近期參加物聯網設計大賽也作為明年的畢業設計，和好兄弟花費一個月的業余時間，實現從項目構思設備選型到現在的系統V1.0效果。
本項目效果參見：NB-IoT智慧路燈項目演示，感謝各位好友批評指正~
1、項目背景
每當夜幕降臨，城市中各種各樣、色彩繽紛的路燈亮起，為城市披上了一層絢麗的外衣。但在這絢麗的外表下則隱藏着巨大缺點：
1)能源浪費：由於城市的夜晚進入后半夜后，人們已經開始休息，街上人流量開始減少，有些地段在特殊時段根本不需要過多的路燈照明，導致能源浪費，增加了不必要的成本；
2)維護困難：由於使用人工巡檢，需要大量人力，而路燈數量龐大，路燈實時狀態不能及時獲取，導致路燈故障維護、排查效率極低。
2、需求分析
路燈管理平台的建設，是智慧城市的一個重要組成部分，不僅能夠實現城市及市政服務能力提升，也是智慧城市的一個重要入口，可促進“智慧市政”和“智慧城市”在城市照明業務方面的落地。以往在路燈管理上存在着很多問題，例如路燈開關、巡查、維護基本靠人力，重點地段晚上需要派人巡視，以保證設備的齊備率；路燈發生故障時，檢修人員無法確定路燈精確位置；管理人員對路燈無法進行分時段控制、無法監控路燈整體狀態；路燈保持常亮狀態效率低、不節能；智能化水平低，不能結合AI技術實現路燈節點的數據分析。針對以上問題，本系統設計的智慧路燈監控系統結構圖如下所示：
具體功能如下：
1)路燈節點支持自定義控制方式，可支持自定義時間控制策略和多樣化控制（兩側路燈全亮、全關、隔桿高亮等）兩種方式；
2)根據所在環境光照強度，自動調節路燈亮度，低功耗節能減排；
3)斷電保護，電壓電流超過安全閾值，路燈自動斷電；
4)路燈故障自動報警，GPS精確定位，可從手機APP、微信小程序、PC端和Web平台可視化監控路燈信息，隨時可調取任何一處路燈信息；
5)實時采集路燈節點工作狀態、電壓、電流、功率、功率因數、耗電量、產生二氧化碳、頻率、環境光照度和路燈狀態數據，實現統計分析和歷史查詢。
6)使用機器學習算法，根據對路燈節點實現建模，實現城市畫像分析。
總之，基於NB-IoT技術的城市道路智慧路燈監控系統有着廣闊的前景和寬廣的需求。
3、功能設計
基於NB-IoT技術的城市道路智慧路燈監控系統，在每個照明節點上安裝一個集成了NB-IoT模組的單燈控制器，單燈控制器再經運營商的網絡，與路燈控制平台實現雙向通信，路燈控制平台直接對每個燈進行控制，包括開關燈控制、光照檢測、自動調節明暗、電耗分析等操作。智慧路燈實物圖如下所示：
與傳統“兩跳”方案不同，基於NB-IoT技術的解決方案不需要網關，每個NB-IoT路燈控制器直接接入運營商的NB-IoT網絡，即可與控制平台通信，如下圖所示：
基於NB-IoT技術的城市道路智能路燈監控系統包括感知層、網絡層和應用層。
感知層由單獨的路燈控制模塊和NB-IoT終端構成。道路上的每個路燈都安裝1個路燈控制模塊，路燈控制模塊管理路燈的開關、負責數據信息的采集和監控路燈的運行狀態，它通過NB-IoT網絡與NB-IoT終端進行無線通信；NB-IoT終端將路燈控制模塊采集的數據信息上傳到NB-IoT基站，將應用層中的手機或監控中心的管理命令下達到路燈控制模塊，對感知層的路燈進行管理和監控，並且結合AI技術實現精准城市畫像建模。網路層由NB-IoT基站和Internet網絡構成。Internet網絡主要應用4G的LTE平台，將感知層的數據信息實時地傳送到應用層，同時將應用層的控制命令傳送到感知層。智能路燈監控系統網絡架構如下圖所示：
本系統設計方案具有以下優勢：
1)對路燈的控制上，采用分時段的3種控制策略，可以實現分時間段控制道路兩側路燈全亮模式、自動調整模式（根據環境光照強弱或電壓電流閾值）、終端聯控模式，在滿足照度需求的情況下，實現對電能的節省。
2)通信方式所采用的是中國電信的NB-IoT網絡，拓撲簡單、部署成本低，NB-IoT采用DRX模式，實現終端的實時在線，這種通信方式更適合靜止的和低移動性且需要下發指令的場景。
3)利用GPS地理信息管理系統，可以在手機APP、微信小程序PC應用和Web平台界面上直觀定位每個路燈的位置，便於維修人員確定故障路燈地址、及時維修。
4)高精度數據采集與通信技術，可采集路燈節點工作狀態、電壓、電流、功率、功率因數、耗電量、產生二氧化碳、頻率、環境光照度和路燈狀態數據，數據精度達到小數點后兩位。
5)實現AI技術賦能，實現路燈節點城市畫像數據分析。
作者：不脫發的程序猿
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