近期参加物联网设计大赛也作为明年的毕业设计，和好兄弟花费一个月的业余时间，实现从项目构思设备选型到现在的系统V1.0效果。
本项目效果参见：NB-IoT智慧路灯项目演示，感谢各位好友批评指正~
1、项目背景
每当夜幕降临，城市中各种各样、色彩缤纷的路灯亮起，为城市披上了一层绚丽的外衣。但在这绚丽的外表下则隐藏着巨大缺点：
1)能源浪费：由于城市的夜晚进入后半夜后，人们已经开始休息，街上人流量开始减少，有些地段在特殊时段根本不需要过多的路灯照明，导致能源浪费，增加了不必要的成本；
2)维护困难：由于使用人工巡检，需要大量人力，而路灯数量庞大，路灯实时状态不能及时获取，导致路灯故障维护、排查效率极低。
2、需求分析
路灯管理平台的建设，是智慧城市的一个重要组成部分，不仅能够实现城市及市政服务能力提升，也是智慧城市的一个重要入口，可促进“智慧市政”和“智慧城市”在城市照明业务方面的落地。以往在路灯管理上存在着很多问题，例如路灯开关、巡查、维护基本靠人力，重点地段晚上需要派人巡视，以保证设备的齐备率；路灯发生故障时，检修人员无法确定路灯精确位置；管理人员对路灯无法进行分时段控制、无法监控路灯整体状态；路灯保持常亮状态效率低、不节能；智能化水平低，不能结合AI技术实现路灯节点的数据分析。针对以上问题，本系统设计的智慧路灯监控系统结构图如下所示：
具体功能如下：
1)路灯节点支持自定义控制方式，可支持自定义时间控制策略和多样化控制（两侧路灯全亮、全关、隔杆高亮等）两种方式；
2)根据所在环境光照强度，自动调节路灯亮度，低功耗节能减排；
3)断电保护，电压电流超过安全阈值，路灯自动断电；
4)路灯故障自动报警，GPS精确定位，可从手机APP、微信小程序、PC端和Web平台可视化监控路灯信息，随时可调取任何一处路灯信息；
5)实时采集路灯节点工作状态、电压、电流、功率、功率因数、耗电量、产生二氧化碳、频率、环境光照度和路灯状态数据，实现统计分析和历史查询。
6)使用机器学习算法，根据对路灯节点实现建模，实现城市画像分析。
总之，基于NB-IoT技术的城市道路智慧路灯监控系统有着广阔的前景和宽广的需求。
3、功能设计
基于NB-IoT技术的城市道路智慧路灯监控系统，在每个照明节点上安装一个集成了NB-IoT模组的单灯控制器，单灯控制器再经运营商的网络，与路灯控制平台实现双向通信，路灯控制平台直接对每个灯进行控制，包括开关灯控制、光照检测、自动调节明暗、电耗分析等操作。智慧路灯实物图如下所示：
与传统“两跳”方案不同，基于NB-IoT技术的解决方案不需要网关，每个NB-IoT路灯控制器直接接入运营商的NB-IoT网络，即可与控制平台通信，如下图所示：
基于NB-IoT技术的城市道路智能路灯监控系统包括感知层、网络层和应用层。
感知层由单独的路灯控制模块和NB-IoT终端构成。道路上的每个路灯都安装1个路灯控制模块，路灯控制模块管理路灯的开关、负责数据信息的采集和监控路灯的运行状态，它通过NB-IoT网络与NB-IoT终端进行无线通信；NB-IoT终端将路灯控制模块采集的数据信息上传到NB-IoT基站，将应用层中的手机或监控中心的管理命令下达到路灯控制模块，对感知层的路灯进行管理和监控，并且结合AI技术实现精准城市画像建模。网路层由NB-IoT基站和Internet网络构成。Internet网络主要应用4G的LTE平台，将感知层的数据信息实时地传送到应用层，同时将应用层的控制命令传送到感知层。智能路灯监控系统网络架构如下图所示：
本系统设计方案具有以下优势：
1)对路灯的控制上，采用分时段的3种控制策略，可以实现分时间段控制道路两侧路灯全亮模式、自动调整模式（根据环境光照强弱或电压电流阈值）、终端联控模式，在满足照度需求的情况下，实现对电能的节省。
2)通信方式所采用的是中国电信的NB-IoT网络，拓扑简单、部署成本低，NB-IoT采用DRX模式，实现终端的实时在线，这种通信方式更适合静止的和低移动性且需要下发指令的场景。
3)利用GPS地理信息管理系统，可以在手机APP、微信小程序PC应用和Web平台界面上直观定位每个路灯的位置，便于维修人员确定故障路灯地址、及时维修。
4)高精度数据采集与通信技术，可采集路灯节点工作状态、电压、电流、功率、功率因数、耗电量、产生二氧化碳、频率、环境光照度和路灯状态数据，数据精度达到小数点后两位。
5)实现AI技术赋能，实现路灯节点城市画像数据分析。
作者：不脱发的程序猿
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