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摘要：NBIOT是低功耗长距离无线通信技术，在水电气等公共事务领域的远程抄表中得到广泛应用，本文重点讨论了将NBIOT技术应用在城市道路照明的智慧路灯控制系统中的实现。
关键词：NBIOT;单灯控制器
一、背景
道路照明是城市公共设施的重要组成部分，目前国内的照明系统大多没有采用网络化监管，现有基于GPRS以及其他网络的路灯控制系统一般采用集中控制，只能以区域为单位对照明系统进行简单的开关控制，或者以街道为单位进行控制，是粗放式控制，不靈活，不节能;存在控制要素少，环境反应能力弱等缺点。路灯覆盖面积广，而集中控制会导致难以进行统一管理，存在安全隐患，无法快速掌握路灯运行状态，无安全保障，统计困难等问题。而且开关控制缺乏灵活，效率低下，用电浪费，不符合国家对节能减排的要求。同样的问题，也存在于学校、大型展台及其他大规模使用电灯照明或装饰的场合。
随着 NB-IOT 技术的成熟成熟，运营商大规模投资 NB-IOT 网络。以中国移动为例，2017年下半年中国移动加大了在 NB-IOT 网络市场的竞争力度，提前集采了111万面 NB-IOT天线，招标了14.6万个基站，并颁布企业政策，NB-IOT专项补贴率最高可达 80%。其他两家运营商同样致力于NB-IOT网络的市场竞争。据相关数据显示，2020年国内NB-IOT网络连接数规模在6亿左右。 NB-IOT 网络目前主要应用于物联网领域，推动智慧城市建设。
运用 NB-IOT 网络建设智慧化照明系统，提高照明系统的管理效率，减少能耗是值的我们研究的新方向。基于 NB-IOT 网络的照明系统也符合未来市场“绿色经济”的发展方向，具有着很强大的市场潜力。
二、研究内容
5G时代来临，NB-IOT技术聚焦于低功耗广覆盖（LPWA）物联网（IoT）市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。
1、项目主要研究具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优的NB-IOT技术在单灯控制器中的应用;
2、研究NB-IOT技术与单灯控制器相结合的实用性;
3、在中国节能减排号召下，研究NB-IOT无线组网单灯控制器在实践中的可行性以及可靠性;
4、研究单灯控制器在硬件电路上的功能实现，寻找低成本、更可靠的硬件电路结构。
三、系统的主要功能
在路灯智能控制系统中，NB单灯控制器作为信息采集和控制命令执行终端，直接监测控制路灯的运行工作，具体应用如图2-2所示。
路灯智能控制系统主要由监控中心（包括控制设备、服务器、显示设备、监控软件等）、NB-IOT平台、应用平台、NB单灯控制器及通讯系统等构成。
NB单灯控制器与路灯直接连接，采用运营商网络通过NB-IOT平台与应用平台通信，应用平台与监控中心之间通过互联网等方式进行远程通信，监控中心服务器上安装路灯监控软件。同时，远程监控中心可通过服务器、数据库对路灯系统进行远程控制。
四、单灯控制器主要参数设计
NB单灯控制器负责采集路灯的实时数据，数据经由应用平台记录存储，并定时或根据监控中心的指令将数据上报，监控中心通过监控软件将数据自动汇总，形成数据报表或图表，使得监控人员可以实时、直观地了解路灯的当前情况。监控中心的管理人员也可以通过监控平台远程向设备发送指令，如要求上报数据、开关路灯、路灯调光等。
NB单灯控制器在路灯智能控制系统中的主要功能有：
1、记录上报灯具实时电压、电流、功率因素等参数。
2、接收应用平台的命令，实现开灯、关灯、调光的功能。
3、欠载、异常开灯、调光信号等报警功能。
4、欠载报警：开灯状态下，当负载以额定功率工作时检测到功率小于20W，将发出欠载报警信号;在使用调光设备调光时，因调光等级设置在较低等级而检测到功率低于20W时，不报警。
5、异常开灯报警：关灯状态下，检测到功率大于20w时，发出异常开灯报警。
6、PWM调光信号报警：当PWM调光信号报警信号触发时，发出报警信号。
五、单灯控制器的电路功能模块
NB-IOT单灯控制系统一般由输入电路、NB-IOT电路、主控电路、输出电路组成，各个模块电路之间相互紧密连接，如图2-3所示。
（一）输入电路
NB-IOT单灯控制器输入电路为交流电，并在输入后，由整流电路转换为直流电供整个单灯控制器使用，其流程如下：
