NB-IOT在智慧道路照明应用与实践x
时间：2020-11-27 12:59:37 来源：勤学考试网 本文已影响 人 
NB-IOT在智慧道路照明的应用与实践
深圳市灯光环境管理中心 曾永幸
随着 5G时代的到来， 智慧城市、 智慧城管、 智慧照明建 设即将进入快速推进阶段，道路照明设施已经不仅仅是传统 市政道路照明功能的载体，也是最好的信息化固件，多功能 智慧杆将逐步取代传统灯杆，成为智慧城市基础设施网络， 并必将成为城市公共空间最好的硬件载体、组网节点、传输 通道、数据入口和信息终端。而智慧照明是智慧城市的重要 组成部分。如何选择更适合智慧照明的通讯方式，我中心于 2017 年 6 月与浙大网新组成专项试验小组， 在市灯光中心职 教街进了安装试点，经过两年的运行达到了良好的效果。
一、传统智慧路灯的现状与存在的问题
目前智慧路灯现状： 国内行业普遍采用传统的 “两跳式 “智慧照明解决方案， 在一个路段设置一个汇聚网关， 每 个汇聚网关通过 PLC/ZigBee/RF 技术连接大约 100 盏 路灯；汇聚网关再通过 2G/3G 网络上报到管理系统。
二、 解决方案及 NB-IOT技术优势
NB-IOT 物联网是新一代信息技术的重要应用，不 仅能够改善人们的生活，还能给行业带来巨大的变 革与创新，推动经济快速发展。据市场研究机构 Gartner 预测，到 2020 年全球物联网终端数量将达 到 260 亿，销售收入将达到 3000 亿美元，带动经济 总量将超过 1.9 万亿美元。在国内，物联网也成为 “中国制造 2025”战略规划的重要组成部分。
智慧城市照明管理系统是基于“ NB-IOT”为核 心而产生的实际应用，将城市照明（路灯、景观亮 化等照明设备）纳入智能化管理平台，进行统一的 管理。
该管理系统以按需照明为原则， 可根据每 天不同的时间、光照度或区域内特殊事件人性化地 控制照明设备，可自动开启或关闭任一盏灯、调节 任一盏灯的功率，并按照环境要求，在深夜适当降 低光照度达到二次节能降耗之目的，以实现城市照 明智能管理和科学合理的调光控制，满足城市日益 增长的照明需求，最大化地提升管理效率和实现城 市照明节能减排的最终目标。
1、基于 NB-IoT 技术端到端的智慧照明解决方案，通 过运营商 NB-IoT 蜂窝网络实现对每盏路灯 “一跳 式“的连接管理和控制。相比传统的“两跳式“智 慧照明管理系统，不再需要汇聚网关设备，大幅度 缩短业务上 线时间，减少运维工作量；网络维护 可以完全交给运营商负责，相比传统方案采用非授 权频 段接入，运营商 NB-IoT 网络抗干扰能力 强，带来更高的可靠性保障。
将城市照明（路灯、景观亮化等照明设备）纳入智能 化管理平台， 进行统一的管理。
该管理系统以按需照明 为原则， 可根据每天不同的时间、 光照度或区域内特殊 事件人性化地控制照明设备，可自动开启或关闭任一盏 灯、调节任一盏灯的功率，并按照环境要求，在深夜适 当降低光照度达到二次节能降耗之目的，以实现城市照 明智能管理和科学合理的调光控制，满足城市日益增长 的照明需求，最大化地提升管理效率和实现城市照明节 能减排的最终目标。
1、 NB-IOT 技术优势
1、 NB-IOT 技术优势
LPWA开启低功率广覆盖 IoT 市场， NB-IoT 具备技术优势：
1、海量连接：每小区可达 10 万连接；NB- IoT 比 2G/3G/4G有 50-100 倍的
1、海量连接：
每小区可达 10 万连接；
上行容量提升，这也就意味着，在同一基站的情况下， NB-IoT 可
以比现有无线技术提供 50~100倍的接入数。
