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基于 NB-IoT 物联网的路灯智能控制与故障诊断系统

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2018-08-13 作者:曹永健 四川火石光电有限公司 来源:注册送68元体验金照明网 浏览量: 网友评论: 0
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摘要: 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。

  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情况统计表

  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:电力线载波或者 Zigbee 等通信方式的智能路灯复杂组网

  图、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。

  1)采用NB-IoT物联网通信方案,网络稳定;

  2)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;

  3)单灯控制器采用双供电系统,即使市电线缆没有供电也能正常工作;

  4)实现单灯远程功率调节,从而实现更人性化的节能;

  5)实现故障定位功能,实时确定故障位置;

  6)故障诊断。单灯不亮时,由于采用双供电系统,即使市电没有供电的情况下,也能第一时间诊断原因,如线缆故障、驱动电源故障、光源故障;

  7)具有很广的功能拓展性。


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