1、输入端接LAN线，输入220V交流电，同时连接到电源电路（桥式整流滤波电路）;
2、连接到电源电路后利用变压器、电容及二极管的特性功能，将220V交流电变为平滑的直流电后，输送到STM32组成的主控电路。
（二）NB-IOT电路
基于NB-IOT芯片的信号接收及发送电路，可以与其余单灯控制器形成蜂窝网络和灯联网，接受NB云台的无线传输信息和无线遥测，并于主控电路形成单灯控制器主电路，其流程为：
1、首先基于蜂窝的窄带物联网功能与此区域的照明设备和NB云台形成互联状态;
2、当互联状态形成，一边与NB云台产生数据互通，一边与单灯控制器内部电路形成关联;
3、同时使用电源电路滤波后的直流电进行驱动。
（三）主控电路
主控电路是整个NB-IOT单灯控制器的核心，由STM32芯片的CPU电路为主导，周围集成采集电路、PWM调光电路、控制电路、报警电路，同时配合NB-IOT模块和输出电路，形成完整的控制过程，其流程为：
1、当CPU电路接受到来自电路电源电路的直流电后，供应到各个模块; 2、当NB-IOT模块接受到来自云台的指令后，整个系统开始工作。首先采集电路开始采集单灯控制器的电压、电流、功率、温度等信息，确保控制器正常后，信息返回至CPU电路。后PWM调光电路开始依据CPU电路传送的数据进行智能调光同时传送信号到输出电路;
3、当采集电路采集的信号正常时，报警电路继续工作，如采集數据不正常，报警电路是由LED组成，将发出报警红光并上传数据至云台;
4、控制电路与PWM调光电路配合，一起连接到输出电路中，所有一切正常时，控制电路连接通输入电路的分支，运送220V交流电至输出电路。
（四）输出电路
输出电路主要由控制电路与PWM调光电路配合，然后将调光数据和220V电输送到单灯控制器外部的LED Driver和LED灯泡，此时整个照明设备完全正常工作。
一切电路的运行指标和数据检测，都会实时上传到NB云台，可以随时在NB云台进行查看。
六、单灯控制器的具体电路设计
NB-IOT单灯控制器基于32位ARM处理器为核心，配合控制电路、供电电路、NB通信模块、调光模块、参数采集模块形成整个单灯控制器的硬件电路结构，同时结合NB-IOT传输网络，将数据上传到NB云服务器进行处理。
如图2所示电路是以32位微控制器为核心，配合相关的硬件和软件设计，接收主站命令，实现开灯、关灯、调光、数据查询以及故障报警等功能。
如图3所示电路为NB-IOT模块电路，基于NB-IOT芯片的信号接受及发送电路，可以与其余单灯控制器形成蜂窝网络和灯联网，接受NB云台的无线传输信息和无线遥测，并于主控电路形成单灯控制器主电路。
单灯控制器内置电压、电流、温度采集模块，如图4所示，可以实时侦测单灯控制器的工作状态，及时检测单灯控制器的故障信息，并传给集中控制器，完成单灯的预警功能，解决了路灯维护的工作量。并由桥式整流滤波电路，与单灯控制器的输入端连接，接收220V交流电，并把交流电转换为平滑的直流电，由CPU电路分送到各个模块。
如图5电路为控制电路基于SRD-05VDC-SL继电器，配合 Circuit Breaker断路器，用于电子镇流器调光控制，实现LED照明的开关控制，系统开关量调光具有三种状态：全开、全关、节能。
如图6所示，系统内置两路PWM调光输出，配合1路内置开关继电器输出，完成单灯的开关和调光。通过PWM调光的方式可以实现led线性调光。产品内置光耦隔离器件，在完成调光的同时保证了系统的稳定可靠。
系统具有0～10VDC模拟量输出，用于具有模拟调光的灯具。灯具可以根据输入电压调节输出电流完成led的线性调光。
提供三路电压调光信号或三路PWM调光信号输出接口;
1、PWM调光信号：频率为400Hz，10V TTL电平，占空比0 ～ 100%可调（占空比为100%时候，对应的输出为5V）;
电压调光信号：0 ～ 10V输出可调。
2、PWM调光信号输入信号：当PWM调光信号报警信号触发时，发出报警信号。用来在紧急情况下报警。
参考文献：
[1]李玲，郭晓玲，武仁杰，徐婷.基于NB-IoT及ZigBee的无线传感器网络网关设计[J].通信技术，2019，52（01）：234-238.
[2]周万禹，桂永杰，焦东海，朱平平.基于NB-IoT的智慧路灯控制系统[J].物联网技术，2020，10（07）：82-84.
