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

根據《中國路燈現狀與未來發(fā)展分析》，2010 年，中國具有路燈2700 萬盞，按照 10-15%的年增長，2017 年底應該具有 4000 萬盞路燈;全國主要城市 2016 年底路燈數量和廣東省路燈數量如表：

路燈作為公共服務資源，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路燈進行智能化升級，全國大部分城市路燈的開關燈主要以配電柜為管控單元， 配電柜內安裝定時開關、經緯儀開關等，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：

1)無法對單燈進行控制;

2)無法調整單燈的亮度，不能有效的節(jié)能;

3)巡查效率低，不能對單燈進行監(jiān)控;

4)故障出現時，不能遠程快速進行診斷;

5)資產管理方式粗放，不夠精準;

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)的現狀

隨著城鎮(zhèn)化進程的加快與互聯(lián)網的發(fā)展，互聯(lián)網已經應用到各行 各業(yè)，萬物互聯(lián)。同時隨著 LED 技術的進步和廣泛應用，基于互聯(lián)網的智能路燈應運而生，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、可靠和開放四個方面均存在不足。

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

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

ZigBee/SigFox/LoRa 設備的發(fā)射功率是受限制的，覆蓋也較差;與 PLC一樣，需自行建網、自行維護，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，在標準開放性上很多限制。

3、2G(GPRS)：最大的問題是 2G 已在退網中。

二、NB-IoT 物聯(lián)網技術

隨著智慧城市、大數據時代的到來，無線通信將實現萬物連接。 目前大量物與物的聯(lián)接 大多通過藍牙、Wi-Fi 等短距通信技術承載， 而非運營商移動網絡?；诜涓C的窄帶物聯(lián)網(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)成為萬物互聯(lián)網絡的一個重要分支。NB-IoT 構建于蜂窩網絡，只消耗大約 180KHz 的帶寬，可直接部署于 GSM 網絡、UMTS 網絡或 LTE 網絡。NB-IoT 從 4G 演進而來，是專為規(guī)模聯(lián)接而生的物聯(lián)技術，快速實現規(guī)?；?ldquo;互聯(lián)”，主要價值體現在：免自建網、免自維護;可靠性高;全球統(tǒng)一標準，并支持向 5G 平滑演進。

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

1、通信組網方式

考慮到 PLC(電力線通信)、ZigBee/SigFox/LoRa(小無線)、2G(GPRS)的通信缺點，并結合路燈應用環(huán)境的復雜性，NB-IoT 在高效、可靠、安全和開放四個方面全面占優(yōu)，而且 NB-IoT 覆蓋更廣，在同樣的頻段下， NB-IOT 比現有網絡增益 20dB，覆蓋面積擴大 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：單燈控制器+集中控制器+基站+Internet。單燈控制器與集中控制器進行通信，集中控制 器通過基站連接 Internet。某個單燈控制器出現故障，將無法實現此

控制器的通信，如果集中控制器出現故障，那么集中控制器管轄的范 圍內的所有單燈控制器將無法實現通信。

圖一：電力線載波或者 Zigbee 等通信方式的智能路燈復雜組網

圖二、NB-IoT 物聯(lián)網智能路燈組網圖

NB-IoT 路燈智能控制系統(tǒng)自組網。每個單燈控制器自行與物聯(lián)網云平臺組網通信，所以不需要“集中控制器”、“服務器”等;即使某一個 單燈控制器出現故障，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，在單燈不亮時，最多可以做到故障定位，即可以知道 具體哪個燈沒有亮。但是路燈管理部門需要更進一步的智能化，需要 及時了解故障的原因，比如電纜壞損、驅動電源壞損、光源壞損。而 上述三種通信方式無法實現。

1)電力線載波或者 Zigbee 等通信方式的智能路燈線路連接圖

市電接入驅動電源“AC 輸入”，驅動電源“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”?？刂破鞯?ldquo;信號輸出”接入驅動電源的“信號輸入”。

即：控制器由驅動電源供電。如果市電電纜或驅動電源壞損而無 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”接入驅動電源的“AC 輸入”;驅動電源的“DC 輸出”接入控制器的“DC輸入”;控制器的“信號輸出”接入驅動電源的“信號輸入”。

A、路燈正常工作時，當單燈處市電沒有供電，控制器內檢測芯 片即可檢測出交流端電壓和電流的變化，診斷出故障，給出的故障信 號是“電纜故障”。

B、當單燈處市電正常供電，而驅動電源沒有工作，控制器內的 檢測芯片即可檢測出驅動電源電壓和電流的變化，診斷出驅動電源無輸出，給出的故障信號是“驅動電源故障”;

C、當市電和驅動電源均正常工作，而驅動電源輸出電流的為“0”，即可檢測出光源故障，給出的故障信號是“光源故障”。

即：控制器是由市電供電，只要市電有電，就可以診斷驅動電源 和光源的故障。

實現路燈故障診斷可以幫助客戶：

實現路燈故障診斷可以幫助客戶：遠程第一時間了解故障位置-故障定位;由于進行了三級故障診斷，使維修更具有針對性，從而提高維修效率;進行故障責任劃分;

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，這時只能做故障定位，而無法實現故障診斷。

真正實現三級故障診斷(電纜故障、驅動電源故障、光源故障)，需要在市電無法供電市時繼續(xù)工作。最有效的技術方案就是采取雙供電系統(tǒng)。即在控制內增加另外供電模塊。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，當接入市電時，所述控制模塊控制所述取電電路對蓄電模塊進行充電，且控制所述蓄電模塊不輸出電能;當不接入市電時，控制模塊控制所述蓄電模塊對路燈監(jiān)控系統(tǒng)進行供電。

小結：沒有實現雙供電的智能控制系統(tǒng)，是無法完整的對電纜工作狀態(tài)、驅動電源工作狀態(tài)、LED光源的工作狀態(tài)，進行實時監(jiān)控和完整地故障診斷。

3、智能節(jié)能控制

控制器通過控制驅動電源1-5V調光對LED路燈進行調光。用戶在實際的應用中，可以定時的設置LED光源的工作功率范圍，也可以實時的設置LED光源的工作功率范圍，從而實現更加人性化的節(jié)能。也可以精準的單燈控制，為了保證交通安全和治安安全，比如十字路口、監(jiān)控攝像頭附近的路燈不進行節(jié)能調節(jié)。

4、功能拓展

NB-IoT強大、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)網的路燈智能控制系統(tǒng)，可以拓展很多功能?？梢酝卣沟墓δ?。

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