基于NB-IoT和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地下停車庫節(jié)能照明系統(tǒng)

作者/ 周震宇¹ 蔡楊²  1.浙江利爾達(dá)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有限公司(浙江 杭州 310011) 2.浙江水利水電學(xué)校(浙江 杭州 310011)

　　周震宇(1978-)，男，碩士，中級(jí)工程師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論;蔡楊，女，碩士，講師，研究方向：機(jī)械電子工程。

摘要：地下停車場節(jié)能照明系統(tǒng)從實(shí)際需求出發(fā)，采用基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT技術(shù)和 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將微波感應(yīng)器的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能節(jié)能燈具結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了智能綠色照明。采用該系統(tǒng)后，可使照明系統(tǒng)工作在全自動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)將按預(yù)先設(shè)置切換若干工作狀態(tài)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間自動(dòng)地在各種工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。通過NB-IoT與云平臺(tái)數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)云平臺(tái)集中管理控制微波感應(yīng)器和智能節(jié)能燈具，同時(shí)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障監(jiān)控和節(jié)能數(shù)據(jù)分析。

引言

　　目前很多在建和已建各類建筑大部分都有配套的地下停車場，這些停車場一般都有多個(gè)人員出入口和多個(gè)車輛出入口，由于這些停車場面積大、光線差，需要大量的照明設(shè)備長期照明。如采用通常的控制方法則需要較長的線路，且回路復(fù)雜。由于各出人口與行車路線之間不是簡單的一一對應(yīng)關(guān)系，因此很難用簡單的強(qiáng)電控制方式實(shí)現(xiàn)停車場內(nèi)部照明的自動(dòng)控制，通常只能采用連續(xù)照明方式。有的地方雖然采用紅外或聲控開關(guān)來控制照明，但只能實(shí)現(xiàn)小區(qū)域內(nèi)的照明效果，無法給行人和司機(jī)提供良好的前端視野。

　　地下車庫作為停放車輛的場所，必須保持良好的照明效果，而現(xiàn)實(shí)生活中，車庫的使用也就車輛進(jìn)出和人員走動(dòng)的時(shí)間需要提供照明，大多數(shù)時(shí)間的照明都屬于“無效照明”。而這些無效照明造成大量的電能浪費(fèi)，增加了物業(yè)公司的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，還浪費(fèi)了大量的社會(huì)公共資源。所以，在地下車庫中實(shí)行“按需照明”，“節(jié)能照明”是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢。采用LED“按需照明”兼顧“照明體驗(yàn)”的控制方式是未來地下車庫照明的發(fā)展趨勢，同時(shí)也是積極響應(yīng)國家推行新能源，提倡低碳環(huán)保的政策。采用LED“按需照明”的節(jié)能照明模式大幅度減少用電量，減少對社會(huì)公共資源的浪費(fèi)。

　　基于NB-IoT和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地下停車庫節(jié)能照明系統(tǒng)采用智能化控制的方法改變燈光環(huán)境，延長光源使用壽命，節(jié)約人力資源和能源，降低人力工作強(qiáng)度，減少人力工作疏忽，增強(qiáng)控制的靈活性和可靠性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

　　地下停車庫節(jié)能照明系統(tǒng)以智能網(wǎng)關(guān)為核心，網(wǎng)關(guān)與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互采用NB-IoT通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低成本大容量的數(shù)據(jù)接入，使工程的安裝實(shí)施大大簡化，也為長期的運(yùn)維帶來很大的便利，如圖1。

　　網(wǎng)關(guān)與智能節(jié)能燈具和微波感應(yīng)器之間采用ZigBee的通信技術(shù)，將微波感應(yīng)器的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和節(jié)能燈具結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了智能綠色照明。采用該系統(tǒng)后，可使照明系統(tǒng)工作在全自動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)將按預(yù)先設(shè)置切換若干工作狀態(tài)，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的時(shí)間自動(dòng)地在各種工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。例如，上下班時(shí)間，此時(shí)車庫的車流量最大，可以打開所有區(qū)域的燈光，以方便人員進(jìn)出;白天的時(shí)候，車庫車流量小，室外照度充足，就可以關(guān)閉車庫內(nèi)車位照明，車道照明保持1/2或1/3照度，以節(jié)約能源;等到深夜后，此時(shí)車庫車流量最小，可以關(guān)閉車庫內(nèi)所有照明，只保留指示照明，以保證最基本的照度。另外還可以通過后臺(tái)管理系統(tǒng)，根據(jù)特殊情況，隨時(shí)切換不同場景，以適應(yīng)各種情況下對燈光的要求。

　　結(jié)合以上的系統(tǒng)架構(gòu)和地下停車庫的實(shí)際需求，智能網(wǎng)關(guān)具備特性如表1。

2 基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IoT的設(shè)計(jì)

　　基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT)成為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180kHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。NB-IoT是IoT領(lǐng)域一個(gè)新興的技術(shù)，支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN)。NB-IoT支持待機(jī)時(shí)間長、對網(wǎng)絡(luò)連接要求較高設(shè)備的高效連接。據(jù)說NB-IoT設(shè)備電池壽命可以提高至至少10年，同時(shí)還能提供非常全面的室內(nèi)蜂窩數(shù)據(jù)連接覆蓋。

2.1 NB-IoT的主要特性

　　NB-IoT與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商通信基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備使用廣播協(xié)議(3GPP NB-IoT Rel-13 )，關(guān)鍵特性如表2。嵌入到應(yīng)用電路中的NB-IoT系統(tǒng)框圖如圖2。

2.2 NB-IoT供電時(shí)序設(shè)計(jì)

　　NB-IoT供電范圍為3.1 V至4.2 V，要確保輸入電壓不會(huì)低于3.1V。如果電源電壓低于3.1 V，將會(huì)出現(xiàn)異常。NB-IoT性能的好壞很大程度上取決于電源，所以電源模塊的設(shè)計(jì)是非常重要的，其中電源提供的電流至少0.5A。為更好的提高性能，需要在在VBAT附近放一個(gè)100uF的鉭電容和三個(gè)陶瓷電容器100 nf 、100 pf和22 pf 。電源設(shè)計(jì)如圖3。

　　上電模式：該模塊可以通過給VBAT引腳供電而自動(dòng)開始工作，時(shí)序圖如圖4。

　　掉電模式：該模塊可以通過斷開VBAT引腳的電而自動(dòng)停止工作，時(shí)序圖如圖5。

2.3 USIM卡接口