基于NB—IoT和物联网技术的地下停车库节能照明系统

周震宇+蔡杨

摘要：地下停车场节能照明系统从实际需求出发，采用基于蜂窝的窄带物联网NB-IoT技术和ZigBee无线网络技术，将微波感应器的物联网技术和智能节能灯具结合，实现了智能绿色照明。采用该系统后，可使照明系统工作在全自动状态，系统将按预先设置切换若干工作状态，根据预先设定的时间自动地在各种工作状态之间转换。通过NB-IoT与云平台数据交互，实现云平台集中管理控制微波感应器和智能节能灯具，同时云平台实现设备故障监控和节能数据分析。

关键词：物联网：NB-IoT：云平台；ZigBee；智能照明

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2017.9.016

引言

目前很多在建和己建各类建筑大部分都有配套的1址下停车场，这些停车场一般都有多个人员出入口和多个车辆出入口，由于这些停车场面积大、光线差，需要大量的照明设备长期照明。如采用通常的控制方法则需要较长的线路，且回路复杂。由于各出人口与行车路线之间不是简单的一一对应关系，因此很难用简单的强电控制方式实现停车场内部照明的自动控制，通常只能采用连续照明方式。有的地方虽然采用红外或声控开关来控制照明，但只能实现小区域内的照明效果，无法给行人和司机提供良好的前端视野。

地下车库作为停放车辆的场所，必须保持良好的照明效果，而现实生活中，车库的使用也就车辆进出和人员走动的时间需要提供照明，大多数时间的照明都属于“无效照明”。而这些无效照明造成大量的电能浪费，增加了物业公司的经济负担，还浪费了大量的社会公共资源。所以，在地下车库中实行“按需照明”，“节能照明”是社会发展的必然趋势。采用LED“按需照明”兼顾“照明体验”的控制方式是未来地下车库照明的发展趋势，同时也是积极响应国家推行新能源，提倡低碳环保的政策。采用LED“按需照明”的节能照明模式大幅度减少用电量，减少对社会公共资源的浪费。

基于NB-IoT和物联网技术的地下停车库节能照明系统采用智能化控制的方法改变灯光环境，延长光源使用寿命，节约人力资源和能源，降低人力工作强度，减少人力工作疏忽，增强控制的灵活性和可靠性。

1 系统架构

地下停车库节能照明系统以智能网关为核心，网关与云平台的数据交互采用NB-IoT通信技术，实现低成本大容量的数据接入，使工程的安装实施大大简化，也为长期的运维带来很大的便利，如图1。

网关与智能节能灯具和微波感应器之间采用ZigBee的通信技术，将微波感应器的物联网技术和节能灯具结合，实现了智能绿色照明。采用该系统后，可使照明系统工作在全自动状态，系统将按预先设置切换若干工作状态，根据预先设定的时间自动地在各种工作状态之间转换。例如，上下班时间，此时车库的车流量最大，可以打开所有区域的灯光，以方便人员进出：白天的时候，车库车流量小，室外照度充足，就可以关闭车库内车位照明，车道照明保持1/2或1/3照度，以节约能源；等到深夜后，此时车库车流量最小，可以关闭车库内所有照明，只保留指示照明，以保证最基本的照度。另外还可以通过后台管理系统，根据特殊情况，随时切换不同场景，以适应各种情况下对灯光的要求。

结合以上的系统架构和地下停车库的实际需求，智能网关具备特性如表1。

2 基于蜂窝的窄带物a关网NB-IoT的设计

基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet ofThings，B-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，以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网（LPWAN）。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说NB-IoT设备电池寿命可以提高至至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。

2.1 NB-IoT的主要特性

NB-IoT与移动网络运营商通信基础设施设备使用广播协议（3GPP NB-IoT Rel-13），关键特性如表2。嵌入到应用电路中的N B-IoT系统框图如图2。

2.2 NB-IoT供电时序设计

NB-IoT供電范围为3.1V至4.2V，要确保输入电压不会低于3.1V。如果电源电压低于3.1V，将会出现异常。NB-IoT性能的好坏很大程度上取决于电源，所以电源模块的设计是非常重要的，其中电源提供的电流至少0.5A。为更好的提高性能，需要在在VBAT附近放一个lOOμF的钽电容和三个陶瓷电容器100μf、100p和22pf。电源设计如图3。

上电模式：该模块可以通过给VBAT引脚供电而自动开始工作，时序图如图4。

掉电模式：该模块可以通过断开VBAT引脚的电而自动停止工作，时序图如图5。

2.3 USIM卡接口

ESIM、USIM接口采用3 GPP规范，适用于常规的应用工具。在模块上有一个USIM接口的监控电路，只支持3.0V的USIM卡。6个引脚的USIM卡电路设计如图6：

