基于 NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)的路燈智能控制與故障診斷系統(tǒng)

　　根據(jù)《中國(guó)路燈現(xiàn)狀與未來發(fā)展分析》，2010 年，中國(guó)具有路燈2700 萬盞，按照 10-15%的年增長(zhǎng)，2017 年底應(yīng)該具有 4000 萬盞路燈。

全國(guó)主要城市 2016年底路燈數(shù)量和廣東省路燈數(shù)量情況統(tǒng)計(jì)表

　　路燈作為公共服務(wù)資源，不僅僅具有照明功能，還承載著交通安全、治安監(jiān)控安全保障的作用。所以越來越多的城市開始對(duì)路燈進(jìn)行智能化升級(jí)，全國(guó)大部分城市路燈的開關(guān)燈主要以配電柜為管控單元， 配電柜內(nèi)安裝定時(shí)開關(guān)、經(jīng)緯儀開關(guān)等，每組配電柜分別管理 50-200 盞路燈。但是路燈巡查主要靠人查、車查。這種方式的缺點(diǎn)：

　　1)無法對(duì)單燈進(jìn)行控制;

　　2)無法調(diào)整單燈的亮度，不能有效的節(jié)能;

　　3)巡查效率低，不能對(duì)單燈進(jìn)行監(jiān)控;

　　4)故障出現(xiàn)時(shí)，不能遠(yuǎn)程快速進(jìn)行診斷;

　　5)資產(chǎn)管理方式粗放，不夠精準(zhǔn);

　　隨著 LED 路燈節(jié)能量的提高，智能控制系統(tǒng)的節(jié)能空間越來越小， 而路燈管理部門真正需求的是：科學(xué)化和智能化的管理，提高工作效率，保證亮燈率。

　　一、智能路燈控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

　　隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快與互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)應(yīng)用到各行 各業(yè)，萬物互聯(lián)。同時(shí)隨著 LED 技術(shù)的進(jìn)步和廣泛應(yīng)用，基于互聯(lián)網(wǎng)的智能路燈應(yīng)運(yùn)而生，這些智能路燈的互聯(lián)方式有三種典型類型：PLC

　　(電力線通信)、ZigBee/SigFox/LoRa(小無線)、2G(GPRS)。這三種類型的通信方式，在高效、安全、可靠和開放四個(gè)方面均存在不足。

　　1、PLC 方式：PLC 是較早的物聯(lián)技術(shù)，存在難以突破的技術(shù)瓶頸，即難跨越配電柜來擴(kuò)大集中控制器的控制范圍。需自行建網(wǎng);存在較 多諧波，信號(hào)衰減快，信號(hào)不穩(wěn)定，可靠性差;控制器采用簡(jiǎn)易的信 息防護(hù)機(jī)制，難以適應(yīng)隨處分布的路燈環(huán)境，安全性差;

　　2、ZigBee/SigFox/LoRa：使用公用免費(fèi)頻譜，經(jīng)常受到 WiFi、企業(yè)無線專網(wǎng)或其它免費(fèi)頻譜的“互聯(lián)”信號(hào)的同頻干擾，信號(hào)很不可靠;

　　ZigBee/SigFox/LoRa 設(shè)備的發(fā)射功率是受限制的，覆蓋也較差;與 PLC

　　一樣，需自行建網(wǎng)、自行維護(hù)，不便捷、低效;由于 ZigBee/SigFox/LoRa

　　多為私有協(xié)議，如 LoRa 的協(xié)議為SEMTECH、IBM 和actility 三家私有，

　　LoRa 芯片僅由 SEMTECH 生產(chǎn)，在標(biāo)準(zhǔn)開放性上很多限制。

　　3、2G(GPRS)：最大的問題是 2G 已在退網(wǎng)中。

　　二、NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

　　隨著智慧城市、大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，無線通信將實(shí)現(xiàn)萬物連接。 目前大量物與物的聯(lián)接 大多通過藍(lán)牙、Wi-Fi 等短距通信技術(shù)承載， 而非運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)成為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支。NB-IoT 構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約 180KHz 的帶寬，可直接部署于 GSM 網(wǎng)絡(luò)、UMTS 網(wǎng)絡(luò)或 LTE 網(wǎng)絡(luò)。NB-IoT 從 4G 演進(jìn)而來，是專為規(guī)模聯(lián)接而生的物聯(lián)技術(shù)，快速實(shí)現(xiàn)規(guī)模化“互聯(lián)”，主要價(jià)值體現(xiàn)在：免自建網(wǎng)、免自維護(hù);可靠性高;全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，并支持向 5G 平滑演進(jìn)。

