基于NB-IoT的智慧路灯系统

0 引 言

国家“十三五”规划明确提出建设“以基础设施智能化、 公共服务便利化、社会治理精细化为重点，充分运用现代信息 技术和大数据”的“智慧城市”。而道路照明作为城市的基础 公共设施之一，对于其如何实现智能化的运营管理是目前热门 的研究课题。采用基于窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）技术的智慧路灯系统，可智能、合理地运 营城市道路照明体系，通过对系统内每一盏路灯的管控、调 光及监测，可有效节省运维成本，增加经济效益，提高城市 道路照明的管理效率，满足智慧城市设施智能化、治理精细 化的诉求。

1 NB-IoT 智慧路灯系统的技术优势

传统的道路照明控制采用组控方式，即通过路灯配电箱 内电路的通断来统一控制若干数量路灯的开关，不具备单灯 控制功能，后台无法采集个体灯杆的状态信息，无法监管单灯 是否出现故障，难以实现精细化管理。其主流的节能措施为 时间控制和光照控制，即采用调节电压及半夜灯控制等手段， 但效果十分有限。而本文所述的智慧路灯系统采用 NB-IoT 技 术，不仅能对单灯进行远程开关控制，还能实现连续调光功能， 在照明非高峰期时段调低灯光亮度，有效降低道路照明能耗。 同时，通过采集路灯运行数据信息并进行智能分析，可实现远 程故障分析定位，从而有效提高维护人员排查、清障的效率， 大大节省了维护成本，实现了高效、可靠、节能的城市照明管 理目标。此外，智慧路灯还可在关灯的情况下不断电，为智 慧灯杆上其他需要供电的设备（微基站、摄像头、WiFi 模块、 环境监测模块等）提供支持。

NB-IoT 智慧路灯系统提供的端到端安全管理方案，可 有效保障数据的可靠性。电信运营商基于授权频谱组建的 NB-IoT 网络，其抗干扰能力、数据安全性、技术服务等方面 均有高安全性保障，易于推广，为城市照明的数据整体安全提 供可靠保障。广域低功耗 NB-IoT 技术具备广覆盖、大连接、 高可靠等优势，可满足城市路灯部署范围广、杆体数量多、数 据可靠性要求高的需求。同时，电信运营商提供的统一 IoT 平 台，可解决不同终端厂商协议的兼容性问题，满足单灯控制器 接入便捷性的要求，解决了互联互通互换的大规模连接问题。

2 基于 NB-IoT 技术的智慧路灯系统

基于 NB-IoT 技术的智慧路灯系统运用高安全、广覆盖、 低功耗、大连接广域通信技术，实现了对路灯信息实时采集、 设备状态监测、控制指令下发等远程操作。将采集的路灯运行 数据和状态信息进行及时分析和处理，实现了科学性的动态 管理，从而提升了路灯运营的管理效率和服务水平。

2.1 系统结构

基于 NB-IoT 技术的智慧路灯系统架构如图 1 所示，主 要包含四层结构，即感知层、传输层、平台层和应用层。

感知层是集成了 NB-IoT 模组的单灯控制器装置，用以 控制每盏路灯的开、关以及采集路灯信息，并通过 NB-IoT 模 组与无线网络通信。

传输层采用先进的 NB-IoT 广域通信技术，授权无线频 谱资源以及电信级端到端的安全技术，以保障数据安全和接 入安全。

平台层拥有丰富的协议适配能力，支持海量多样化终端 设备接入，基于统一规约和接口，实现不同类型终端设备及不 同应用平台的统一接入和管理，以确保互联互通。

应用层是在服务器上运行的路灯管理平台，管理员可以 在 PC 终端通过 Internet 经身份验证后进行远程数据查询和控 制，还可在手机端安装管理软件，实现随时随地的信息监测 与管理操控。

2.2 单灯控制器

单灯控制器作为智慧路灯系统的终端节点，不仅可以采 集与路灯运行相关的信息并发送给远端管理平台，还可以接 收来自管理平台的各种操作指令，对单个路灯进行开关控制以 及灯光亮度调节。标准的 NB-IoT 单灯控制器主要由各类传感 器、功率检测模块、单片机微处理器、NB-IoT 无线通信模组 及驱动电源模块组成。单灯控制器使用集成的各类传感器测 量路灯的温度和周边光照亮度，使用功率检测模块检测供电 状况及路灯的工作功率，并将采集的数据由 NB-IoT 模组经运 营商网络发送至路灯管理平台，由管理平台进行相应的操控。

2.3 NB-IoT 网络

网络是整个物联网的通信基础，本系统基于电信运营商 的 NB-IoT 网络，具有低速率、低功耗、低成本、广覆盖等特点， 与其他 LPWA 技术相比，NB-IoT 网络基于授权频谱组建，其 抗干扰能力、数据安全性、技术服务等方面均有高安全性保障。

