關(guān)鍵詞:智慧照明 單燈控制系統(tǒng) NB-IoT技術(shù) 效益分析
隨著物聯(lián)網(wǎng)、下一代互聯(lián)網(wǎng)、云計算等新一代信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，城市智能照明已成為必然趨勢。近年來，智慧城市新政頻出，我國多個城市掀起了智慧城市建設(shè)高潮。政府出臺了一系列政策措施推進智慧城市建設(shè)，智能照明作為智慧城市建設(shè)中的重要組成部分，作為智慧城市建設(shè)中最基礎(chǔ)的公共設(shè)施之一，自然也備受關(guān)注。根據(jù)《“十三五”城市綠色照明規(guī)劃綱要》（報批槁）目標(biāo)來看，中國將以46%的增速新建1200萬盞LED燈，并改造50%的已有路燈，總規(guī)模達到290億元，預(yù)計未來仍然會得到政策支持。
一、智能照明發(fā)展概況和相關(guān)支持政策
1、發(fā)展概況
智能照明，是智慧城市的重要組成部分。它應(yīng)用電力線載波/ZIGBEE通信技術(shù)和無線GPRS/CDMA通信技術(shù)、NB-IoT技術(shù)，將城市中的路燈串聯(lián)起來，形成物聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)對路燈的遠程集中控制與管理，具有根據(jù)車流量、時間、天氣情況等條件設(shè)定方案實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)亮度、遠程照明控制、故障主動報警、燈具線纜防盜、遠程抄表等功能；智能照明可以有效控制能源消耗，大幅節(jié)省電力資源，提升公共照明管理水平，降低維護和管理成本并利用計算機等信息處理技術(shù)對海量感知信息進行處理和分析，對包括民生、環(huán)境、公共安全等在內(nèi)的各種需求做出智能化響應(yīng)和智能化決策支持，使得城市道路照明達到“智慧”狀態(tài)。智能照明未來是物聯(lián)網(wǎng)重要的信息采集來源，并有助于實現(xiàn)城市及市政服務(wù)能力的提升，如圖1所示。
（1）通過全面普查、編碼和定位，形成直觀可視、圖表結(jié)合、條理清晰、條塊合理的城市照明空間數(shù)據(jù)檔案，以地理信息系統(tǒng)(GIS)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)精細化、可視化、動態(tài)化管理。同時，燈桿標(biāo)牌可為公安 110 報警、城市應(yīng)急指揮等提供定位信息，實現(xiàn)燈桿定位，助力城市維穩(wěn)，提升路燈價值。
（2）基于智能監(jiān)控理念，以“三遙”（遙控、遙測、遙信）功能為主要手段，實現(xiàn)道路照明、夜景照明等公共照明設(shè)施的一體化、集中化和智能化監(jiān)控管理，保障城市照明需求。
目前，我國大多數(shù)城市已應(yīng)用路燈監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)對全城路燈的統(tǒng)一啟閉、數(shù)據(jù)巡測、故障自動報警等功能，但基本還未實現(xiàn)對每盞燈的遠程自動控制以及未能實時掌握每盞燈的電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)信息以及故障信息。而通過建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)單燈智能控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)“燈盞級”照明控制，達到“控制到燈、監(jiān)測到燈、節(jié)能到燈”的智能照明目標(biāo)。
2、相關(guān)支持政策
推進城市智能照明等的試點示范，結(jié)合智慧城市開展城市智能照明應(yīng)用試點示范，發(fā)揮城市照明在智慧城市建設(shè)中的功能與作用,實現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智能照明新發(fā)展。
