基于NB-IoT技术的照明监控系统

储昭兵，刘凯凯

(上海五零盛同信息科技有限公司，上海 200331)

0 引言

物联网时代，城市道路照明的智能化管理需求逐步增强。20世纪90年代起，常州首先引进了智能化管理的三遥系统，实现了以整条道路为单位的路灯远程控制。进入21世纪后，随着人们节能减排和绿色环保意识逐渐增强，道路照明对路灯的单灯化管理需求愈来愈强烈,需要对每盏灯进行开关、调光控制，搜集每盏灯的运行状态，以达到及时处理故障的目的。传统单灯管理系统中，常见的通信方式主要有：电力线载波通信、ZigBee无线通信。其中电力线载波通信是以电力线路作为传输途径，通过载波方式传输信号，具有通道可靠性较高、路由合理等特点[1-2]。但电力载波通信速率较低，导致故障主报的实时性等相对较差。ZigBee无线通信是一种近程无线网络通信技术[3]，它是2002年由ZigBee联盟推动发展的，基于IEEE802.15.4标准，传输距离一般在100 m内。其通信速率在20～250 kb/s，相对较快，但其安装不便、成本较高，天线安装于灯杆内部通信较差，安装于外部易被破坏，且其与WiFi、蓝牙共用2.4 GHz公用频段易受同频干扰影响。

近年来，NB-IoT作为物联网通信的重要组成部分，愈来愈得到重视[4-5]。2017年6月，工信部发布《全面推进移动物联网(NB-IoT)建设发展的通知》[6-7]，鼓励各地因地制宜，结合城市管理和产业发展需求，拓展基于NB-IoT技术的新应用、新模式和新业态，开展NB-IoT试点示范，并逐步扩大应用行业和领域范围。路灯行业内，自2017年起，国内多个城市逐步试点NB通信设备[8]，有的城市更是全城批量使用，潜在需求呈爆发趋势。传统路灯控制厂家、灯具厂家还有很多跨界厂家追逐热点，进入NB单灯控制器领域。但由于技术背景不同，导致各厂家NB单灯控制器质量参差不齐，目前在路灯应用方面遇到的问题主要有以下几个方面。

(1)同时上线问题。路灯一般是白天断电，晚上开灯时上电，晚上同一时间上电时，网络堵塞，造成上线率低，且对运营商网络也会造成冲击。

(2)通信问题。NB单灯控制器一般分为外置天线和内置天线两种，当采用内置天线时，天线放置在电路板上，干扰大，设计不佳导致接收灵敏度性能差,将造成通信问题。

本文设计了基于NB-IoT技术的照明监控系统，并针对以上问题给出了解决方案。

1 系统设计

基于NB-IoT技术的照明监控系统组成框图如图1所示,主要由主站软件(NB物联网平台)、IoT平台、NB单灯控制器组成，其中IoT平台为三大运营商物联网平台。主站软件(NB物联网平台)为用户提供交互界面，与IoT平台间进行数据转换；NB单灯控制器为执行设备，通过NB-IoT通信方式与运营商的IoT平台进行数据交互，初上电时进行开机申请，与主站建立链接，响应用户操作，实现数据采集、控制、调光等功能，检测到故障时，进行主动报警，拥有调试接口，便于现场工程维护。

图1 基于NB-IoT的物联网照明监控系统组成框图

2 NB单灯控制器设计

NB单灯控制器组成框图如图2所示。采集控制器通过接入220 V交电流，实现对路灯的单点控制、监测和调光。采用NB-IoT通信与运营商物联网平台直接通信，将采集到的路灯数据上传给主站并执行主站下发的命令。

主要电路包括电源、采集、主控、控制、通信、调光6个部分。

电源部分为电路其他部分的正常工作提供电源，主要可分为三个部分，第一路为电路提供电源，第二路为主控、控制、通信电路提供12 V和3.3 V电源，第三路为调光电路提供电源。

