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摘要：针对路灯监控系统的发展现状，分析目前基于GPRS、ZigBee、WiFi、电力载波等技术，提出了一种基于NB-IoT和LoRa技术相结合的远程监控设计方案。文中重点介绍了集中器采用NB-IoT技术与数据监控中心服务器连接，而单灯监控器采用LoRa技术与集中器进行通讯，从而实现了覆盖广、穿透力强、抗干扰性能好、成本低的特点，能大大提升路灯远程监控管理的水平。
关键词：智能路灯；NB-IoT；LoRa；远程监控
0 引言
随着物联网大数据时代的来临以及智慧城市的构建，城市照明亮化工程已取得较大的进步，改变了传统仅靠人工管理的弊端，对路灯的电参数采集、开关灯状态、节能控制和线路检测等功能日益完善。但由于各种通讯传输媒介自身特性和现场环境的复杂性，在工作可靠性方面仍然存在一些缺点。如：电力载波方式可能会因为埋地线路铺设的不规范或者不明谐波信号干扰，导致故障原因排查困难且成本高；而ZigBee、WiFi、蓝牙等2.4G信号通道使用广，传输距离短、穿透能力弱和易受干扰等，导致工作不稳定。
本文采用了全球物联网技术研究的最新发展成果，同时使用了NB-IoT（收费频段）和LoRa（免费频段）两种LPWAN技术高效地组建网络，比现有的LTE提升20dB增益，相当于提升了100倍覆盖区域能力，对于厂区、地下车库、井盖等复杂场所同样适用，弥补当前技术的众多缺点，从而更好地满足城市照明监控系统的需求。
1 关键技术介绍
NB-IoT是基于蜂窝的窄带物联网，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接。它采用3GPP授权频段能避免干扰问题，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络。目前国内电信运营商正积极布局相关基础设施，为其发展提供广阔的空间。
LoRa是基于扩频技术的超远距离无线传输，融合了数字扩频、信号处理和前向纠错编码技术，主要运行在全球免费频段的433、868、915 MHz。目前世界超过9个国家开始建网，56个国家进行试点或部署，中国在京杭大运河完成284个基站的建设，覆盖1300Km流域。
2 系统总体架构及原理
以上两种技术虽然原理不同，但它们的性能类似，都具有覆盖广且深、节点多、速率低、成本低、功耗少、架构优的特性。本文结合国内电信运营商的布局以及中小企业的使用趋势，提出以NB-IoT构建电信级广域网，以LoRa构建企业级专属局域网的设计方案。
智能路灯监控系统主要由单灯控制器、（中继器）、路灯集中器和监控中心组成，系统的构架如图2 所示。
用户工作站或数据监控中心通过电信运营商的提供的NB-IOT网络与集中器连接，进行指令的接收或下发；集中器通过LoRa网络与其下属的各单灯控制器连接，按指令要求执行开关灯或数据电能量等参数采集，从而构筑了前端灯端与远端数据中心交互通讯的桥梁，实现路灯的远程智能监控。
3 硬件设计
3.1 单灯控制器
如下图3-1 所示，电路中采用STM32F0308C低功耗MCU，高精度电能量计量芯片ATT7053，以及LoRa通讯采用Semtech公司的SX1278超低耗远距离收发控制芯片。由MCU对电能量参数（如：电流、电压、有功功率、无功功率、功率因数、频率等等）实时采集并进行相应的逻辑分析得到路灯的运行状况；根据集中器的指令需求执行开关灯控制或数据反馈。同时，方案中的STM32F0308C主控芯片，不仅成本低廉，还具有IAP远程FLASH升级的功能，在原有硬件电路不变的情况下可以对程序进行升级，大大降低了优化和维护的成本。
3.2 路灯集中器
如下图3-2 所示，电路中采用高速32位嵌入式ARM9处理器芯片STM32F103，LoRa的SX1278超低耗远距离收发控制芯片，以及第一款NB-IoT的BC95B8模块。集中器同样具有IAP远程升级功能，并使用Linux或uC/OS-II等嵌入式实时多任务操作系统，对工作站或监控中心下发的指令进行及时处理，在空闲时对其下属的单灯控制器进行点对点轮询以采集并保存历史数据，如有告警事件应及时向监控中心主动上报并记录。
如现场情况需求，还可以在网络中加装LoRa中继器，以便于优化整个局域网，使其覆盖范围更广、工作更稳定可靠。
4 监控中心软件设计
监控中心软件是智能路灯远程监控系统和使用人员交互的窗口，后台软件的设计是整个系统数据分析和管理的核心。上位机平台的界面简洁、功能齐全、逻辑清晰，能降低相关人员的操作难度且易于管理和维护。软件系统设计如图4所示，主要包括的功能模块有：
系统设置：对路灯集中器的运行方式进行系统参数的设置或更改；
手动控制：实时手动地对单灯控制器终端执行开关灯或数据采集；
时段控制：按预先的时段设置要求对单灯控制器运行进行控制；
状态查询：以自动或手动的方式向集中器查询单灯控制器运行状况；
数据统计：通过DB 2数据库，可以对采集的数据进行保存、分析、决策处理；
地理信息：NB-IoT和LoRa网络具有定位测距功能，可显示在地图上；
远程升级：可分别对集中器和单灯控制器进行IAP远程升级功能。
5 结语
智能路灯监控系统采用NB-IoT与LoRa技术相结合，以其优越的各种技术性能和芯片越来越低的制造成本，很好地解决了现有2.4G无线技术中遇到的传输距离短、信号穿透力差、通讯易干扰的问题，也免去了有线组网中布线复杂、故障排查难且成本高的困扰，还能兼容现有的监控中心系统，大大提高了城市照明的管理水平，具有良好的社会经济效益和实用性。
参考文献
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论文作者:梁和平
论文发表刊物:《基层建设》2017年第12期
论文发表时间:2017/8/9
标签：集中器论文; 路灯论文; 技术论文; 控制器论文; 监控系统论文; 数据论文; 频段论文; 《基层建设》2017年第12期论文;