《物聯(lián)網(wǎng)的“十三五”規(guī)劃（2016年-2020年）》中指出堅持創(chuàng)新驅(qū)動。強化創(chuàng)新能力建設(shè)，完善公共服務(wù)體系，加快建立以企業(yè)為主體、政產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系。加強面向智能信息服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，大力發(fā)展新技術(shù)、新產(chǎn)品、新商業(yè)模式和新業(yè)態(tài)，加快打造智慧產(chǎn)業(yè)和智能化信息服務(wù)。
《國家智慧城市試點暫行管理辦法》中住建部先后公布三批277個智慧城市試點名單，并將智慧照明作為智慧城市核心子系統(tǒng)被重點推廣。
《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃（2014-2020年）》中指出順應(yīng)科技進步和產(chǎn)業(yè)變革新趨勢，發(fā)揮城市創(chuàng)新載體作用，依托科技、教育和人才資源優(yōu)勢，推動城市走創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展道路。激發(fā)全社會創(chuàng)新活力，推動技術(shù)創(chuàng)新、商業(yè)模式創(chuàng)新和管理創(chuàng)新。
《關(guān)于促進智慧城市健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》中指出到2020年，建成一批特色鮮明的智慧城市，聚集和輻射帶動作用大幅增強,綜合競爭優(yōu)勢明顯提高，在保障和改善民生服務(wù)、創(chuàng)新社會管理、維護網(wǎng)絡(luò)安全等方面取得顯著成效。實現(xiàn)公共服務(wù)便捷化,城市管理料細化，生活環(huán)境宜居化,基礎(chǔ)設(shè)施智能化，網(wǎng)絡(luò)安全長效化。
因此有必要開展物聯(lián)網(wǎng)單燈智能控制系統(tǒng)的研究，在現(xiàn)有LED路燈及高壓鈉燈等的基礎(chǔ)上，基于物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)的單燈精細化管理，提升整體智慧照明能力。實現(xiàn)單盞路燈光源的精細化管理。
二、單燈智能控制系統(tǒng)研究意義
傳統(tǒng)的路燈監(jiān)控系統(tǒng)往往是一根電纜帶動30—50盞燈，一旦發(fā)生故障，需要逐一排查，確定故障燈后再維修，而且在開關(guān)燈或亮度調(diào)節(jié)時，也只能是幾十盞燈一齊調(diào)節(jié)。單燈控制是對傳統(tǒng)路燈監(jiān)控技術(shù)的革新與升級，通過安裝單燈控制終端設(shè)備、建立無線網(wǎng)絡(luò)傳輸通道，實現(xiàn)對每一盞路燈的精確監(jiān)控。
單燈控制就是每一盞路燈都能實現(xiàn)人機對話、主動報警、開關(guān)可控、功率可調(diào)這四項功能。通過單燈遠程監(jiān)控系統(tǒng)，可以實時監(jiān)測每盞路燈的電流、電壓等參數(shù)，維護人員通過手機終端，可以第一時間了解路燈設(shè)施的運行狀態(tài)。每盞燈具出現(xiàn)故障主動報警，維護人員從傳統(tǒng)的“巡查維修”轉(zhuǎn)變?yōu)椤岸c維修”，大大提高了工作效率。同時，每盞燈具可以隨時任意開關(guān)、靈活組合，并根據(jù)車流量、人流量、時間點，對同一路段不同路燈的光照度進行調(diào)節(jié)，達到節(jié)能的目的。
單燈智能控制系統(tǒng)能夠靈活開/關(guān)燈，隨時了解運行參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)故障，著重解決能源浪費、維護困難等問題，極大地提高照明系統(tǒng)的管理效率。系統(tǒng)能將采集到的數(shù)據(jù)自動進行存儲、統(tǒng)計，并能隨時進行查詢和打印，極大地提高管理水平，同時還能通過全夜燈、半夜燈和智能調(diào)壓等手段，降低能耗，提高設(shè)備使用壽命，獲得良好的經(jīng)濟效益。但由于各種通訊傳輸媒介自身特性和現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性，在工作可靠性方面仍然存在一些缺點。