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：使用公用频谱，经常受到 WiFi、企业无线专网或其它频谱的“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）：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；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“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，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。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。