作者简介：
赵阔（1983—），男，汉族，四川绵阳，大学本科，副教授，专业主任，教育教学改革。
关键词：NBIOT;单灯控制器
一、背景
道路照明是城市公共设施的重要组成部分，目前国内的照明系统大多没有采用网络化监管，现有基于GPRS以及其他网络的路灯控制系统一般采用集中控制，只能以区域为单位对照明系统进行简单的开关控制，或者以街道为单位进行控制，是粗放式控制，不靈活，不节能;存在控制要素少，环境反应能力弱等缺点。路灯覆盖面积广，而集中控制会导致难以进行统一管理，存在安全隐患，无法快速掌握路灯运行状态，无安全保障，统计困难等问题。而且开关控制缺乏灵活，效率低下，用电浪费，不符合国家对节能减排的要求。同样的问题，也存在于学校、大型展台及其他大规模使用电灯照明或装饰的场合。
随着 NB-IOT 技术的成熟成熟，运营商大规模投资 NB-IOT 网络。以中国移动为例，2017年下半年中国移动加大了在 NB-IOT 网络市场的竞争力度，提前集采了111万面 NB-IOT天线，招标了14.6万个基站，并颁布企业政策，NB-IOT专项补贴率最高可达 80%。其他两家运营商同样致力于NB-IOT网络的市场竞争。据相关数据显示，2020年国内NB-IOT网络连接数规模在6亿左右。 NB-IOT 网络目前主要应用于物联网领域，推动智慧城市建设。
运用 NB-IOT 网络建设智慧化照明系统，提高照明系统的管理效率，减少能耗是值的我们研究的新方向。基于 NB-IOT 网络的照明系统也符合未来市场“绿色经济”的发展方向，具有着很强大的市场潜力。
二、研究内容
5G时代来临，NB-IOT技术聚焦于低功耗广覆盖（LPWA）物联网（IoT）市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。
1、项目主要研究具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优的NB-IOT技术在单灯控制器中的应用;
2、研究NB-IOT技术与单灯控制器相结合的实用性;
3、在中国节能减排号召下，研究NB-IOT无线组网单灯控制器在实践中的可行性以及可靠性;
4、研究单灯控制器在硬件电路上的功能实现，寻找低成本、更可靠的硬件电路结构。
三、系统的主要功能
在路灯智能控制系统中，NB单灯控制器作为信息采集和控制命令执行终端，直接监测控制路灯的运行工作，具体应用如图2-2所示。
路灯智能控制系统主要由监控中心（包括控制设备、服务器、显示设备、监控软件等）、NB-IOT平台、应用平台、NB单灯控制器及通讯系统等构成。
NB单灯控制器与路灯直接连接，采用运营商网络通过NB-IOT平台与应用平台通信，应用平台与监控中心之间通过互联网等方式进行远程通信，监控中心服务器上安装路灯监控软件。同时，远程监控中心可通过服务器、数据库对路灯系统进行远程控制。
四、单灯控制器主要参数设计
NB单灯控制器负责采集路灯的实时数据，数据经由应用平台记录存储，并定时或根据监控中心的指令将数据上报，监控中心通过监控软件将数据自动汇总，形成数据报表或图表，使得监控人员可以实时、直观地了解路灯的当前情况。监控中心的管理人员也可以通过监控平台远程向设备发送指令，如要求上报数据、开关路灯、路灯调光等。
NB单灯控制器在路灯智能控制系统中的主要功能有：
1、记录上报灯具实时电压、电流、功率因素等参数。
2、接收应用平台的命令，实现开灯、关灯、调光的功能。
3、欠载、异常开灯、调光信号等报警功能。
4、欠载报警：开灯状态下，当负载以额定功率工作时检测到功率小于20W，将发出欠载报警信号;在使用调光设备调光时，因调光等级设置在较低等级而检测到功率低于20W时，不报警。
5、异常开灯报警：关灯状态下，检测到功率大于20w时，发出异常开灯报警。
6、PWM调光信号报警：当PWM调光信号报警信号触发时，发出报警信号。
五、单灯控制器的电路功能模块
NB-IOT单灯控制系统一般由输入电路、NB-IOT电路、主控电路、输出电路组成，各个模块电路之间相互紧密连接，如图2-3所示。
（一）输入电路
NB-IOT单灯控制器输入电路为交流电，并在输入后，由整流电路转换为直流电供整个单灯控制器使用，其流程如下：
1、输入端接LAN线，输入220V交流电，同时连接到电源电路（桥式整流滤波电路）;