如：電力載波方式可能會因為埋地線路鋪設(shè)的不規(guī)范或者不明諧波信號干擾，導(dǎo)致故障原因排查困難且成本高；而ZigBee、WiFi、藍牙等2.4G信號通道使用廣，傳輸距離短、穿透能力弱和易受干擾等，導(dǎo)致工作不穩(wěn)定。使用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)比現(xiàn)有的LTE提升20dB增益，相當(dāng)于提升了100倍覆蓋區(qū)域能力，對于廠區(qū)、地下車庫、井蓋等復(fù)雜場所同樣適用，彌補當(dāng)前技術(shù)的眾多缺點，從而更好地滿足城市照明監(jiān)控系統(tǒng)的需求。
（1）采用單燈控制技術(shù)，構(gòu)建路燈物聯(lián)網(wǎng)，精準(zhǔn)控制每一盞路燈，在保證照明需求的前提下，根據(jù)季節(jié)、路段、天氣、特殊場合等條件設(shè)定路燈運行方案，真正實現(xiàn)“按需照明”，深化節(jié)能減排。
（2）通過單燈“在線巡測”，及時發(fā)現(xiàn)路燈故障并在地圖上進行精準(zhǔn)定位，轉(zhuǎn)變“人工巡檢、熱線報修”的傳統(tǒng)運維方式，實現(xiàn)定向運維、主動服務(wù)，減輕勞動強度，提高路燈運維效率，降低運維成本。
目前國內(nèi)城市照明的監(jiān)控和管理方式相對簡單、粗放，服務(wù)質(zhì)量和節(jié)能水平有待提高，難以滿足現(xiàn)代化城市智能照明的需要。城市智能照明承載著城市安全、節(jié)能和高效維護的愿望，但至今未能規(guī)?；渴?，究其原因，技術(shù)上主要是因為當(dāng)前的互聯(lián)技術(shù)無法滿足到處分布的路燈的“互聯(lián)”需求。NB-IoT技術(shù)的出現(xiàn)，使當(dāng)前的“互聯(lián)”問題迎刃而解。NB-IoT從4G演進而來，是專為規(guī)模聯(lián)接而生的物聯(lián)技術(shù)，可讓路燈隨時接入，快速實現(xiàn)規(guī)?；盎ヂ?lián)”，從而推進智能路燈規(guī)?；渴?。
三、以NB-IoT技術(shù)為核心的單燈智能控制系統(tǒng)的工藝流程、技術(shù)指標(biāo)
NB-IoT是基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接。它采用3GPP授權(quán)頻段能避免干擾問題，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)。目前國內(nèi)運營商正積極布局相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施，為其發(fā)展提供廣闊的空間。在 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，智能照明由感知層路燈監(jiān)控智能終端設(shè)備、NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)控中心（云端平臺）3 個部分組成。智能的NB燈控器內(nèi)部包含電流與電壓計量電路，它可以實時采集路燈控制器的負載工作情況，大大減少路燈管理部門的工作壓力，提高工作效率，從而顯著提高社會節(jié)能效益。
（一）主要工藝流程
單燈智能控制系統(tǒng)主要包括單燈控制器、通信傳輸系統(tǒng)和中心管理系統(tǒng)三部分：
1、單燈控制器
可以控制路燈開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)、電流采集、電壓采集、計算功率及功率因素等，可附加溫度采集、燈桿傾斜檢測等功能。
2、通信傳輸系統(tǒng)
這是構(gòu)建大區(qū)域、跨平臺的物聯(lián)網(wǎng)通信平臺，實現(xiàn)全城范圍內(nèi)照明設(shè)備的互聯(lián)互通。從中心管理系統(tǒng)到低壓配電柜(變壓器、節(jié)電器)控制終端設(shè)備采用NB-IoT、GPRS、LTE等蜂窩網(wǎng)絡(luò)。
3、中心管理系統(tǒng)
