基于 NB-IoT物联网的路灯智能控制与故障诊断系统

根据《中国路灯现状与未来发展分析》，2010 年，中国具有路灯2700 万盏，按照 10-15%的年增长，2017 年底应该具有 4000 万盏路灯;全国主要城市 2016 年底路灯数量和广东省路灯数量如表：

路灯作为公共服务资源，不仅仅具有照明功能，还承载着交通安全、治安监控安全保障的作用。所以越来越多的城市开始对路灯进行智能化升级，全国大部分城市路灯的开关灯主要以配电柜为管控单元， 配电柜内安装定时开关、经纬仪开关等，每组配电柜分别管理 50-200 盏路灯。但是路灯巡查主要靠人查、车查。这种方式的缺点：

1)无法对单灯进行控制;

2)无法调整单灯的亮度，不能有效的节能;

3)巡查效率低，不能对单灯进行监控;

4)故障出现时，不能远程快速进行诊断;

5)资产管理方式粗放，不够精准;

随着 LED 路灯节能量的提高，智能控制系统的节能空间越来越小， 而路灯管理部门真正需求的是：科学化和智能化的管理，提高工作效率，保证亮灯率。

一、智能路灯控制系统的现状

随着城镇化进程的加快与互联网的发展，互联网已经应用到各行 各业，万物互联。同时随着 LED 技术的进步和广泛应用，基于互联网的智能路灯应运而生，这些智能路灯的互联方式有三种典型类型：PLC

(电力线通信)、ZigBee/SigFox/LoRa(小无线)、2G(GPRS)。这三种类型的通信方式，在高效、安全、可靠和开放四个方面均存在不足。

1、PLC 方式：PLC 是较早的物联技术，存在难以突破的技术瓶颈，即难跨越配电柜来扩大集中控制器的控制范围。需自行建网;存在较 多谐波，信号衰减快，信号不稳定，可靠性差;控制器采用简易的信 息防护机制，难以适应随处分布的路灯环境，安全性差;

2、ZigBee/SigFox/LoRa：使用公用免费频谱，经常受到 WiFi、企业无线专网或其它免费频谱的“互联”信号的同频干扰，信号很不可靠;

ZigBee/SigFox/LoRa 设备的发射功率是受限制的，覆盖也较差;与 PLC一样，需自行建网、自行维护，不便捷、低效;由于 ZigBee/SigFox/LoRa多为私有协议，如 LoRa 的协议为SEMTECH、IBM 和actility 三家私有，LoRa 芯片仅由 SEMTECH 生产，在标准开放性上很多限制。

3、2G(GPRS)：最大的问题是 2G 已在退网中。

二、NB-IoT 物联网技术

随着智慧城市、大数据时代的到来，无线通信将实现万物连接。 目前大量物与物的联接 大多通过蓝牙、Wi-Fi 等短距通信技术承载， 而非运营商移动网络。基于蜂窝的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT 构建于蜂窝网络，只消耗大约 180KHz 的带宽，可直接部署于 GSM 网络、UMTS 网络或 LTE 网络。NB-IoT 从 4G 演进而来，是专为规模联接而生的物联技术，快速实现规模化“互联”，主要价值体现在：免自建网、免自维护;可靠性高;全球统一标准，并支持向 5G 平滑演进。

三、基于 NB-IoT 物联网的路灯智能控制及故障诊断系统

1、通信组网方式

考虑到 PLC(电力线通信)、ZigBee/SigFox/LoRa(小无线)、2G(GPRS)的通信缺点，并结合路灯应用环境的复杂性，NB-IoT 在高效、可靠、安全和开放四个方面全面占优，而且 NB-IoT 覆盖更广，在同样的频段下， NB-IOT 比现有网络增益 20dB，覆盖面积扩大 100 倍，是智能路灯的最佳“互联”方案。

电力线载波或者 Zigbee 等通信方式的组网：单灯控制器+集中控制器+基站+Internet。单灯控制器与集中控制器进行通信，集中控制 器通过基站连接 Internet。某个单灯控制器出现故障，将无法实现此

控制器的通信，如果集中控制器出现故障，那么集中控制器管辖的范 围内的所有单灯控制器将无法实现通信。

图一：电力线载波或者 Zigbee 等通信方式的智能路灯复杂组网

图二、NB-IoT 物联网智能路灯组网图

NB-IoT 路灯智能控制系统自组网。每个单灯控制器自行与物联网云平台组网通信，所以不需要“集中控制器”、“服务器”等;即使某一个 单灯控制器出现故障，不影响其他单灯控制器的通信。

