安科瑞 繆凱倫

摘(zhai)要(yao)：路(lu)(lu)燈是城市中重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)照(zhao)(zhao)明設施(shi)，也是城市中耗(hao)(hao)電(dian)量(liang)相當大的(de)(de)(de)設施(shi)，傳(chuan)統的(de)(de)(de)路(lu)(lu)燈照(zhao)(zhao)明管理(li)方式無法實(shi)現按照(zhao)(zhao)天(tian)氣狀(zhuang)況靈活地調節(jie)路(lu)(lu)燈的(de)(de)(de)照(zhao)(zhao)明時間和(he)亮度，造成了很大的(de)(de)(de)電(dian)能浪(lang)費。而物聯網技(ji)術(shu)可(ke)以實(shi)現將路(lu)(lu)燈連接到網絡中統一進(jin)行管理(li)，可(ke)以實(shi)現根據天(tian)氣狀(zhuang)態實(shi)時控制(zhi)路(lu)(lu)燈的(de)(de)(de)照(zhao)(zhao)明狀(zhuang)態，從而節(jie)省路(lu)(lu)燈耗(hao)(hao)電(dian)。而本(ben)文就對基于NB-IOT 技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)智能路(lu)(lu)燈照(zhao)(zhao)明控制(zhi)系(xi)統進(jin)行了研究。

關鍵詞：路燈(deng)照(zhao)明；智能(neng)照(zhao)明控制系統；照(zhao)明節(jie)能(neng)

0.引言

隨著現代城(cheng)(cheng)市(shi)(shi)(shi)規模的(de)(de)擴大和(he)城(cheng)(cheng)市(shi)(shi)(shi)居民對生活水平的(de)(de)提(ti)升，城(cheng)(cheng)市(shi)(shi)(shi)中的(de)(de)路(lu)(lu)(lu)燈數量也(ye)越來越多，而(er)(er)傳統的(de)(de)粗放(fang)式的(de)(de)路(lu)(lu)(lu)燈管理(li)不僅維護效(xiao)率低(di)，也(ye)難(nan)以(yi)實現對路(lu)(lu)(lu)燈的(de)(de)靈活控制(zhi)。路(lu)(lu)(lu)燈損壞 和(he)白天(tian)耗電等問(wen)題(ti)在我(wo)國城(cheng)(cheng)市(shi)(shi)(shi)中屢見不鮮。而(er)(er)現代物聯網技術的(de)(de)發(fa)展使得(de)智(zhi)(zhi)慧城(cheng)(cheng)市(shi)(shi)(shi)的(de)(de)建(jian)設進程(cheng)進一步加快，路(lu)(lu)(lu)燈作為城(cheng)(cheng)市(shi)(shi)(shi)中的(de)(de)重(zhong)要(yao)設施，結合(he)物聯網技術進行控制(zhi)可以(yi)顯著提(ti)升路(lu)(lu)(lu)燈管理(li)效(xiao)率。因此，對路(lu)(lu)(lu)燈智(zhi)(zhi)能(neng)照(zhao)明系統進行研究對于推動智(zhi)(zhi)慧城(cheng)(cheng)市(shi)(shi)(shi)的(de)(de)建(jian)設和(he)促(cu)進節能(neng)環(huan)保(bao)具有重(zhong)要(yao)意(yi)義(yi)。

1.智(zhi)能(neng)路燈中使用NB-IOT技(ji)術的優勢

智能路(lu)燈照明系統需要采(cai)用(yong)(yong)端(duan)到端(duan)的連接方式(shi)，倘若采(cai)用(yong)(yong)傳(chuan)統的LTE技術連接，則(ze)需要同運營商端(duan)進行(xing)部(bu)署，部(bu)署的成本(ben)相對更高。此(ci)外，LTE網絡雖然帶(dai)寬(kuan)更大(da)，但其受影響也

