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智慧城市

NB-IoT智能路灯系统方案


在路灯的实际应用过程中会出现控制、检测以及安全问题,包括路灯不能根据实际情况(天气突变、重大事件、节日)及时校时和修改开关灯时间,也无法进行LED灯调光,无法实现二次节能;故障依据主要来源于巡视人员上报和市民投诉,缺乏主动性、及时性和可靠性,不能实时、准确、全面地监控全城的路灯运行状况。管理部门缺乏统一调度的能力,只能以逐个配电柜为单元进行调整,不仅费时费力,而且增加了人为误操作的可能性;设备易丢失故障无法定位,无法准确发现电缆盗割、灯头被盗和断路,一旦出现以上情况将带来巨大的经济损失,同时影响市民的正常生活及出行安全。

目前,国家层面已经发布了《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》,指出2020年建成一批特色鲜明的智慧城市,实现公共服务便捷化、城市管理精细化、生活环境宜居化、基础设施智能化等。降本增效和精细化运营的内部需求也驱动智能路灯建设,以降低人工巡检成本,减少因为安全问题带来的经济损失,提高控制准确性、全面性,统一调度。NB—IoT技术相比其他控制技术,能够很好地满足以上需求,实现路灯的智能化控制,促进智慧城市建设,满足降本增效和精细化运营的内部管理需求。

一、路灯的发展状况

路灯从白炽灯开始,经历了气体放电灯、LED灯阶段,能耗逐渐降低,智能化程度不断提高。目前LED路灯的光效可达160lpw,比白炽灯节电90%以上,比高压钠灯节电5O%~70%,寿命高达50000hrs以上,可选PLC或者zigbee等技术组网控制。

近年来,我国城市建设呈现高速增长态势。作为城市基础建设的一部分,城市道路照明也得到了快速发展,据国家统计局数据显示,从2007年至2015年近十年间,全国城市道路照明路灯数量由1395万盏增加到2423万盏,年均复合增长率达到7.14%。在城市道路照明路灯的使用类型方面,按道路照明路灯光源的不同,可以分为高压钠灯、LED路灯、节能路灯、新型氙气路灯等。

按照光源分,钠灯占绝大比例,其次是LED灯,其余灯种类占比较小。

根据对包括所有直辖市、省会城市、计划单列市在内Ag81个重点城市的统计,智能监控仪的总数最多,已达21826点,分别是时控、光控和防盗监控点Ag3倍、6.8倍、9.2倍。

在城市道路照明监控系统使用情况中,“三遥”系统使用最为普遍,占64%;其次是“五遥”系统,占23%;“四遥”和GPRS系统分别占5%和8%。

二、路灯智能化演进存在的问题

监控管理方式相对粗放。传统的“三遥”系统只能实现回路级别的采集和控制,对单灯运行情况无法实时、准确监控,出现灯具故障无法及时反馈到监控中心,不能实现智能化监控和精细化管理。另外也不能对故障处理情况实时跟踪、分析,影响照明生产管理考核和决策判断。

能源消耗偏大。缺少灵活有效的节能控制手段,过度照明和照明不足的矛盾难以调和(即前半夜按照城市形象照度运行,后半夜采取节能照度运行),无法实现按需照明,从而在保障照明质量的前提下有效降低照明能耗。

运行维护效率低、成本偏高。现阶段的照明设施故障发现机制主要采用人工巡查模式,工作量巨大,还可能留有盲区,运维效率低,难以实现主动服务,保障服务质量;在维护过程中,对材料的采购也缺少科学依据,不适当的材料备货会造成资金占用,不能对材料进行精细化管理。

设施安全难以保障。缺少实时监管措施,照明电缆等设施频繁被盗或损坏,给照明管理部门造成直接的经济损失,严重影响城市照明的正常运行,同时带来安全隐患。设施资源缺乏有效管理。城市照明设施资源管理基本停留在人工台账时代,缺少信息化手段,设施资源数量不清、状态不明,不利于运维养护。

智能路灯的方案给路灯带来的好处显而易见,然而我国城市路灯仍以传统的非智能化的钠灯为主,智能化改造遇到的阻力很大:、1:LED路灯的成本较高。l2把钠灯换成LED灯,并智能化升级,全城改造要花费几个月时间。、3将钠灯更换成LED灯,节能不节钱,还增加了工作量,通常路灯维修需要三个人,一个开车、一个维修、一个现场维护。尽管已经取得了长足进步,但路灯用LED灯仍然存在缺陷,例如穿透性不够强,雾霾天气下难照亮;散射能力比钠灯差,照射范围小。

三、NB-IoT技术在智能路灯控制中的技术选择对比分析

当前主要采用组控方式,随着路灯对控制精细化要求的不断提高,以及智慧城市建设进程的不断加快,部分城市开始采用单控。智能路灯单控主要采用两跳和一跳系统,两跳通过FAN网络计算汇聚后再接入平台,一跳通过WAN直接与平台通信。