這是整個智能路燈系統(tǒng)的核心，包括數(shù)據(jù)的分析、匯總、存儲和控制命令的發(fā)布等功能，同時具有路燈巡檢、路燈設(shè)備管理、路燈運行維護管理和相關(guān)運行報表功能。中心管理系統(tǒng)由通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、工作站和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成。
控制器通過接入220VAC實現(xiàn)對路燈的單點控制、監(jiān)測和調(diào)光。采用NB-IoT無線模塊與系統(tǒng)平臺進行通信，將采集到的路燈數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器并執(zhí)行主臺軟件下發(fā)的命令。
主要電路包括了電源、采集、控制、MCU、通信、調(diào)光六個部分，如圖2所示：
電源部分為電路其他部分的正常工作提供電源，主要可分為三個部分，第一路為采集電路提供5V電源，第二路為MCU、控制、通信提供12V和3.3V電源，第三路為調(diào)光部分提供電源。
采集部分主要對路燈的電壓電流功率的參數(shù)進行實時采集并與MCU進行數(shù)據(jù)交互。
控制部分使用過零點延時控制繼電器的動作實現(xiàn)對路燈的開關(guān)燈、調(diào)檔節(jié)能等的控制。
MCU為主芯片、實時時鐘等其它外圍電路，實現(xiàn)對整個控制器各部分的控制和數(shù)據(jù)處理。
通信部分采用模塊化方式，選擇NB-IoT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
調(diào)光部分分為三種方式：PWM波調(diào)光、0-10V調(diào)光、調(diào)檔調(diào)光，分別對應(yīng)相應(yīng)的電子鎮(zhèn)流器實現(xiàn)調(diào)光功能。
使用NB-IoT網(wǎng)絡(luò)給系統(tǒng)帶來的優(yōu)勢有：網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度降低，從而降低通信過程中的風(fēng)險；分布式系統(tǒng)，單個設(shè)備問題不影響其余的。而集中控制對于集中器要求較高，集中器發(fā)生問題將導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)癱瘓；充分發(fā)揮NB-IoT網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢：廣覆蓋、低功耗、低成本、大連接、授權(quán)頻譜可靠安全。傳統(tǒng)的PLC/ZigBee/Sigfox/LoRa采用“分散自建網(wǎng)”方式，NB-IoT智能路燈利用運營商網(wǎng)絡(luò)，路燈即插即用，并通過“一跳”的方式將數(shù)據(jù)傳到路燈管理云平臺。由于使用運營商的網(wǎng)絡(luò)，省去了后期的維護成本，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量和優(yōu)化也由電信運營商負責(zé)。對比ZigBee/Sigfox/LoRa 85%的在線連接率，NB-IoT可保證99.9%的接入成功率，因此可靠性更高，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。
（二）主要技術(shù)指標(biāo)
1、使用單相交流電源供電，額定電壓220VAC，允許偏差±20%，頻率50Hz；
2、功耗：靜態(tài)消耗功率不大于4W，通訊發(fā)送時應(yīng)不大于6W。
3、防護等級：
（1）密封（灌漿）：防塵防水應(yīng)符合GB 4208-2008中規(guī)定的IP67級要求；
（2）非密封（不灌漿）：防塵防水應(yīng)符合GB 4208-2008中規(guī)定的IP22級要求
4、調(diào)光類型0-10V/PWM可選5 0-2路控制開關(guān)量輸出，每路可驅(qū)動5A/250VAC
5、模擬量采集性能：
（1）電壓采集：1路電壓回路,范圍176—264V，電壓標(biāo)稱值220VAC，有效值誤差＜1%；
（2）電流采集：1-2路電流回路，范圍0.03—5A，電流標(biāo)稱值5A，有效值誤差：30—1000mA ±10mA，1-5A＜1%，低于30mA的小信號切除；