采集部分主要对灯具的电压、电流、功率等模拟量参数进行实时采集并与MCU进行数据交互。

主控部分采用STM32F1XX系列芯片，实现对整个控制器各功能模块部分的控制和数据处理。

控制部分通过对继电器进行开合操作实现对路灯的开关灯控制。

图2 单灯控制器组成框图

调光部分分为两种方式：有源PWM波调光、0～10 V调光分别对应相应的电源实现调光功能。

通信模块使用NB-IoT通信模块实现与主站通信，本设计采用BC28模组，它是一款超紧凑、高性能、低功耗的多频段NB-IoT无线通信模块，支持B1/B 3/B5/B8/B20/B28频段。其尺寸仅为17.7 mm×15.8 mm ×2.0 mm，能最大限度地满足终端设备对小尺寸模块产品的需求。

3 主站软件设计

主站软件通过HTTPS与运营商平台进行信息交互，主要由管理平台、数据库、NB对接服务组成。其中管理平台主要负责报警推送、设备控制、数据查询、电子地图等功能，数据库主要负责数据存储功能，NB对接服务主要负责协议转换、接收运营商平台推送、命令转发等功能。主站软件可在电子地图上显示每盏路灯的位置，统计每盏路灯的开关、调光等运营状态，当有故障产生时，及时推送报警信息。同时建立运行日志数据库，保存一个月运行数据。主站软件组成框图如图3所示。

图3 主站软件组成框图

4 关键性问题设计

4.1 离散上线设计

以电信为例，NB通信基站一般有3个扇区，每个扇区最多可同时接收12台设备的注册信息。而每个扇区可覆盖的区域内分布的路灯数量远大于12台，若单灯控制器上电时间不离散，当大量单灯控制器同时接入网络时，将会对运营商网络造成一定冲击。故采用随机数×离散间隔的方式，来区分不同单灯控制器的接入时间，具体方案如下：

T=(A%x)×y

(1)

其中，T为单灯控制器初上电后，进行入网注册的延迟时间；A为单灯控制器的地址，每个单灯控制器具有唯一地址；x为单灯控制器上电参数，x设计为可配变量，NB下行12个子载波，x范围为1～12，考虑一定余量，其初始值默认为10；y为单灯控制器上电参数，y设计为可配变量，路灯行业实时性要求较高，按统一上电后300 s内主站软件可检测所有单灯控制器上线，按照可配置变量x默认为10分组后，y初始默认值为30 s。

4.2 电路板关键设计

NB设备根据天线位置可分为内置天线、外置天线两种，一般NEMA接口结构使用内置天线，此种方式天线安放于电路板上，易受壳体内电磁环境影响，对电路板的传导性能有了更高的要求。本设计采用NEMA接口内置天线设计，电路板设计原则如表1所示。

表1 电路板设计注意事项

5 测试结果及应用情况

研制完成后，使用R&S®CMW500 无线综测仪测试单灯控制器的传导灵敏度，如图4所示，参考信号功率(NRS EPRE)为-125.0 dBm时通信正常，整体性能优异。

批量生产后，安装于现场试用，路灯断电再上电后，主站软件可在5 min内检测到所有NB单灯控制器的运行数据。运行一段时间后，随机查看数个控制器运行数据，如图5所示，通信效果优异，可有效监测灯具运行状态，整体系统运行稳定。

图4 传导灵敏度测试结果

图5 NB单灯控制器运行数据

6 结论

本文基于NB-IoT技术的照明监控系统，实现了通过运营商的IoT平台对路灯的运行状态进行监控，可实时查询路灯的电压、电流、功率、电量等模拟量数据，可实时远程控制路灯的开关、调光操作，灯具状态异常时可实时进行故障报警。测试结果表明，NB单灯控制器上线及时、通信稳定，整体系统能够稳定高效地实现上述功能。逐步推广后，该系统可有效地助力城市照明的精细化管理，节约运营成本和管理成本，进而提高管理效率提升城市品牌形象[9]。