(huì)自動(dòng)根據(jù)當(dāng)前的實(shí)際光照值和當(dāng)日日出日落時(shí)間指揮決策，自動(dòng)進(jìn)行路燈開(kāi)關(guān)的控制 ;當(dāng)手動(dòng)控制模式開(kāi)啟時(shí)，管理員可以一鍵開(kāi)關(guān)街道上所有的照明設(shè)施，也可以進(jìn)行個(gè)別控制。
當(dāng)下無(wú)線通信方式主要有以下 5 種 ：WiFi、 藍(lán) 牙、 LoRa、ZigBee 和 NB-IoT。WiFi 成本較高，對(duì)于路燈控制這樣簡(jiǎn)單的場(chǎng)景而言有些浪費(fèi) ;藍(lán)牙通信距離太短，難以實(shí)現(xiàn)全城市的覆蓋 ;ZigBee 可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)功能，且傳輸時(shí)延較短，但是其多條轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)衰減較大，信號(hào)傳輸可靠性受氣象影響較大 ;LoRa 傳輸距離可達(dá)十幾公里，功耗也更小，但需要自建基站，且基站部署位置要求較高。對(duì)比上述，從通信可靠性來(lái)說(shuō)，NB-IoT 無(wú)衰傳輸距離一般都可以達(dá)到 10 km 以上，且網(wǎng)絡(luò)可容納節(jié)點(diǎn)數(shù)量可達(dá) 20萬(wàn) ;從建設(shè)難度來(lái)說(shuō)， NB-IoT 直接與移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商搭建的現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接，無(wú)需自行搭建基站，非常適合城市內(nèi)設(shè)施使用 ;從建設(shè)成本來(lái)說(shuō)， NB-IoT 模塊每塊成本為 5 ～ 10 美元，待機(jī)情況下功耗僅 5 μA，電池理論上可提供長(zhǎng)達(dá) 10 年的續(xù)航。雖然其通信時(shí)延為 6 ～ 10 s，但對(duì)路燈控制而言影響不大。綜上所述，本系統(tǒng)選擇使用 NB-IoT 進(jìn)行通信 [4-7]。
2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)硬件部分主要由路燈節(jié)點(diǎn)組成，軟件部分主要由應(yīng)用云平臺(tái)和應(yīng)用客戶端組成。該系統(tǒng)與 PC 端后臺(tái)管理系統(tǒng)相結(jié)合，以 NB-IoT 為核心，由路燈終端節(jié)點(diǎn)和云平臺(tái)組成，如圖 1 所示。
選擇 NB-IoT 技術(shù)與 TCP/IP 技術(shù)相結(jié)合作為系統(tǒng)的通信方式，添加實(shí)際功能模塊實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制等功能，從而實(shí)現(xiàn)管理方便、節(jié)約電能能源的目的。
3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成
該控制系統(tǒng)的主要硬件包含 NB-IoT 模塊、繼電器模塊和光照度傳感器，還可選擇性安裝其他各類的輔助性傳感器。硬件架構(gòu)示意圖如圖 2 所示。
3.1 NB-IoT 模塊
本系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)階段所使用的 NB-IoT 模塊搭載 Lierda NB05-01 芯片，通過(guò)中國(guó)電信物聯(lián)網(wǎng)卡接入中國(guó)電信云平臺(tái) “天翼云”。NB-IoT 芯片與硬件連線圖如圖 3 所示。
3.2 繼電器模塊
繼電器模塊通過(guò)引腳安裝在 NB-IoT 模塊上，由 NB-IoT 模塊中的程序控制繼電器狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)用電設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。每路控制器稱為“聯(lián)”，即根據(jù)繼電器模塊可控制的路的數(shù)量可確定繼電器的聯(lián)數(shù)，如可以分別控制兩個(gè)設(shè)備的繼電器稱為雙聯(lián)繼電器。為了增加使用效率，采用單聯(lián)繼電器和雙聯(lián)繼電器混合設(shè)計(jì)，在光照需求較大處或照明設(shè)備相對(duì)密集處使用雙聯(lián)繼電器減少需要的 NB-IoT 模塊的數(shù)量。
3.3 光照度傳感器模塊
該系統(tǒng)選用的光照度傳感器以深圳龍信達(dá)科技有限公司 LXD_GB5_A1E 光敏傳感器為核心，按照?qǐng)D 4 所示連接到 NB-IoT 模塊上。
3.4 其他各類輔助性傳感器
為了更全面、更精確、更智能地獲知街道的實(shí)際照明需求，系統(tǒng)還可兼容各種市政輔助類傳感器，例如噪聲傳感器、溫濕度傳感器、紫外線傳感器等。只需修改 NB-IoT 模塊上的部分代碼即可為本系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，也可以為其他市政工程或氣象預(yù)測(cè)提供幫助，為系統(tǒng)提供了較高的可擴(kuò)展性，方便視實(shí)際需求改造升級(jí)。
4 系統(tǒng)搭建與開(kāi)發(fā)
4.1 硬件安裝與布置
本系統(tǒng)的目的是對(duì)街道照明設(shè)備的智能控制，因此在每個(gè)照明設(shè)備處都需要設(shè)置繼電器模塊，而每個(gè)繼電器模塊都需要連接在 NB-IoT 模塊上以進(jìn)行組網(wǎng)。因此，在每個(gè)路面照明點(diǎn)都需要安裝如圖 5 所示的 NB-IoT 無(wú)線控制照明組合。