2、 超低功耗：
电池寿命长达十年；低功耗特性是物联网应用一项重要指标， 特别对于一些不能经常更换电池的设备和场合，如安置于高山荒野 偏远地区中的各类传感监测设备，它们不可能像智能手机一天一充 电，长达几年的电池使用寿命是最本质的需求。在电池技术无法取 得突破的前提下，只能通过降低设备功耗以延长电池供电时间。通 信设备消耗的能量往往与数据量或速率相关，即单位时间内发出数 据包的大小决定了功耗的大小。数据量小，设备的调制解调器和功 放就可以调到非常小的水平。
NB-IoT 聚焦小数据量、 小速率应 用，因此 NB-IoT 设备功耗可以做到非常小，可以保障电池 5 年以上 的使用寿命。
3、深度覆盖：
能实现比 GSM 高 20db的覆盖增益； NB-IoT 比 LTE提升 20dB 增益，相当于发射功率提升了 100 倍，即覆盖能力提升了 100 倍，就算在地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方 也能覆盖到。
4、安全性：
继承 4G网络安全能力，支持双向鉴权以及空口严格加密，确保 用户数据的安全性 ;
5、稳定可靠：
能提供电信级的可靠 性接入，有效支撑 IoT 应用和智慧城市 解决方案。
NB- IoT 直接部署于 GSM网络、 UMTS网络或 LTE网络， 即可与现有网络基站复用以降低部署成本、实现平滑升级，但是使 用单独的 180KHz频段，不占用现有网络的语音和数据带宽，保证传 统业务和未来物联网业务可同时稳定、可靠的进行。以智能抄表应 用为例，与采用有线 PLC抄表数据回收成功率在 60%左右相比， NB- IoT 可以保证数据成功回收率达 99%，可靠性大大提高。
6、低成本： 低速率低功耗低带宽带来的是低成本优势。速率低就不需要大 缓存，所以可以缓存小、 DSP配置低; 低功耗，意味着 RF设计要求 低，小 PA就能实现; 因为低带宽，就不要复杂的均衡算法。这些因 素使得 NB-IoT 芯片可以做得很小。芯片成本往往和芯片尺寸相关， 尺寸越小，成本越低，模块的成本也随之变低。
、NB-IOT 智能控制系统
1、 NB-IOT 智慧路灯管理系统是以单灯为控制单元的远程 实时监控系统。系统通过对每个照明点实施远程智能化 管理控制，在保证道路照明安全的前提下，适时调节单 灯功率，优化节能措施，把节能减排与保持照明品质结 合起来，并延长光源及其电器的使用寿命，既降低运营
成本又提高劳动生产率。系统能实现分地域、分时段、
分级别调节路灯公共照强度；
路灯监控系统中采用了地理信息系统 ( GIS) 表达城 市路灯与城市亮化的整体布局，并在 GIS 上集成了灯型、 灯杆布局等等与管理信息相关元素。路灯监控系统的首要 功能是对城市路灯和城市亮化的开关、调光控制以及对现 场状态的实时检测。
路灯监控系统主要包含两大部分， GIS 地图管理和报 警管理。日常管理工作人员只要关注这两个集成画面，就 能对路灯的实时运行状况一目了然。
2、 NB-IOT 道路照明系统的组成：
3、 NB-IOT 道路照明系统的功能
1）、开关控制
2）、监控中心可以随意开关任一盏、 一路、 任一自定义 分组分区或全区域的照明设备
3）自由编组 可按照任意方式进行编组或分区，例如：景观灯、 要道、主干道、次干道等
4）数据采集
中心可以主动查询每路照明设备的开关状态、电流 电压、功率因数、亮灯率、电量等数据
5）、调光功能
调节和控制任一盏、 一路，任一自定义分组分区或
全区域的照明设备功率以达到节能和高效管理之目的。