較大，容易(yi)出現網(wang)(wang)(wang)絡(luo)(luo)波動導致的(de)丟包(bao)問題(ti)。而(er)智能路(lu)燈對網(wang)(wang)(wang)絡(luo)(luo)的(de)要求則(ze)是較低的(de)延遲，對帶寬則(ze)并不敏感(gan)。而(er)NB-IOT網(wang)(wang)(wang)絡(luo)(luo)可以利用(yong)運營(ying)商(shang)的(de)網(wang)(wang)(wang)絡(luo)(luo)搭建，并且其具(ju)備(bei)物聯網(wang)(wang)(wang)技(ji)術中的(de)抗(kang)

干(gan)擾、低延遲(chi)和安全(quan)等優(you)勢。因此(ci)非常適(shi)合用于(yu)智能(neng)路燈的(de)(de)(de)(de)部署中。對(dui)于(yu)路燈數量(liang)非常多的(de)(de)(de)(de)大型城市來(lai)說，NB-IOT具備(bei)部署范圍廣和可靠性更強的(de)(de)(de)(de)技(ji)術優(you)勢。適(shi)合用于(yu)大量(liang)路燈的(de)(de)(de)(de)端對(dui)端連(lian)接。同時，NB-IOT技(ji)術借助運營商網絡進行搭(da)建，可以有效(xiao)解決(jue)大規模部署的(de)(de)(de)(de)問(wen)題。

在降(jiang)低部署成本的同時提(ti)升(sheng)網絡的可靠(kao)性。

2.系統整體結構

系統屬于分層(ceng)式結構，從上至(zhi)下為管(guan)理(li)(li)層(ceng)、傳(chuan)輸層(ceng)和監控(kong)層(ceng)。其中，管(guan)理(li)(li)層(ceng)與傳(chuan)輸層(ceng)的連(lian)接(jie)方式采用(yong)NB-IOT 技術，這是考慮到城市(shi)中路燈數(shu)量過(guo)多可能導(dao)致連(lian)接(jie)丟包問(wen)題所(suo)采用(yong)

的(de)(de)。路燈(deng)內安裝有(you)監(jian)(jian)控(kong)終端，每(mei)個監(jian)(jian)控(kong)終端與路燈(deng)共同組成(cheng)受上(shang)層(ceng)控(kong)制的(de)(de)智慧路燈(deng)，并具備(bei)(bei)設(she)備(bei)(bei)識別碼，監(jian)(jian)控(kong)終端可將(jiang)路燈(deng)的(de)(de)工作數(shu)據傳送到管(guan)理層(ceng)。并接收來自管(guan)理層(ceng)的(de)(de)指令

控制(zhi)路燈工(gong)作，但由于NB-IOT 技術屬于非實(shi)時性通信技術。因此在NB-IOT之(zhi)外(wai)采用CoAP

技術(shu)作(zuo)為輔助(zhu)，提(ti)供信(xin)息重傳和驗證機制(zhi)。防(fang)止因丟包導(dao)致的(de)(de)失(shi)控(kong)問題。監(jian)控(kong)終(zhong)(zhong)端(duan)不僅可(ke)以(yi)控(kong)制(zhi)路燈(deng)的(de)(de)工(gong)作(zuo)，也(ye)可(ke)以(yi)監(jian)控(kong)路燈(deng)的(de)(de)運(yun)行狀態。當路燈(deng)出現(xian)故(gu)(gu)障時(shi)，監(jian)控(kong)終(zhong)(zhong)端(duan)可(ke)將路燈(deng)的(de)(de)故(gu)(gu)障信(xin)息傳送到(dao)服(fu)務器中。由(you)服(fu)務器將故(gu)(gu)障的(de)(de)路燈(deng)的(de)(de)位置、故(gu)(gu)障信(xin)息和故(gu)(gu)障時(shi)間等數(shu)據發(fa)送給維(wei)修工(gong)人(ren)，以(yi)便及時(shi)的(de)(de)進行維(wei)修。