为了提高USIM卡在应用中的可靠性和可用性。 按照USIM电路设计中的标准设计。

（1） USIM卡槽在模块的距离尽可能近，走线长度尽可能小于200mm。

（2） USIM信号远离RF和VBAT电路。

（3）确保模块和USIM卡槽之间的地连接短而宽。地线的走线宽度不小于0.5mm，以保持相同的电势。USIM- VDD靠近USIM卡槽处需添加小于luF去耦电容。

（4）避免USIM- DATA和USIM- CLK之间的串扰。保持它们彼此远离，并用包围的地面屏蔽它们。endprint

（5）为了提供良好的ESD保护，建议添加一个TVS_极管阵列。将TVS管靠近UStM卡槽，保证模组的USIM接口不会被ESD损坏。在模块和USIM卡槽之间应串联22Q电阻，以抑制EMI杂散传输并增强ESD保护。请注意，USIM外围电路应靠近USIM卡连接器。

（6）将RF旁路电容（33pF）靠近USIM卡槽放置，以提高EMI抑制。

2.4 RF参考设计

射频电路设计参考如图7。

在天线焊盘两边有一些接地脚，目的是为了给射频部分提供更好的对地连接，此外，有一个与电路相配的π电容用来调节射频的性能，设计时最好靠近模块的RF- ANT引脚。在射频PCB设计时应该注意，模块射频引脚与天线射频端的特性阻抗应该设置在50欧姆。

3 基于ZigBee技术的传感控制系统设计

ZigBee传感控制系统中主要包含ZigBee智能调光LED T8灯和Zig Bee微波感应器，结合智能网关的逻辑控制，实现地下车库节能照明系统人来车来调高亮度，人走车走调低亮度。

3.1 ZigBee智能调光LED T8灯管

采用ZigBee无线网络调节亮度，低能耗，安装方式和普通T8灯管完全一致。如表3。

3.2 ZigBee微波感应器

微波雷达感应优点：感应距离更远，角度广，无死区，能穿透玻璃和薄木板，不受环境、温度、灰尘等影响，在37度情况下，感应距离不会缩短。反映速度快。是声控、红外感应的最佳替代品。如表4：

两个微波感应器相隔距离需要在3米以上，不能会造成微波误报，实际设计中微波感应器每隔6-7米安装一个设备，微波探测距离计算方法如图8。

4 先进性和节能效益

4.1节能，降低能耗浪费

地下停车场照明需求存在明显的“潮汐现象”，即高峰时段与低谷时段的差异明显，但传统的日光灯管不会因为这种差异而改变亮度，达不到按需照明的目的，这就造成了低谷时段照明的大量浪费。

针对于车库车辆的驶入与驶出存在“潮汐现象”，高峰期主要集中在上下班时段，一天中约有3/4的时间停车场处在休眠期，如果能有效的控制这3/4的时间段内的能耗输出，能够很大程度上降低能耗的浪费。

4.2 降低运营成本

迫于经济压力，地下停车场的经营企业曾经采用多种办法，例如，减少照明灯具安装数量、减少亮灯数量、人工控制亮灯时间等达到节能的目的，但这些都是以降低照明品质为代价来换取电能的节约，改造效果往往不能令人满意。由于地下停车场这种场合在地下需要长时间照明，耗能比较严重，所以照明费用较高，企业不得不承担高额的运营成本。因此实现智能化的节能是企业迫切需要的。

4.3 做到节能的同时兼顾照明体验

采用可以做单盏灯光亮度调节的T8 LED智能灯管，通过系统化的设计，使得整体照明在做到节能化的同时，实现用户角度的正常光照体验。在无人无车状态下，灯光调暗，有人有车的时候，在其行进路线上，灯管逐步提前调亮。

4.4 节能效益分析

普通的地下车库照明都是分高峰和低谷两个时间段开启车库照明，不论有没有车辆进入，高峰时段内所有库照明始终都是成开啟状态。实际应用物联网节能智能照明系统后，无人无车是灯的功率调喑至5%，有车有人是功率调亮至70%，实测中，写字楼地下停车库和住宅地下停车库24小时中，平均30%的时间比例处于有人或有车状态，平均70%的时间比例处于无人无车灯暗的状态，所以针对写字楼和住宅地下停车库的节能率高大70%。

参考文献：

[1]建筑照明设计标准GB50034-2004中国标准书号[s]北京：中国国防部：2004

[2]地下建筑照明设计标准CECS45-92中国标准书号[s]北京：中国工程建设标准协会 1993

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[5]民用建筑电气设计规范JGJ-T6-2008中国标准书号[s]北京：机械工业出版社：2010

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