NB-IoT 具备以下几大特点，可完美匹配城市路灯智能控 制的需求 ：

（1）深度覆盖 ：通过提高功率谱密度和增加重传次数等 技术手段，在相同频段下，NB-IoT 比 GPRS 网络增益提高约 20 dB，可提供更广更深的覆盖能力，满足大街小巷路灯的无 缝覆盖。

（2）海量连接 ：NB-IoT 使每个小区具备支撑 5 万个连接 的能力，满足覆盖范围内所有路灯可靠接入的需求。

（3）低功耗 ：NB-IoT 使用 PSM 和 eDRX 技术，通过简 化无线协议、缩短收发时间等措施，降低终端功耗，符合城 市照明节能的要求。

（4）NB-IoT 低速率、低功耗、低带宽的特性带来了低成 本优势，在模组规模商用化后可将成本控制在 5 美元 / 个以下。

2.4 IoT 平台

IoT 平台拥有提供连接管理、设备管理、数据管理、能 力开放等基础功能，支持多种物联网终端设备快速接入及各 行业应用的快速集成，支持客户聚焦应用和业务创新，平台 提供连接感知、连接诊断、连接控制等连接状态查询及管理 功能。同时，IoT 平台还可以屏蔽不同设备和连接协议的差异 性，使用统一的标准和协议与应用层连接。平台可提供灵活高 效的数据管理，包括数据采集、分类、结构化存储，数据调 用、使用量分析，并提供分析性的业务定制报表。将业务进行 模块化设计，实现业务逻辑的灵活编排，以满足行业应用的 快速开发需求。

2.5 智慧路灯管理平台

智慧路灯管理平台通过 NB-IoT 网络及 IoT 平台与路灯的 单灯控制器建立连接，发送命令实现单盏路灯的远程开关控 制和状态、故障检测。智慧路灯管理平台可在电子地图上标 示每盏路灯，并统计每盏路灯的开关状态、功耗等信息，同 时建立运行日志数据库，永久保存数据。管理平台可对路灯出 现的故障进行及时提示、告警，并提供打印维护订单等功能。 管理平台可远程对单灯控制器进行软件更新升级。

3 应用案例

长沙市隆平高科技园为建设智慧园区，率先在雄天路路段 采用智慧路灯系统进行道路照明的体制改造。本系统采用中国 电信 NB-IoT 网络，在单灯控制器上集成上海移远 BC-95 NB- IoT 模组，其接收灵敏度为－129 dBm。基于 800 MHz 频段 的电信 NB-IoT 网络，信号穿透力强，在覆盖方面具有较大优 势，能满足城市路灯分布在各角落复杂环境下的覆盖需求。同 时，电信级运营网络可保障数据的可靠性和安全性。经测试， 试点路段电信 LTE 800 MHz 网络参考信号接收功率（Reference Signal Receiving Power，RSRP）在－80 ～－90 dBm 间，按照 理论测算，该路段 NB-IoT 网络的 RSRP 值应大于－70 dBm， 信号覆盖完全满足 NB-IoT 模组的接收灵敏度要求。而在实际 应用中，单灯控制器与管理平台连接稳定，也进一步验证了本 路段 NB-IoT 网络的覆盖性能。试点路段电信 LTE 800 MHz 网 络 RSRP 的测试结果如图 2 所示。

本系统基于路段的实际天气和环境状况，通过管理平台 与单灯控制器内置的传感器及控制器进行联动以进行智能调 节，在深夜车流稀少时调低路灯亮度、间隔开灯，在光照条 件不好的阴雨天，根据亮度感知及时开灯。系统结合 LED 路 灯，并组合使用照明策略，相比高压钠灯等传统路灯，可节能 80%。系统管理平台以云服务为主架构，搭配可扩展性的软件 应用，方便路灯管理者通过电脑、手机随时随地进行路灯操 控和监测。同时，系统采用可视化管理和预测性维护，可有效 降低运维成本。智慧路灯管理平台如图 3 所示。

基于 NB-IoT 的智慧路灯系统有效提高了雄天路的道路 照明品质和公共照明管理水平，隆平高科技园区内其他主干道后续也将改造成智慧照明路，并将逐步建设成一个生活配套 齐全、商务服务周到、园区综合管理高效的多层次智能化智慧 园区。

4 结 语

基于 NB-IoT 技术的智慧路灯系统，结合电信运营商的 NB-IoT 网络、大数据、平台等服务功能，通过构建形式多样 的管理平台，可实现路灯的单灯监控及故障管理，符合物联 网智能、互联的需求。将 NB-IoT 技术应用于城市道路照明的 智能化管理有助于提升城市及市政服务能力，是智慧城市的 重要组成部分。未来，还将从智慧路灯系统拓展到环境监控 系统、安全防灾监控系统、智能充电桩、智能信息告示牌等， 从智慧路灯向智慧城市迈进，提升社会服务能力。