當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)通信不暢或故障時(shí)，運(yùn)營(yíng)商云平臺(tái)將會(huì)自動(dòng)鎖定發(fā)生故障的節(jié)點(diǎn)并推送給應(yīng)用云平臺(tái)，應(yīng)用云平臺(tái)立即下發(fā)維修任務(wù)給專門(mén)人員。整套系統(tǒng)均采用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)無(wú)線連接，網(wǎng)絡(luò)和中繼設(shè)備的維護(hù)工作將由運(yùn)營(yíng)商的專業(yè)人員進(jìn)行，降低了本系統(tǒng)出現(xiàn)通信故障的概率。
4.2 系統(tǒng)軟件建設(shè)
4.2.1 PC 端總控軟件
該系統(tǒng) PC 端總控軟件使用 Microsoft Visual Studio 開(kāi)發(fā)，選用 C# 語(yǔ)言編寫(xiě)。軟件主界面如圖 6 所示。
4.2.2 維保人員移動(dòng)端
維保人員移動(dòng)端應(yīng)用于通知維保人員對(duì)照明設(shè)施進(jìn)行維護(hù)或搶修，客戶端界面如圖 7 所示。
4.2.3 應(yīng)用云平臺(tái)
應(yīng)用云平臺(tái)作為運(yùn)營(yíng)商云平臺(tái)和各種客戶端之間的橋梁。為保障數(shù)據(jù)傳輸安全，云平臺(tái)與外界采用 HTTPS 連接。
云平臺(tái)主要有如下幾個(gè)功能 ：
(1)指令下發(fā)功能
當(dāng)云平臺(tái)接收到來(lái)自控制中心的指令時(shí)，解碼指令信息并驗(yàn)證和記錄操作者，將對(duì)應(yīng)的命令發(fā)送到指定設(shè)備或指定設(shè)備組當(dāng)中。
(2)整合記錄功能
接收各 NB-IoT 節(jié)點(diǎn)發(fā)送到云平臺(tái)的數(shù)據(jù)，包括環(huán)境信息、報(bào)警信息、維修記錄等，并將其保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。所有信息實(shí)時(shí)推送到 PC 總控程序當(dāng)中。
(3)任務(wù)分發(fā)功能
路燈設(shè)備報(bào)障后，系統(tǒng)自動(dòng)將維修任務(wù)推送到負(fù)責(zé)該區(qū)域的維修小組的手機(jī)應(yīng)用上，并對(duì)維保任務(wù)完成情況進(jìn)行追蹤和督促。
(4)智能決策功能
云平臺(tái)能通過(guò)第三方 API 獲取每日的天氣、日出日落時(shí)間等情況，通過(guò)部分路燈上另設(shè)的傳感器獲取分區(qū)實(shí)際光照情況，進(jìn)行綜合性分析，按照分析結(jié)果對(duì)各道路上的照明設(shè)備分別指定其開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在確保滿足市民光照需求的情況下最大程度地減少電力消耗。
(5)API 拓展功能
云平臺(tái)預(yù)留市民報(bào)障的 API，以方便維修人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決路燈故障。市民可通過(guò)城市已有的市民服務(wù)客戶端(如南京市的“我的南京”APP 等)快捷地通過(guò)此 API 向系統(tǒng)上報(bào)設(shè)備故障信息，大大減少故障設(shè)備在被巡檢員發(fā)現(xiàn)前所消耗的時(shí)間。
4.2.4 終端控制程序
終端控制程序燒寫(xiě)在 NB-IoT 模塊上，使 NB-IoT 模塊完成入網(wǎng)和控制路燈繼電器的功能。NB-IoT 上加裝傳感器時(shí)，只需要增加傳感器相關(guān)代碼即可完成擴(kuò)展。NB-IoT 入網(wǎng)流程如圖 8 所示。
5 系統(tǒng)測(cè)試
本文使用 2 個(gè) NB-IoT 模塊、2 個(gè)燈泡和 1 個(gè)光照度傳感器對(duì)所提系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試�？偪刂行某绦蚬�(jié)點(diǎn)連接如圖 9 所示。手機(jī)端維保信息如圖 10 所示。
經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)性能可靠，報(bào)障迅速，分配準(zhǔn)確，且能夠充分利用城市已有基礎(chǔ)設(shè)施，節(jié)約建設(shè)成本，提高道路照明的智能化。
6 結(jié) 語(yǔ)
本文提出一種基于 NB-IoT 的城市路燈智能照明系統(tǒng)，尤其適合現(xiàn)有非智能化路燈系統(tǒng)的改造升級(jí)。該系統(tǒng)能充分利用城市已有設(shè)施，非智能化路燈改造為本文提出的智能路燈系統(tǒng)時(shí)無(wú)需挖開(kāi)地面布管設(shè)線，也不需要另外建設(shè)基站等通信設(shè)備，投入回報(bào)比高。另外，該系統(tǒng)架構(gòu)合理，功能完備，能夠大大提高當(dāng)前城市道路路面照明系統(tǒng)的智能化程度，滿足智慧城市一體化管理需求，且易于維護(hù)和升級(jí)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。——論文作者：王燦田，陳育中，殷芃坤
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