两跳:市政路灯管理以路段为单元,各路段配备配电柜供电。路段电气参数采集器与网关通常合一,部署在配电柜。在路灯杆上拓展需要进行边缘计算的应用,如W、安防监控、广告屏等。目前FAN网络主要采用PLC、ZigBee/RF技术。

一跳:单灯故障定位、单灯开关、调光不需要本地集中计算控制。离散扩展应用直接接入网络,无须本地进行集中计算控制。一跳网络使整个路灯网络更加简单,业务侧只需关注应用层标准,可快速接入不同厂商设备。

两跳方案分为PLC和Zigbee/RF技术两种,同时搭配GPRS技术,实现路灯控制。一跳方案主要为LoRa和NB—IoT两种,经过对比分析发现,一跳整个路灯网络简单,业务侧只需关注应用层标准,可快速接入不同厂商的设备,同时一跳中的NB-IoT技术更加优良。

目前在城市公共照明单灯智能化监控领域,电缆线载波通信是底层通信技术的主流方向,在实际应用中约占90%的比例;ZigBee技术也有一定应用,约占1O%的市场份额;其他技术则应用较少。在远程传输领域,目前大部分是利用GPRS技术,未来NB—IoT等技术将逐渐增多。

从成本角度看,NB—IoT的技术成本最低,其中包括建设成本、运行成本和年均成本等。从技术角度讲,NB—IoT更适合路灯控制,因为其覆盖较广、容量较大,通信质量有保障。

四、智能路灯NB-IoT拓展策略

4.1聚合

建立模范试点效应。联合路灯所、路灯厂家、终端系统解决方案商,运营商通过提供终端补贴,推动智能路灯厂商进行终端改造,打造NB—IoT示范应用工程。

推动路灯产业聚合。通过聚合模组供应商、路灯厂商、平台提供商、系统集成商、路灯管理等,搭建产业联盟,形成行业标准,降低智能路灯制造、智能芯片模组等成本,聚力推动路灯行业成熟,以低资费吸引用户使用,短时间快速扩大路灯使用规模。

4.2争取主动权

以管道为基础,大力推广平台层内容,让路灯在智能化的基础上成为智慧城市和智能交通等的载体。应利用运营商资源优势,推广宣传示范成果,抢占先机,争夺智能路灯平台话语权。

4.3开阔思路,丰富服务内容

利用路灯的独特优势,结合NB—IoT技术特点,扩展路灯服务。比如,将路灯变成环境气象站,在智能网关上增加PM2.5、温湿度等传感器,在路灯载体上播报当地气象、环境等城市综合信息。

五、智能路灯的NB-IoT技术监控系统

道路照明是人们生活中不可缺少的道路交通安全设施.传统的道路照明采取集中供电(夜晚点亮、白天关闭)的固定管理模式,存在诸多弊端:(1)不能根据周围的人车流量、天气的变化来调节路灯亮度;(2)不能远程设定亮灯模式和修订参数;(3)不能自动报故障和定位故障的具体地点.为了节约电能、方便人们出行,有必要对传统的路灯控制系统进行升级改造.窄带物联网(NarrowBandInternetofThings,简称NB-IoT)技术已成为万物互联网络的一个重要分支,是基于蜂窝网络,由3GPP组织所制定的通信技术,利用授权的GSM和LTE频段,使用现有的4G基站和相关设备,不需重新构建网络.NB-IoT技术具有如下优点:(1)广覆盖.依托三大运营商的网络实现全国覆盖.(2)深层次覆盖.(3)低功耗.基于这些优点,可将NB-IoT技术应用到路灯监控系统中,对路灯的运行状态及其相关设备进行监控,实现高效智能化、科学化的管理.将NB-IoT技术应用到智能路灯监控系统中,使每一盏路灯都接入网络,且都有唯一的ID识别码.这样,系统就能对路灯进行实时的监控管理,有效地提高系统运行的效率,节约电能,满足智慧城镇发展和建设的要求.

5.1智能路灯监控系统的网络架构

基于NB-IoT技术的智能路灯监控系统包括感知层、网络层和应用层.感知层由单独的路灯控制模块和NB-IoT终端构成.道路上的每个路灯都安装1个路灯控制模块,路灯控制模块管理路灯的开关、负责数据信息的采集和监控路灯的运行状态,它通过NB-IoT网络与NB-IoT终端进行无线通信;NB-IoT终端将路灯控制模块采集的数据信息上传到NB-IoT基站,将应用层中的手机或监控中心的管理命令下达到路灯控制模块,对感知层的路灯进行管理和监控.网路层由NB-IoT基站和Internet网络构成.Inter-net网络主要应用4G的LTE平台,将感知层的数据信息实时地传送到应用层,同时将应用层的控制命令传送到感知层.智能路灯监控系统网络架构如图1所示.

