单灯智能控制系统在城市照明中的研究.docx

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单灯智能控制系统在城市照明中的研究

单灯智能控制系统在城市照明中的研究

摘要:

智能照明，是智慧城市的重要组成部分。

单灯控制系统可让路灯随时随地接入，快速实现规模化“互联”，从而推进智能路灯规模化部署，将城市中的路灯串联起来，形成物联网，实现对路灯的远程集中控制与管理。

关键词:

智慧照明单灯控制系统NB-IoT技术效益分析

随着物联网、下一代互联网、云计算等新一代信息技术的广泛应用，城市智能照明已成为必然趋势。

近年来，智慧城市新政频出，我国多个城市掀起了智慧城市建设高潮。

政府出台了一系列政策措施推进智慧城市建设，智能照明作为智慧城市建设中的重要组成部分，作为智慧城市建设中最基础的公共设施之一，自然也备受关注。

根据《“十三五”城市绿色照明规划纲要》（报批槁）目标来看，中国将以46%的增速新建1200万盏LED灯，并改造50%的已有路灯，总规模达到290亿元，预计未来仍然会得到政策支持。

一、智能照明发展概况和相关支持政策

1、发展概况

智能照明，是智慧城市的重要组成部分。

它应用电力线载波/ZIGBEE通信技术和无线GPRS/CDMA通信技术、NB-IoT技术，将城市中的路灯串联起来，形成物联网，实现对路灯的远程集中控制与管理，具有根据车流量、时间、天气情况等条件设定方案实现自动调节亮度、远程照明控制、故障主动报警、灯具线缆防盗、远程抄表等功能；智能照明可以有效控制能源消耗，大幅节省电力资源，提升公共照明管理水平，降低维护和管理成本并利用计算机等信息处理技术对海量感知信息进行处理和分析，对包括民生、环境、公共安全等在内的各种需求做出智能化响应和智能化决策支持，使得城市道路照明达到“智慧”状态。

智能照明未来是物联网重要的信息采集来源，并有助于实现城市及市政服务能力的提升，如图1所示。

（1）通过全面普查、编码和定位，形成直观可视、图表结合、条理清晰、条块合理的城市照明空间数据档案，以地理信息系统（GIS）为基础，实现精细化、可视化、动态化管理。

同时，灯杆标牌可为公安110报警、城市应急指挥等提供定位信息，实现灯杆定位，助力城市维稳，提升路灯价值。

（2）基于智能监控理念，以“三遥”（遥控、遥测、遥信）功能为主要手段，实现道路照明、夜景照明等公共照明设施的一体化、集中化和智能化监控管理，保障城市照明需求。

目前，我国大多数城市已应用路灯监控系统实现对全城路灯的统一启闭、数据巡测、故障自动报警等功能，但基本还未实现对每盏灯的远程自动控制以及未能实时掌握每盏灯的电压、电流、功率等数据信息以及故障信息。

而通过建设物联网单灯智能控制系统，可实现“灯盏级”照明控制，达到“控制到灯、监测到灯、节能到灯”的智能照明目标。

2、相关支持政策

推进城市智能照明等的试点示范，结合智慧城市开展城市智能照明应用试点示范，发挥城市照明在智慧城市建设中的功能与作用,实现“互联网+”智能照明新发展。

《物联网的“十三五”规划（2016年-2020年）》中指出坚持创新驱动。

强化创新能力建设，完善公共服务体系，加快建立以企业为主体、政产学研用相结合的技术创新体系。

加强面向智能信息服务的关键技术研发及产业化，大力发展新技术、新产品、新商业模式和新业态，加快打造智慧产业和智能化信息服务。

《国家智慧城市试点暂行管理办法》中住建部先后公布三批277个智慧城市试点名单，并将智慧照明作为智慧城市核心子系统被重点推广。

《国家新型城镇化规划（2014-2020年）》中指出顺应科技进步和产业变革新趋势，发挥城市创新载体作用，依托科技、教育和人才资源优势，推动城市走创新驱动发展道路。

激发全社会创新活力，推动技术创新、商业模式创新和管理创新。

《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》中指出到2020年，建成一批特色鲜明的智慧城市，聚集和辐射带动作用大幅增强,综合竞争优势明显提高，在保障和改善民生服务、创新社会管理、维护网络安全等方面取得显著成效。