（3）有功功率、無功功率：10W以上時誤差＜2%；
（4）有功電能：誤差0-10kW*h ±0.2kW*h，10kW*h以上＜2%；
（5）漏電流采集：1路漏電流，采集范圍0.02—0.5A，相對誤差均≤15%，低于20mA的小信號切除。
6、發(fā)射功率：23dBm
7、靈敏度：-135dBm
8、USIM接口1.8/3.0V，支持SIM和USIM支持電信、移動、聯(lián)通
9、天線增益3DB
10、環(huán)境適應(yīng)性：
工作溫度：-40 -- +70℃，儲存溫度：-40 -- +85℃；
大氣壓力為：63—108kPa；
濕度：10%--93%。
四、單燈智能控制系統(tǒng)在智能照明中的預(yù)期成果與效益
路燈節(jié)能改造有兩種方式:第一，把傳統(tǒng)的高壓鈉燈或者是金鹵燈之類的光源換成新型的LED光源；第二，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上對路燈進行升級，即在現(xiàn)有路燈上安裝單燈控制器。新型的單燈控制器可以使路燈控制智能化，并可以通過0-10v、PWM等接口使調(diào)光降功率運行；既提升了城市路燈的整體控制實現(xiàn)智能化，又能夠達到節(jié)能減排的目的。因此，二次節(jié)能明顯、具有智能化管理的照明方案成為路燈管理的熱點。
本文以鎮(zhèn)江現(xiàn)有照明現(xiàn)狀為例。目前，鎮(zhèn)江市城區(qū)路燈總功率10724千瓦，按年開燈時間4015小時，每度電0.83元計算，年耗電4310萬度，計3577萬元。
以250w的高壓鈉燈為例，應(yīng)用城市智能道路照明單燈控制系統(tǒng)后，單盞燈每天亮12個小時，每天晚上10點至12點功率降至70%，凌晨12點至6點功率降至30%。按照0.83元/千瓦時，每年每盞燈可以節(jié)約費用約700元，節(jié)能效益成本一年減少了70%，如表1所示。
改造前后運維巡檢方式也將做出調(diào)整，以往傳統(tǒng)人工巡檢方式中，班組15人中安排12個人輪流值班進行路面巡檢，3人在值班調(diào)度室通過電話接受現(xiàn)場信息，這種巡檢方式存在的弊端是運維人員定位難，需要到現(xiàn)場對路燈逐個排查，通過各種方式進行檢測，方能將問題分析出來，容易產(chǎn)生物料配備不全，故障排查效率低的問題 。
單燈智能控制系統(tǒng)將采用系統(tǒng)定時自動巡檢、所有問題自動上傳監(jiān)控中心，2人負責(zé)監(jiān)控中心指揮調(diào)度，6人在路面進行巡檢，此外，2人在指揮中心兼職有任務(wù)時再出發(fā)，檢修車外派之前可根據(jù)系統(tǒng)所采集的運行信息，明確故障的準(zhǔn)確地點和設(shè)備狀態(tài)，提前完成檢修備料工作,大大縮短了維修時間、提高了檢修效率，最后系統(tǒng)根據(jù)需要，生成日、周、月各類報表。
全面普及單燈智能控制系統(tǒng)后，運維巡檢成本一年可以減少43%，如表2所示。
根據(jù)鎮(zhèn)江經(jīng)信委公布的數(shù)據(jù)，2017年全年，全市全社會用電量完成212.20億kW·h，比上年同期增長9.68%，增幅列蘇南第2位，全省第7位；比全省平均增幅（8.20%）高1.48個百分點，比蘇南平均增幅（7.22%）高2.46個百分點。
該項目年消耗的電力為4310萬kW·h，所占鎮(zhèn)江市“十三五”電力消耗增量的比例微乎其微，不會對鎮(zhèn)江市電力消耗產(chǎn)生影響。
該項目用水量較小，不會對當(dāng)?shù)厮M產(chǎn)生影響。
該項目無天然氣消耗，不會對當(dāng)?shù)靥烊粴庀M產(chǎn)生影響。
因此，該項目不會對當(dāng)?shù)啬茉聪M產(chǎn)生影響，如表3所示。
這么多的電能每年將消耗5296.9噸標(biāo)準(zhǔn)煤，并產(chǎn)生9302噸粉塵、34097噸二氧化碳和1026噸二氧化硫的排放。如果全面普及實施單燈智能控制系統(tǒng)，那么，在鎮(zhèn)江智能照明管理中二次節(jié)能率按節(jié)電率37%計算，每年將節(jié)電1594.7萬度，計1323.6萬元，每年可減少消耗1959.8噸標(biāo)準(zhǔn)煤，每年可少排放1674噸粉塵、6137噸二氧化碳和185噸二氧化硫。