图 1 智 能路灯监控系统的 网络架构框图

5.2系统硬件设计

(1)路灯控制模块:路灯控制模块结构框图如图2所示.路灯控制模块是感知层的核心部件,对路灯的现场进行监控和管理,主要由微控制器、NB-IoT模组、GPS定位单元、信息采集模组、检测电路和驱动电路构成.每个路灯控制模块设置唯一的ID码,便于识别不同的路灯.GPS定位单元能够定位路灯的具体位置,为路灯的监控和检修提供详细的地址.NB-IoT模组实现路灯控制模块与NB-IoT终端的通信.路灯控制模块通过NB-IoT模组将信息采集模组采集的路灯现场数据信息发送到NB-IoT终端,同时接收应用层通过NB-IoT终端传递的各种控制命令.信息采集模组主要由温湿度传感器、光照传感器、车流量传感器和热释电红外传感器构成.温湿度传感器采集周围环境的温度和湿度,光照传感器采集光照的强度,车流量传感器采集道路上的车流量,热释电红外传感器采集道路上的行人流量.检测电路检测系统供电的电能质量、路灯的电压及电流和路灯的运行状态,驱动电路用于控制路灯的开关和亮度调节.

图 2 路灯控制模块结构框图

(2)NB-IoT终端:NB-IoT终端采用工业级32位的ARM9系列芯片,以嵌入式实时操作系统为支撑,可以大容量地接入路灯控制模块,通过无线的方式与路灯控制模块进行信息通信.同时备有有线RS485和RS232串口通信,接收路灯控制模块采集的数据信息和路灯运行的状态参数,传递监控中心下达的控制命令.根据路灯的数量和系统实际控制的需求,通过计算分析,合理地规划NB-IoT终端数量和布置地点,使每个NB-IoT终端都能与接入它的路灯控制模块进行双向通信.

(3)NB-IoT基站:由于4G通信网络基站分布较多,信号覆盖范围广,利用现有的4G通信基站规划架设NB-IoT网络基站,可使信号覆盖范围更广,传输能力更强.NB-IoT基站部署在现有的基站上,路灯现场数据信息通过三大运营商的4G网络实现有线远距离传输,被传送到监控中心,同时,NB-IoT基站将所接收的监控中心的控制命令下达到路灯控制模块.

5.3监控中心软件设计

监控系统应用层主要由移动手机、监控中心和报警装置构成.监控中心是应用层的核心,是感知层处理数据、管理状态、处理故障和管理能耗的人机交互的平台.通过移动手机上的监控APP,工作人员可以随时随地监测和管理路灯的运行.

监控中心是工作人员和远程监控系统的人机交互窗口,可以直接反映整个系统数据采集的情况和路灯运行的状态,因此其设计必须满足控制的要求,还要兼顾整个系统的实时性、可操作性和稳定性.监控中心软件的功能模块框图如图3所示.数据处理实现数据的采集、存储、查询和报表的输出打印.数据采集主要采集温湿度、光照强度、车流量、人流量,以及路灯的电压、电流、功率等参数;数据存储主要存储现场的数据信息;数据查询可以快速查询历史数据.状态管理实现系统参数的设置、路灯控制模式的设定、路灯模式的设定、路灯调光模式的设定和运行状态的查询.路灯控制模式可以采用自动控制模式、经纬度模式、节假日模式和临时模式等;路灯模式可以针对不同的单个路灯、某一路段的路灯和某一区域的路灯进行设定;路灯调光模式可以根据车流量和人流量自动地开启相关路灯,还可以根据时间段设定不同百分比的PWM开关路灯,或根据采集的自然环境信息实现全开、半开或全关路灯.故障处理实现故障的自动监测、故障位置信息的锁定和自动报警,并以短信的形式通知工作人员.能耗管理实现远程抄表、各路段和系统的能耗统计,能耗可以按照时间生成曲线报表,供工作人员分析.

图3 监控中心软件的功能模块框图

总结

设计了一套基于NB-IoT技术的智能路灯监控系统,该系统利用路灯控制模块采集现场数据信息,再利用NB-IoT终端将现场数据通过无线网络传输到网络层.网络层利用NB-IoT基站和4G网络实现数据信息的上传与控制命令的下达.基于NB-IoT技术的智能路灯监控系统实现了数据处理、状态管理、故障处理和能耗管理等4大功能,符合物联网路灯控制系统的实时性、自动化和物物互联的需求,提升了路灯照明监控系统的智能化,提高了系统的管理水平和技术服务水平,能为建设节能环保型的绿色城镇发挥作用.

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