3.系統硬件設計

整個智能路(lu)燈(deng)控(kong)(kong)(kong)制系統中關鍵(jian)的(de)是與路(lu)燈(deng)連接的(de)監(jian)(jian)控(kong)(kong)(kong)終端，監(jian)(jian)控(kong)(kong)(kong)終端上與服務器連接、下控(kong)(kong)(kong)制路(lu)燈(deng)的(de)工作，也是智能路(lu)燈(deng)中重要的(de)裝置，為實現(xian)監(jian)(jian)控(kong)(kong)(kong)終端的(de)穩(wen)定性(xing)和(he)設計(ji)的(de)簡易性(xing)，本文中所用的(de)監(jian)(jian)控(kong)(kong)(kong)終端采用模塊化設計(ji)，主要由(you)電量(liang)采集和(he)數(shu)據管理量(liang)大模塊組(zu)成，確(que)保系統的(de)穩(wen)定工作。

3.1 數據采集模(mo)塊

數據采集模塊為(wei)簡易的微型計(ji)算機(ji)，其處理(li)器(qi)部分為(wei)ARM架構的Cortex-M3 RISC芯片，

該芯片(pian)的頻(pin)率為(wei)72MHz，內部含有512K DRAM和(he)64K SRAM，該芯片(pian)的工作范圍-40-100℃，

具有兩條(tiao)APB總(zong)線(xian)，可以連接通(tong)用的(de)多種外設(she)，其(qi)性能(neng)滿足本文中智(zhi)能(neng)路(lu)(lu)燈(deng)控制系統(tong)監控終端的(de)需求，除處(chu)理器外，監控終端的(de)外圍硬件包括電量采(cai)集(ji)模塊(kuai)、路(lu)(lu)燈(deng)狀(zhuang)態采(cai)集(ji)模塊(kuai)、故障信息、采(cai)集(ji)模塊(kuai)等。

該模(mo)塊(kuai)包含的(de)功(gong)能有：

（1）數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)：數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)是對(dui)路(lu)燈(deng)(deng)所在環境的(de)亮(liang)度(du)(du)、照度(du)(du)、溫度(du)(du)、濕度(du)(du)等(deng)指(zhi)標(biao)進行檢測的(de)模塊，由光敏電阻和溫度(du)(du)傳(chuan)(chuan)感器(qi)以(yi)及濕度(du)(du)傳(chuan)(chuan)感器(qi)等(deng)構成。這(zhe)些指(zhi)標(biao)是決(jue)定路(lu)燈(deng)(deng)亮(liang)度(du)(du)的(de)關鍵指(zhi)標(biao)，監控終端將(jiang)(jiang)這(zhe)些數(shu)據(ju)返回(hui)到服務器(qi)后(hou)，由服務器(qi)按照特定的(de)程序(xu)對(dui)路(lu)燈(deng)(deng)的(de)亮(liang)度(du)(du)進行計算后(hou)向對(dui)應的(de)監控終端發送指(zhi)令，實(shi)現根據(ju)環境實(shi)時(shi)(shi)(shi)調節(jie)路(lu)燈(deng)(deng)的(de)亮(liang)度(du)(du)。同時(shi)(shi)(shi)，GPS定位模塊可以(yi)在路(lu)燈(deng)(deng)出現故障時(shi)(shi)(shi)將(jiang)(jiang)路(lu)燈(deng)(deng)的(de)具體位置發送到維修(xiu)人員(yuan)處，方便維修(xiu)人員(yuan)迅速前往現場進行維修(xiu)。