　　三、基于 NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)的路燈智能控制及故障診斷系統(tǒng)

　　1、通信組網(wǎng)方式

　　考慮到 PLC(電力線通信)、ZigBee/SigFox/LoRa(小無線)、2G(GPRS)的通信缺點(diǎn)，并結(jié)合路燈應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，NB-IoT 在高效、可靠、安全和開放四個(gè)方面全面占優(yōu)，而且 NB-IoT 覆蓋更廣，在同樣的頻段下， NB-IOT 比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)增益 20dB，覆蓋面積擴(kuò)大 100 倍，是智能路燈的最佳“互聯(lián)”方案。

　　電力線載波或者 Zigbee 等通信方式的組網(wǎng)：?jiǎn)螣艨刂破?集中控制器+基站+Internet。單燈控制器與集中控制器進(jìn)行通信，集中控制 器通過基站連接 Internet。某個(gè)單燈控制器出現(xiàn)故障，將無法實(shí)現(xiàn)此

　　控制器的通信，如果集中控制器出現(xiàn)故障，那么集中控制器管轄的范 圍內(nèi)的所有單燈控制器將無法實(shí)現(xiàn)通信。

　　圖：電力線載波或者 Zigbee 等通信方式的智能路燈復(fù)雜組網(wǎng)

　　圖、NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)智能路燈組網(wǎng)圖

　　NB-IoT 路燈智能控制系統(tǒng)自組網(wǎng)。每個(gè)單燈控制器自行與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)組網(wǎng)通信，所以不需要“集中控制器”、“服務(wù)器”等;即使某一個(gè) 單燈控制器出現(xiàn)故障，不影響其他單燈控制器的通信。

　　2、故障診斷功能

　　如采用 PLC(電力線通信)、ZigBee/SigFox/LoRa(小無線)、2G(GPRS)

　　三種通信方式，在單燈不亮?xí)r，最多可以做到故障定位，即可以知道 具體哪個(gè)燈沒有亮。但是路燈管理部門需要更進(jìn)一步的智能化，需要 及時(shí)了解故障的原因，比如電纜壞損、驅(qū)動(dòng)電源壞損、光源壞損。而 上述三種通信方式無法實(shí)現(xiàn)。

　　1)電力線載波或者 Zigbee 等通信方式的智能路燈線路連接圖

　　市電接入驅(qū)動(dòng)電源“AC 輸入”，驅(qū)動(dòng)電源“DC 輸出”接入控制器的“DC 輸入”，控制器的“DC 輸出”接入 LED 光源的“DC 輸入”。控制器的“信號(hào)輸出”接入驅(qū)動(dòng)電源的“信號(hào)輸入”。

　　即：控制器由驅(qū)動(dòng)電源供電。如果市電電纜或驅(qū)動(dòng)電源壞損而無 法供電，控制器將無法工作，也就無法診斷具體的故障原因。這種控 制系統(tǒng)更多的主要是節(jié)能控制，而非管理和診斷。

　　2)NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)智能路燈線路連接圖

　　220V 市電接入控制器的“AC 輸入”;控制器的“AC 輸出”接入驅(qū)動(dòng)電源的“AC 輸入”;驅(qū)動(dòng)電源的“DC 輸出”接入控制器的“DC輸入”;控制器的“信號(hào)輸出”接入驅(qū)動(dòng)電源的“信號(hào)輸入”。

　　A、路燈正常工作時(shí)，當(dāng)單燈處市電沒有供電，控制器內(nèi)檢測(cè)芯 片即可檢測(cè)出交流端電壓和電流的變化，診斷出故障，給出的故障信 號(hào)是“電纜故障”。

　　B、當(dāng)單燈處市電正常供電，而驅(qū)動(dòng)電源沒有工作，控制器內(nèi)的 檢測(cè)芯片即可檢測(cè)出驅(qū)動(dòng)電源電壓和電流的變化，診斷出驅(qū)動(dòng)電源無輸出，給出的故障信號(hào)是“驅(qū)動(dòng)電源故障”;