实现公共服务便捷化,城市管理料细化，生活环境宜居化,基础设施智能化，网络安全长效化。

因此有必要开展物联网单灯智能控制系统的研究，在现有LED路灯及高压钠灯等的基础上，基于物联网控制技术的单灯精细化管理，提升整体智慧照明能力。

实现单盏路灯光源的精细化管理。

二、单灯智能控制系统研究意义

传统的路灯监控系统往往是一根电缆带动30—50盏灯，一旦发生故障，需要逐一排查，确定故障灯后再维修，而且在开关灯或亮度调节时，也只能是几十盏灯一齐调节。

单灯控制是对传统路灯监控技术的革新与升级，通过安装单灯控制终端设备、建立无线网络传输通道，实现对每一盏路灯的精确监控。

单灯控制就是每一盏路灯都能实现人机对话、主动报警、开关可控、功率可调这四项功能。

通过单灯远程监控系统，可以实时监测每盏路灯的电流、电压等参数，维护人员通过手机终端，可以第一时间了解路灯设施的运行状态。

每盏灯具出现故障主动报警，维护人员从传统的“巡查维修”转变为“定点维修”，大大提高了工作效率。

同时，每盏灯具可以随时任意开关、灵活组合，并根据车流量、人流量、时间点，对同一路段不同路灯的光照度进行调节，达到节能的目的。

单灯智能控制系统能够灵活开/关灯，随时了解运行参数，及时发现故障，着重解决能源浪费、维护困难等问题，极大地提高照明系统的管理效率。

系统能将采集到的数据自动进行存储、统计，并能随时进行查询和打印，极大地提高管理水平，同时还能通过全夜灯、半夜灯和智能调压等手段，降低能耗，提高设备使用寿命，获得良好的经济效益。

但由于各种通讯传输媒介自身特性和现场环境的复杂性，在工作可靠性方面仍然存在一些缺点。

如：

电力载波方式可能会因为埋地线路铺设的不规范或者不明谐波信号干扰，导致故障原因排查困难且成本高；而ZigBee、WiFi、蓝牙等2.4G信号通道使用广，传输距离短、穿透能力弱和易受干扰等，导致工作不稳定。

使用NB-IoT网络比现有的LTE提升20dB增益，相当于提升了100倍覆盖区域能力，对于厂区、地下车库、井盖等复杂场所同样适用，弥补当前技术的众多缺点，从而更好地满足城市照明监控系统的需求。

（1）采用单灯控制技术，构建路灯物联网，精准控制每一盏路灯，在保证照明需求的前提下，根据季节、路段、天气、特殊场合等条件设定路灯运行方案，真正实现“按需照明”，深化节能减排。

（2）通过单灯“在线巡测”，及时发现路灯故障并在地图上进行精准定位，转变“人工巡检、热线报修”的传统运维方式，实现定向运维、主动服务，减轻劳动强度，提高路灯运维效率，降低运维成本。