（2）臨時(shi)存(cun)儲(chu):監(jian)(jian)控(kong)(kong)終端需(xu)要將收(shou)集到(dao)的數據上傳到(dao)服(fu)務器(qi)中(zhong),發(fa)送(song)的速率為230bit/s,但當網絡(luo)連接不穩定時(shi),監(jian)(jian)控(kong)(kong)終端可臨時(shi)將數據存(cun)儲(chu)在(zai)SD卡(ka)或FLASH閃存(cun)中(zhong),等到(dao)網絡(luo)正常時(shi)再次嘗試傳輸數據,防(fang)止因傳輸不及時(shi)造(zao)成數據丟失(shi), 通過本地存(cun)儲(chu)器(qi)存(cun)儲(chu)數據的另一個點優勢在(zai)于(yu)當維修人(ren)員需(xu)要獲取路(lu)燈(deng)的狀(zhuang)態數據時(shi)，僅需(xu)要將路(lu)燈(deng)監(jian)(jian)控(kong)(kong)終端中(zhong)的數據進行導出即可，更加(jia)方便(bian)快(kuai)捷。

3.2終端電量管理

電(dian)(dian)(dian)量管(guan)(guan)理(li)是整個智能(neng)路(lu)(lu)燈照明系(xi)統的核心硬件(jian)，其通過電(dian)(dian)(dian)源(yuan)管(guan)(guan)理(li)芯片，可(ke)以實現(xian)對電(dian)(dian)(dian)量指(zhi)標的檢測，如剩(sheng)余(yu)電(dian)(dian)(dian)量、充電(dian)(dian)(dian)狀態(tai)、電(dian)(dian)(dian)池電(dian)(dian)(dian)壓、電(dian)(dian)(dian)池溫度等。同時(shi)還(huan)可(ke)以檢測路(lu)(lu)燈電(dian)(dian)(dian)路(lu)(lu)中(zhong)的短路(lu)(lu)或斷(duan)路(lu)(lu)事件(jian)。

對(dui)于電(dian)量管理芯片來說，想要獲得盡可能準(zhun)確的(de)路(lu)燈電(dian)量信(xin)息的(de)前(qian)提是對(dui)路(lu)燈的(de)充放電(dian)周期進行學(xue)習(xi)，學(xue)習(xi)的(de)方式如下：

為電(dian)(dian)(dian)量管理模塊進(jin)行(xing)充放(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)學習的(de)過(guo)程，首先從電(dian)(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)(dian)量半(ban)滿的(de)狀(zhuang)態(tai)開始，對(dui)電(dian)(dian)(dian)池(chi)充電(dian)(dian)(dian)至電(dian)(dian)(dian)壓(ya)管理軟件檢測到電(dian)(dian)(dian)池(chi)以充滿后，對(dui)電(dian)(dian)(dian)池(chi)進(jin)行(xing)放(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)。此(ci)時再次使用電(dian)(dian)(dian)壓(ya)管理軟件對(dui)電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)狀(zhuang)態(tai)進(jin)行(xing)測量，通(tong)過(guo)兩次充放(fang)(fang)電(dian)(dian)(dian)狀(zhuang)態(tai)和通(tong)過(guo)電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)電(dian)(dian)(dian)荷量計算出電(dian)(dian)(dian)池(chi)的(de)容量。

4.安科(ke)瑞為路(lu)燈智能照明控(kong)制系統提供方案

4.1安科瑞智能照明監控系(xi)統采用(yong)分(fen)層(ceng)(ceng)分(fen)布式結(jie)構(gou)，即站控層(ceng)(ceng)，通訊層(ceng)(ceng)與(yu)間隔層(ceng)(ceng)； 如圖（1）所(suo)示：

圖（1）網絡拓撲圖

間(jian)隔(ge)設(she)備層主要為：開關驅動(dong)器，這(zhe)些(xie)(xie)裝(zhuang)置分別對應相應的一次(ci)設(she)備安裝(zhuang)在電氣柜內，這(zhe)些(xie)(xie)裝(zhuang)置均通過現(xian)場KNX總線(xian)組網通訊，實現(xian)數(shu)據現(xian)場采集(ji)。