　　C、當(dāng)市電和驅(qū)動(dòng)電源均正常工作，而驅(qū)動(dòng)電源輸出電流的為“0”，即可檢測(cè)出光源故障，給出的故障信號(hào)是“光源故障”。

　　即：控制器是由市電供電，只要市電有電，就可以診斷驅(qū)動(dòng)電源 和光源的故障。

　　實(shí)現(xiàn)路燈故障診斷可以幫助客戶：

　　實(shí)現(xiàn)路燈故障診斷可以幫助客戶：遠(yuǎn)程第一時(shí)間了解故障位置-故障定位;由于進(jìn)行了三級(jí)故障診斷，使維修更具有針對(duì)性，從而提高維修效率;進(jìn)行故障責(zé)任劃分;

　　3)不間斷雙供電系統(tǒng)

　　如果市電無法供電，控制器將無法工作，這時(shí)只能做故障定位，而無法實(shí)現(xiàn)故障診斷。

　　真正實(shí)現(xiàn)三級(jí)故障診斷(電纜故障、驅(qū)動(dòng)電源故障、光源故障)，需要在市電無法供電市時(shí)繼續(xù)工作。最有效的技術(shù)方案就是采取雙供電系統(tǒng)。即在控制內(nèi)增加另外供電模塊。具體如圖。

　　路燈電源模塊，所述路燈電源模塊的輸入端通過導(dǎo)線與市電連接;

　　取電電路，所述取電電路的輸入端與所述路燈電源模塊的輸出端電性連接，取電電路的第一輸出端與路燈燈管的輸入端電性連接，取電電路的第二輸出端與路燈監(jiān)控系統(tǒng)的第一輸入端電性連接;

　　蓄電模塊(鋰電池)，所述蓄電模塊的輸入端與取電電路的第三8 / 9

　　輸出端電性連接，蓄電模塊的輸出端與路燈監(jiān)控系統(tǒng)的第二輸入端電性連接;

　　控制模塊，當(dāng)接入市電時(shí)，所述控制模塊控制所述取電電路對(duì)蓄電模塊進(jìn)行充電，且控制所述蓄電模塊不輸出電能;當(dāng)不接入市電時(shí)，控制模塊控制所述蓄電模塊對(duì)路燈監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行供電。

　　小結(jié)：沒有實(shí)現(xiàn)雙供電的智能控制系統(tǒng)，是無法完整的對(duì)電纜工作狀態(tài)、驅(qū)動(dòng)電源工作狀態(tài)、LED光源的工作狀態(tài)，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和完整地故障診斷。

　　3、智能節(jié)能控制

　　控制器通過控制驅(qū)動(dòng)電源1-5V調(diào)光對(duì)LED路燈進(jìn)行調(diào)光。用戶在實(shí)際的應(yīng)用中，可以定時(shí)的設(shè)置LED光源的工作功率范圍，也可以實(shí)時(shí)的設(shè)置LED光源的工作功率范圍，從而實(shí)現(xiàn)更加人性化的節(jié)能。也可以精準(zhǔn)的單燈控制，為了保證交通安全和治安安全，比如十字路口、監(jiān)控?cái)z像頭附近的路燈不進(jìn)行節(jié)能調(diào)節(jié)。

　　4、功能拓展

　　NB-IoT強(qiáng)大、穩(wěn)定的通信功能，為智慧城市的提供了通信保證，所以，借助NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)的路燈智能控制系統(tǒng)，可以拓展很多功能。可以拓展的功能。

　　綜述，基于NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)的路燈智能控制及故障診斷系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)。

　　1)采用NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)通信方案，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定;

　　2)自組網(wǎng)。每個(gè)單燈控制器自行與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)組網(wǎng)通信，所以不需要“集中控制器”、“服務(wù)器”等;

　　3)單燈控制器采用雙供電系統(tǒng)，即使市電線纜沒有供電也能正常工作;

　　4)實(shí)現(xiàn)單燈遠(yuǎn)程功率調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)更人性化的節(jié)能;

　　5)實(shí)現(xiàn)故障定位功能，實(shí)時(shí)確定故障位置;

　　6)故障診斷。單燈不亮?xí)r，由于采用雙供電系統(tǒng)，即使市電沒有供電的情況下，也能第一時(shí)間診斷原因，如線纜故障、驅(qū)動(dòng)電源故障、光源故障;

　　7)具有很廣的功能拓展性。