目前国内城市照明的监控和管理方式相对简单、粗放，服务质量和节能水平有待提高，难以满足现代化城市智能照明的需要。

城市智能照明承载着城市安全、节能和高效维护的愿望，但至今未能规模化部署，究其原因，技术上主要是因为当前的互联技术无法满足到处分布的路灯的“互联”需求。

NB-IoT技术的出现，使当前的“互联”问题迎刃而解。

NB-IoT从4G演进而来，是专为规模联接而生的物联技术，可让路灯随时接入，快速实现规模化“互联”，从而推进智能路灯规模化部署。

三、以NB-IoT技术为核心的单灯智能控制系统的工艺流程、技术指标

NB-IoT是基于蜂窝的窄带物联网，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接。

它采用3GPP授权频段能避免干扰问题，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络。

目前国内运营商正积极布局相关基础设施，为其发展提供广阔的空间。

在NB-IoT网络架构下，智能照明由感知层路灯监控智能终端设备、NB-IoT网络及监控中心（云端平台）3个部分组成。

智能的NB灯控器内部包含电流与电压计量电路，它可以实时采集路灯控制器的负载工作情况，大大减少路灯管理部门的工作压力，提高工作效率，从而显著提高社会节能效益。

（一）主要工艺流程

单灯智能控制系统主要包括单灯控制器、通信传输系统和中心管理系统三部分：

1、单灯控制器

可以控制路灯开关、亮度调节、电流采集、电压采集、计算功率及功率因素等，可附加温度采集、灯杆倾斜检测等功能。

2、通信传输系统

这是构建大区域、跨平台的物联网通信平台，实现全城范围内照明设备的互联互通。

从中心管理系统到低压配电柜（变压器、节电器）控制终端设备采用NB-IoT、GPRS、LTE等蜂窝网络。

3、中心管理系统

这是整个智能路灯系统的核心，包括数据的分析、汇总、存储和控制命令的发布等功能，同时具有路灯巡检、路灯设备管理、路灯运行维护管理和相关运行报表功能。

中心管理系统由通信服务器、数据库服务器、工作站和相关网络设备组成。

控制器通过接入220VAC实现对路灯的单点控制、监测和调光。

采用NB-IoT无线模块与系统平台进行通信，将采集到的路灯数据上传至服务器并执行主台软件下发的命令。

主要电路包括了电源、采集、控制、MCU、通信、调光六个部分，如图2所示：

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，第一路为采集电路提供5V电源，第二路为MCU、控制、通信提供12V和3.3V电源，第三路为调光部分提供电源。

采集部分主要对路灯的电压电流功率的参数进行实时采集并与MCU进行数据交互。

控制部分使用过零点延时控制继电器的动作实现对路灯的开关灯、调档节能等的控制。

MCU为主芯片、实时时钟等其它外围电路，实现对整个控制器各部分的控制和数据处理。

通信部分采用模块化方式，选择NB-IoT网络技术。

调光部分分为三种方式：

PWM波调光、0-10V调光、调档调光，分别对应相应的电子镇流器实现调光功能。

使用NB-IoT网络给系统带来的优势有：

网络复杂度降低，从而降低通信过程中的风险；分布式系统，单个设备问题不影响其余的。

而集中控制对于集中器要求较高，集中器发生问题将导致整个网络瘫痪；充分发挥NB-IoT网络优势：

广覆盖、低功耗、低成本、大连接、授权频谱可靠安全。

传统的PLC/ZigBee/Sigfox/LoRa采用“分散自建网”方式，NB-IoT智能路灯利用运营商网络，路灯即插即用，并通过“一跳”的方式将数据传到路灯管理云平台。

由于使用运营商的网络，省去了后期的维护成本，网络的覆盖质量和优化也由电信运营商负责。

对比ZigBee/Sigfox/LoRa85%的在线连接率，NB-IoT可保证99.9%的接入成功率，因此可靠性更高，网络架构如图3所示。

（二）主要技术指标

1、使用单相交流电源供电，额定电压220VAC，允许偏差±20%，频率50Hz；

2、功耗：

静态消耗功率不大于4W，通讯发送时应不大于6W。

3、防护等级：

（1）密封（灌浆）：

防尘防水应符合GB4208-2008中规定的IP67级要求；

（2）非密封（不灌浆）：

防尘防水应符合GB4208-2008中规定的IP22级要求

4、调光类型0-10V/PWM可选50-2路控制开关量输出，每路可驱动5A/250VAC

5、模拟量采集性能：

（1）电压采集：

1路电压回路,范围176—264V，电压标称值220VAC，有效值误差＜1%；

（2）电流采集：

1-2路电流回路，范围0.03—5A，电流标称值5A，有效值误差：

30—1000mA±10mA，1-5A＜1%，低于30mA的小信号切除；

（3）有功功率、无功功率：

10W以上时误差＜2%；

（4）有功电能：

误差0-10kW*h±0.2kW*h，10kW*h以上＜2%；

（5）漏电流采集：

1路漏电流，采集范围0.02—0.5A，相对误差均≤15%，低于20mA的小信号切除。

6、发射功率：

23dBm

7、灵敏度：

-135dBm

8、USIM接口1.8/3.0V，支持SIM和USIM支持电信、移动、联通

9、天线增益3DB

10、环境适应性：

工作温度：

-40--+70℃，储存温度：

-40--+85℃；

大气压力为：

63—108kPa；

湿度：

10%--93%。

四、单灯智能控制系统在智能照明中的预期成果与效益

路灯节能改造有两种方式:

第一，把传统的高压钠灯或者是金卤灯之类的光源换成新型的LED光源