2、故障诊断功能

如采用 PLC(电力线通信)、ZigBee/SigFox/LoRa(小无线)、2G(GPRS)

三种通信方式，在单灯不亮时，最多可以做到故障定位，即可以知道 具体哪个灯没有亮。但是路灯管理部门需要更进一步的智能化，需要 及时了解故障的原因，比如电缆坏损、驱动电源坏损、光源坏损。而 上述三种通信方式无法实现。

1)电力线载波或者 Zigbee 等通信方式的智能路灯线路连接图

市电接入驱动电源“AC 输入”，驱动电源“DC 输出”接入控制器的“DC 输入”，控制器的“DC 输出”接入 LED 光源的“DC 输入”。控制器的“信号输出”接入驱动电源的“信号输入”。

即：控制器由驱动电源供电。如果市电电缆或驱动电源坏损而无 法供电，控制器将无法工作，也就无法诊断具体的故障原因。这种控 制系统更多的主要是节能控制，而非管理和诊断。

2)NB-IoT 物联网智能路灯线路连接图

220V 市电接入控制器的“AC 输入”;控制器的“AC 输出”接入驱动电源的“AC 输入”;驱动电源的“DC 输出”接入控制器的“DC输入”;控制器的“信号输出”接入驱动电源的“信号输入”。

A、路灯正常工作时，当单灯处市电没有供电，控制器内检测芯 片即可检测出交流端电压和电流的变化，诊断出故障，给出的故障信 号是“电缆故障”。

B、当单灯处市电正常供电，而驱动电源没有工作，控制器内的 检测芯片即可检测出驱动电源电压和电流的变化，诊断出驱动电源无输出，给出的故障信号是“驱动电源故障”;

C、当市电和驱动电源均正常工作，而驱动电源输出电流的为“0”，即可检测出光源故障，给出的故障信号是“光源故障”。

即：控制器是由市电供电，只要市电有电，就可以诊断驱动电源 和光源的故障。

实现路灯故障诊断可以帮助客户：

实现路灯故障诊断可以帮助客户：远程第一时间了解故障位置-故障定位;由于进行了三级故障诊断，使维修更具有针对性，从而提高维修效率;进行故障责任划分;

3)不间断双供电系统

如果市电无法供电，控制器将无法工作，这时只能做故障定位，而无法实现故障诊断。

真正实现三级故障诊断(电缆故障、驱动电源故障、光源故障)，需要在市电无法供电市时继续工作。最有效的技术方案就是采取双供电系统。即在控制内增加另外供电模块。具体如图。

路灯电源模块，所述路灯电源模块的输入端通过导线与市电连接;

取电电路，所述取电电路的输入端与所述路灯电源模块的输出端电性连接，取电电路的第一输出端与路灯灯管的输入端电性连接，取电电路的第二输出端与路灯监控系统的第一输入端电性连接;

蓄电模块(锂电池)，所述蓄电模块的输入端与取电电路的第三8 / 9

输出端电性连接，蓄电模块的输出端与路灯监控系统的第二输入端电性连接;

控制模块，当接入市电时，所述控制模块控制所述取电电路对蓄电模块进行充电，且控制所述蓄电模块不输出电能;当不接入市电时，控制模块控制所述蓄电模块对路灯监控系统进行供电。

小结：没有实现双供电的智能控制系统，是无法完整的对电缆工作状态、驱动电源工作状态、LED光源的工作状态，进行实时监控和完整地故障诊断。

3、智能节能控制

控制器通过控制驱动电源1-5V调光对LED路灯进行调光。用户在实际的应用中，可以定时的设置LED光源的工作功率范围，也可以实时的设置LED光源的工作功率范围，从而实现更加人性化的节能。也可以精准的单灯控制，为了保证交通安全和治安安全，比如十字路口、监控摄像头附近的路灯不进行节能调节。

4、功能拓展

NB-IoT强大、稳定的通信功能，为智慧城市的提供了通信保证，所以，借助NB-IoT物联网的路灯智能控制系统，可以拓展很多功能。可以拓展的功能。

综述，基于NB-IoT物联网的路灯智能控制及故障诊断系统具有如下优点。