網絡通訊層主要為(wei)：智能(neng)照(zhao)明網關，其主要功能(neng)為(wei)把分散在現場采集(ji)裝(zhuang)置集(ji)中控制(zhi)，同時(shi)遠傳至站控層，完(wan)成現場層和站控層之間的數據交互(hu)。

站(zhan)控管理層：設有高性能工(gong)業計算(suan)機(ji)、顯(xian)(xian)示(shi)器(qi)、UPS電源、打印機(ji)等設備(bei)。監控系統安裝在計算(suan)機(ji)上(shang)，集中采集顯(xian)(xian)示(shi)現(xian)場設備(bei)運行狀況，以(yi)人機(ji)交互的形式顯(xian)(xian)示(shi)給用戶。 以(yi)上(shang)開(kai)關(guan)模塊均采用KNX總線傳輸，一般(ban)都采用4根連線，接線簡(jian)單方便(bian)，傳輸距離可達1.2km。

4.2安科(ke)瑞智能照(zhao)明系統組成

1.定時控制

通過時鐘(zhong)管理器，實現(xian)整個系統的有關區域照明(ming)的定(ding)時和(he)自動管理功(gong)能，實現(xian)公共通道、景(jing)觀照明(ming)、泛光照明(ming)、車庫(ku)照明(ming)定(ding)時控(kong)制(zhi)。如百葉(xie)窗定(ding)時升降、集中供熱(re)定(ding)時調節、節假日照明(ming)定(ding)時關閉、定(ding)時通知等。

2.場景控制

智能照明控制系統根(gen)據各個(ge)部門的需(xu)求，設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(hua)工作環境的效果；結(jie)合人(ren)體感應傳感器，當人(ren)員離開時，關閉所(suo)有該會議(yi)室照明。

3.實時監控

中(zhong)心控制(zhi)(zhi)室(shi)，配置(zhi)一臺中(zhong)控主機，所有照明(ming)控制(zhi)(zhi)設備，通(tong)過KNX網關，接入(ru)監控系(xi)統(tong)，操作管理人員(yuan)，可(ke)(ke)以通(tong)過中(zhong)控電(dian)腦(nao)，實時監視總(zong)線、區(qu)域、樓層、樓棟等照明(ming)狀態，并可(ke)(ke)根(gen)據需(xu)求進行(xing)控制(zhi)(zhi)調整。系(xi)統(tong)繪圖(tu)(tu)工具支持(chi)向量圖(tu)(tu)和多層頁(ye)面(mian)，圖(tu)(tu)形頁(ye)面(mian)縮放方便，切換簡單，支持(chi)DXF、WMF、BMP、JPG、ICON等圖(tu)(tu)形對象(xiang)的(de)嵌入(ru)、支持(chi)二維(wei)(wei)、三(san)維(wei)(wei)圖(tu)(tu)元的(de)繪制(zhi)(zhi)，增加(jia)可(ke)(ke)視化(hua)的(de)空間效果。

4.報警處理

系統提供了警報處(chu)理能力，用戶(hu)可采用編程(cheng)來完成(cheng)不同的(de)任務，當某種警報條件出現時應做什么，可由用戶(hu)自行確定。

5.事(shi)件(jian)(jian)通報(bao) 系統(tong)提供(gong)了事(shi)件(jian)(jian)通報(bao)功能(neng)，支持郵件(jian)(jian)通報(bao)、文本輸出以及事(shi)件(jian)(jian)驅動打(da)印，可按照用戶預先(xian)設(she)置的(de)條件(jian)(jian)，觸發事(shi)件(jian)(jian)通報(bao)功能(neng)。

4.3設備選型

5.結束語

本文(wen)對智能路燈照明(ming)系統進行了研(yan)(yan)究，采用NB-IOT技術搭建了云端控制(zhi)的(de)智能路燈網絡，并(bing)對其中的(de)關鍵技術點進行了研(yan)(yan)究，期待本文(wen)的(de)研(yan)(yan)究成果(guo)能夠為我國城市路的(de)建設提供參考。