2、连接到电源电路后利用变压器、电容及二极管的特性功能，将220V交流电变为平滑的直流电后，输送到STM32组成的主控电路。
（二）NB-IOT电路
基于NB-IOT芯片的信号接收及发送电路，可以与其余单灯控制器形成蜂窝网络和灯联网，接受NB云台的无线传输信息和无线遥测，并于主控电路形成单灯控制器主电路，其流程为：
1、首先基于蜂窝的窄带物联网功能与此区域的照明设备和NB云台形成互联状态;
2、当互联状态形成，一边与NB云台产生数据互通，一边与单灯控制器内部电路形成关联;
3、同时使用电源电路滤波后的直流电进行驱动。
（三）主控电路
主控电路是整个NB-IOT单灯控制器的核心，由STM32芯片的CPU电路为主导，周围集成采集电路、PWM调光电路、控制电路、报警电路，同时配合NB-IOT模块和输出电路，形成完整的控制过程，其流程为：
1、当CPU电路接受到来自电路电源电路的直流电后，供应到各个模块; 2、当NB-IOT模块接受到来自云台的指令后，整个系统开始工作。首先采集电路开始采集单灯控制器的电压、电流、功率、温度等信息，确保控制器正常后，信息返回至CPU电路。后PWM调光电路开始依据CPU电路传送的数据进行智能调光同时传送信号到输出电路;
3、当采集电路采集的信号正常时，报警电路继续工作，如采集數据不正常，报警电路是由LED组成，将发出报警红光并上传数据至云台;
4、控制电路与PWM调光电路配合，一起连接到输出电路中，所有一切正常时，控制电路连接通输入电路的分支，运送220V交流电至输出电路。
（四）输出电路
输出电路主要由控制电路与PWM调光电路配合，然后将调光数据和220V电输送到单灯控制器外部的LED Driver和LED灯泡，此时整个照明设备完全正常工作。
一切电路的运行指标和数据检测，都会实时上传到NB云台，可以随时在NB云台进行查看。
六、单灯控制器的具体电路设计
NB-IOT单灯控制器基于32位ARM处理器为核心，配合控制电路、供电电路、NB通信模块、调光模块、参数采集模块形成整个单灯控制器的硬件电路结构，同时结合NB-IOT传输网络，将数据上传到NB云服务器进行处理。
如图2所示电路是以32位微控制器为核心，配合相关的硬件和软件设计，接收主站命令，实现开灯、关灯、调光、数据查询以及故障报警等功能。
如图3所示电路为NB-IOT模块电路，基于NB-IOT芯片的信号接受及发送电路，可以与其余单灯控制器形成蜂窝网络和灯联网，接受NB云台的无线传输信息和无线遥测，并于主控电路形成单灯控制器主电路。
单灯控制器内置电压、电流、温度采集模块，如图4所示，可以实时侦测单灯控制器的工作状态，及时检测单灯控制器的故障信息，并传给集中控制器，完成单灯的预警功能，解决了路灯维护的工作量。并由桥式整流滤波电路，与单灯控制器的输入端连接，接收220V交流电，并把交流电转换为平滑的直流电，由CPU电路分送到各个模块。
如图5电路为控制电路基于SRD-05VDC-SL继电器，配合 Circuit Breaker断路器，用于电子镇流器调光控制，实现LED照明的开关控制，系统开关量调光具有三种状态：全开、全关、节能。
如图6所示，系统内置两路PWM调光输出，配合1路内置开关继电器输出，完成单灯的开关和调光。通过PWM调光的方式可以实现led线性调光。产品内置光耦隔离器件，在完成调光的同时保证了系统的稳定可靠。
系统具有0～10VDC模拟量输出，用于具有模拟调光的灯具。灯具可以根据输入电压调节输出电流完成led的线性调光。
提供三路电压调光信号或三路PWM调光信号输出接口;
1、PWM调光信号：频率为400Hz，10V TTL电平，占空比0 ～ 100%可调（占空比为100%时候，对应的输出为5V）;
电压调光信号：0 ～ 10V输出可调。
2、PWM调光信号输入信号：当PWM调光信号报警信号触发时，发出报警信号。用来在紧急情况下报警。
参考文献：
[1]李玲，郭晓玲，武仁杰，徐婷.基于NB-IoT及ZigBee的无线传感器网络网关设计[J].通信技术，2019，52（01）：234-238.
[2]周万禹，桂永杰，焦东海，朱平平.基于NB-IoT的智慧路灯控制系统[J].物联网技术，2020，10（07）：82-84.
作者简介：
赵阔（1983—），男，汉族，四川绵阳，大学本科，副教授，专业主任，教育教学改革。