6）、自动控制
中心与前端设备失去连接时 , 系统能根据中心事先 设置和存储在前端设备中的开关策略实现自动控制 功能。
7）、GIS 系统
系统的 GIS 功能直观体现全区域路灯开关状态、故 障情况、亮灯率、节能效率。
8）、智能运行
将预设好的策略输入系统后，系统将会自动执行 指令，无需人工操作，便捷度上升
9）、数据存储
现场监控终端运行时会将所有数据存储在本机上
并自动将数据备份在服务器上，数据保存可达 10 年以 上。
10）、故障报警
灯具故障、 设备及线路被盗、 非正常工作状态、 窃
电以及相应预警即时报警。
11）、曲线报表
系统可以生成电流、 电压、电能、各种开关量信息、
亮灯率、开关时间的分析曲线和报表，以供管理者决策
12）、设备档案管理
设备的档案管理、基础数据管理、权限管理、计划 任务设置、系统参数设置。
13 ）、远程设备维护 每一个远程监控终端集中控制器都具有调试和维护 接口和按钮， 便于远程操作， 包括： 远程参数设置、 远程 故障信息状态诊断、远程控制等。
14）、系统冗余设计 系统具有灵活的远程终端增减扩容功能，可动态增 加、删除终端设备， 无需修改地图； 可动态更换地图， 无 需重新组建数据库等。
系统所采用的中心数据库、无线通信方式及模块化 监控终端结构，均能满足大中城市路灯及有关灯光系统 长期的发展和扩容要求。
4、 节能模式及系统控制效果
5、路灯管理系统扩展应用
基于 NB-IOT 技术的路灯管理系统， 通过增加必要的设备， 可以扩展以下应用范围：
1）配电箱状态监控
远程监测灯具供电、 配电设备箱的门开关状态、 箱 内温湿度等参数， 为安全用电提供数据。
感知周边是否 有人员靠近，远期实现图片远程传输。
2）关联设备运行状态监测 可以远程监测安装在灯杆附近的充电桩、太阳能发 电膜组的运行状态数据， 提供安全运行保证和诊断数据。
3）环境监测 通过安装灯杆上的传感器，监测环境温度、湿度、空气
PM2.5 值等数据，并通过宽带电力线网络传回监控中心。
4）路况监测
通过安装在灯杆上的传感器，可以检测路面人流情 况和路面积水情况， 统计人流聚集情况 , 反应拥堵状况； 检测路面积水感应， 通过路灯就近感应积水深度并上报， 提高响应速度，减轻城市内涝痼疾带来的安全隐患。
5）安全防患
许多城市路灯上有编号， 做为报警确认地址。
通过安 装在灯杆上的报警按钮， 结合 GPS定位， 可以清晰快捷 的定位报警位置。
6、路灯管理系统建设效益
经济效益
节省照明费用
电费开支的节省，一方面主要通过自动跟踪当地日出日 落来合理设置开关灯时间，避免电能浪费。另一方面，根据 照度及各处电路供电情况自动调整照明电压，实现节电节能。
以一条 3000 米双排高杆灯为例：灯杆隔距 30 米，每根 灯杆装有 400W机动车照明灯和 250W非机动车照明灯各一盏， 全程共 200 根灯杆，开灯时间 19: 30 分，关灯时间 7:00 分， 每天两灯时间为 11.5h 。因采用智能路灯控制后开关灯模式 可任意设置，现以几种模式为例计算年用电量：
? 全亮时总功率： 200× (400+250) =130000W=130KW.
? 隔杆亮时功率： 100× (400+250) =65000W=65KW.
? 单灯 400W隔杆亮时功率： 100× 400=40000W=40KW.
? 单 灯 400W、 250W 交 叉 亮 时 功率 ： 100× (400+250) /2=32500W=32. 5KW.
? 单灯 250W隔杆亮时功率： 100× 250=25000W=25KW.
