北斗时钟同步服务器（卫星授时）应用智慧路灯系统
北斗时钟同步服务器（卫星授时）应用智慧路灯系统
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．