通过适时开关灯节电：设通过适时开灯节约开灯时间 20 分钟。全亮时节电 130KW× 20/60=43KWH，一年节电 43× 365=15695KWH。
各开灯模式下的用电量计算如表所示：
亮灯功率
（kW）
用电量（ kWh）
日用电
年用电
全亮方式
130
1495
55 万
全亮开， 半夜隔杆亮
130
65
1040
38 万
全亮开， 半夜交叉亮
130
32.5
812.5
29.6 万
全亮开， 半夜 250w 隔 杆亮
130
25
760
27.7 万
若适当灵活调半夜关灯时间，节电效果更趋明显。
由于采用单灯控制能灵活控制各杆灯灯头亮灭模式，因 而能在不明显影响总体照度的前提下有效节电，或者在用电 量大致相同的情况下，明显提高道路照明效果，因而在取得 较好经济效益的同时取得良好社会效益。
节省运行维护费用
采用路灯能效管理系统后， 每夜巡灯由电脑实现， 如无故 障，则不必出动车辆，节省大量的人力物力。监控系统自动 控制开关灯操作，取消了每半月一次的人工修改时钟的工作， 亦可节省大量的人力物力。主要体现在以下两个方面：
巡灯费用
建立灯能效管理系统后， 减少了派车巡灯的费用。
以前路 灯管理所的人分组去巡灯，现在一般情况下不需要人工巡灯。
灯具损耗费
由于采用经济运行方式， 让路灯科学地轮换 “休息” 和稳 压运行，还可大大延长灯泡使用寿命，一般可节约 25%左右
费用。
路灯能效管理系统通过六种成熟、 可靠、实用的节能控制 算法，将路灯能效管理系统的投入使用，可以确保综合节电 率达 20%～ 50%。从而彻底淘汰原有的电感式集中节电器， 这 种节能原理和节能效果才是一种本质上的节能。
社会效益
该系统是解决全球电力短缺的手段之一，可以通过采用 先进的节电设备和完善的电力方案来节省有限的电力使用 量，有效地缓解全球能源紧缺的现状， 达到节约能源的目的。
路灯能效管理系统是一个网络通信控制系统，建设好这 个网络系统，可以为整个城市的路灯数字化实现提供有力的 保障作用。
路灯能效管理系统还可以提高社会的服务质量，增加对 客户的透明度，并对整个社会，特别是路灯系统产生积极的 推动作用，它能够及时反映现场和远程低压网络的整体信息， 进行运转监测。
路灯能效管理系统能够有效降低电力部门的运营成本及 供电成本，促进电力信息一体化的建设，改善电力部门的服 务质量，从而提高电力部门的竞争力，具体如下：
监控中心可以通过 NB-IOT 主动查询每盏路灯的开关状态、 电流电压、电量等数据；
可对灯具进行单灯以及分组控制，单个集中控制器最多
可以控制 1023 个单灯，以满足不同场所应用；
可随季节变化设定灯具电源开启和关闭的时间，可在灯 具开启的任意时间段设定不同的功率输出值，其范围可在 0%～ 100%内任意调节；
可对灯具亮度、 温度、 电压、 电流、功率和功率因数进行
检测并控制，实时掌握好灯具工作状态；
具有单灯记忆功能， 能脱离控制系统独立进行工作， 每盏
灯在改变其工作参数前都会一直按上一次设置的参数进行 反复的开灯、关灯和亮度调节等工作；
自动控制功能：现场按季节变化自动调节路灯开关时间， 并按照此时间开关路灯；
通信中断、 亮灯率过低、 未按时开关等情况出现时， 灯具
可主动上报至监控中心。
四、 NB-IOT 智能控制系统应用效果
经过近两年的应用和实践，课题组认为 NB-IOT 道路智慧 照明系统安全可靠、效果良好，达到了预期目的，
管理维护方便。
利用物联网、互联网，足不出户即可 查看路灯系统运行状况、控制照明设施，也可预先设置各种 策略，系统将自动运行并执行指令，还具备电缆防盗监测功 能。
多种照明方式管控。
可对道路照明进行灵活分组，按 不同时间、不同用途、不同的环境因素而采用相对应的预设 策略进行控制，以达到丰富的照明效果。
数据上传的快速。
数据上传速度达 0.5S ，成功率达 100%，准确率达 100%。
精细化管理有效。
可以根据需要进行权限分层管理、 数据统计与图表分析、资产管理清晰，实现真正意义上的精 细化管理。
实时故障预警可靠。
系统及时发送到相应的管理人 员手机上，实现快速定位。及时对故障灯进行维修处理。
结论：在智慧灯杆网络体系设置安全、 可靠、高效的 NB- IOT 道路智慧照明系统， 实现路灯的远程控制、 故障主动报 警、灯具线缆防盗等功能， 不仅能大幅度节约电力能源， 节 省维护成本， 提高城市照明管理水平， 而且对确保城市照明 设施安全运行，防止涉电事故发生具有重要的现实意义。
