周震宇+蔡楊

摘要：地下停車場節(jié)能照明系統(tǒng)從實際需求出發(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)定的時間自動地在各種工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。通過NB-IoT與云平臺數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)云平臺集中管理控制微波感應(yīng)器和智能節(jié)能燈具，同時云平臺實現(xiàn)設(shè)備故障監(jiān)控和節(jié)能數(shù)據(jù)分析。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)：NB-IoT：云平臺；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類建筑大部分都有配套的1址下停車場，這些停車場一般都有多個人員出入口和多個車輛出入口，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電控制方式實現(xiàn)停車場內(nèi)部照明的自動控制，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，但只能實現(xiàn)小區(qū)域內(nèi)的照明效果，無法給行人和司機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)實生活中，車庫的使用也就車輛進出和人員走動的時間需要提供照明，大多數(shù)時間的照明都屬于“無效照明”。而這些無效照明造成大量的電能浪費，增加了物業(yè)公司的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)，還浪費了大量的社會公共資源。所以，在地下車庫中實行“按需照明”，“節(jié)能照明”是社會發(fā)展的必然趨勢。采用LED“按需照明”兼顧“照明體驗”的控制方式是未來地下車庫照明的發(fā)展趨勢，同時也是積極響應(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，減少對社會公共資源的浪費。

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，降低人力工作強度，減少人力工作疏忽，增強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)與云平臺的數(shù)據(jù)交互采用NB-IoT通信技術(shù)，實現(xiàn)低成本大容量的數(shù)據(jù)接入，使工程的安裝實施大大簡化，也為長期的運維帶來很大的便利，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)定的時間自動地在各種工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。例如，上下班時間，此時車庫的車流量最大，可以打開所有區(qū)域的燈光，以方便人員進出：白天的時候，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管理系統(tǒng)，根據(jù)特殊情況，隨時切換不同場景，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a關(guān)網(wǎng)NB-IoT的設(shè)計

基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet ofThings，B-IoT）成為萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個重要分支。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、實現(xiàn)平滑升級。NB-IoT是IoT領(lǐng)域一個新興的技術(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支持待機時間長、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與移動網(wǎng)絡(luò)運營商通信基礎(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N B-IoT系統(tǒng)框圖如圖2。

2.2 NB-IoT供電時序設(shè)計

NB-IoT供電范圍為3.1V至4.2V，要確保輸入電壓不會低于3.1V。如果電源電壓低于3.1V，將會出現(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lOOμF的鉭電容和三個陶瓷電容器100μf、100p和22pf。電源設(shè)計如圖3。

上電模式：該模塊可以通過給VBAT引腳供電而自動開始工作，時序圖如圖4。

掉電模式：該模塊可以通過斷開VBAT引腳的電而自動停止工作，時序圖如圖5。

2.3 USIM卡接口

ESIM、USIM接口采用3 GPP規(guī)范，適用于常規(guī)的應(yīng)用工具。在模塊上有一個USIM接口的監(jiān)控電路，只支持3.0V的USIM卡。6個引腳的USIM卡電路設(shè)計如圖6：

為了提高USIM卡在應(yīng)用中的可靠性和可用性。 按照USIM電路設(shè)計中的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計。

（1） USIM卡槽在模塊的距離盡可能近，走線長度盡可能小于200mm。

（2） USIM信號遠離RF和VBAT電路。

（3）確保模塊和USIM卡槽之間的地連接短而寬。地線的走線寬度不小于0.5mm，以保持相同的電勢。USIM- VDD靠近USIM卡槽處需添加小于luF去耦電容。

（4）避免USIM- DATA和USIM- CLK之間的串?dāng)_。保持它們彼此遠離，并用包圍的地面屏蔽它們。endprint

（5）為了提供良好的ESD保護，建議添加一個TVS_極管陣列。將TVS管靠近UStM卡槽，保證模組的USIM接口不會被ESD損壞。在模塊和USIM卡槽之間應(yīng)串聯(lián)22Q電阻，以抑制EMI雜散傳輸并增強ESD保護。請注意，USIM外圍電路應(yīng)靠近USIM卡連接器。

（6）將RF旁路電容（33pF）靠近USIM卡槽放置，以提高EMI抑制。

2.4 RF參考設(shè)計

射頻電路設(shè)計參考如圖7。

在天線焊盤兩邊有一些接地腳，目的是為了給射頻部分提供更好的對地連接，此外，有一個與電路相配的π電容用來調(diào)節(jié)射頻的性能，設(shè)計時最好靠近模塊的RF- ANT引腳。在射頻PCB設(shè)計時應(yīng)該注意，模塊射頻引腳與天線射頻端的特性阻抗應(yīng)該設(shè)置在50歐姆。

3 基于ZigBee技術(shù)的傳感控制系統(tǒng)設(shè)計

ZigBee傳感控制系統(tǒng)中主要包含ZigBee智能調(diào)光LED T8燈和Zig Bee微波感應(yīng)器，結(jié)合智能網(wǎng)關(guān)的邏輯控制，實現(xiàn)地下車庫節(jié)能照明系統(tǒng)人來車來調(diào)高亮度，人走車走調(diào)低亮度。

3.1 ZigBee智能調(diào)光LED T8燈管

采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)亮度，低能耗，安裝方式和普通T8燈管完全一致。如表3。

3.2 ZigBee微波感應(yīng)器

微波雷達感應(yīng)優(yōu)點：感應(yīng)距離更遠，角度廣，無死區(qū)，能穿透玻璃和薄木板，不受環(huán)境、溫度、灰塵等影響，在37度情況下，感應(yīng)距離不會縮短。反映速度快。是聲控、紅外感應(yīng)的最佳替代品。如表4：

兩個微波感應(yīng)器相隔距離需要在3米以上，不能會造成微波誤報，實際設(shè)計中微波感應(yīng)器每隔6-7米安裝一個設(shè)備，微波探測距離計算方法如圖8。

4 先進性和節(jié)能效益

4.1節(jié)能，降低能耗浪費

地下停車場照明需求存在明顯的“潮汐現(xiàn)象”，即高峰時段與低谷時段的差異明顯，但傳統(tǒng)的日光燈管不會因為這種差異而改變亮度，達不到按需照明的目的，這就造成了低谷時段照明的大量浪費。

針對于車庫車輛的駛?cè)肱c駛出存在“潮汐現(xiàn)象”，高峰期主要集中在上下班時段，一天中約有3/4的時間停車場處在休眠期，如果能有效的控制這3/4的時間段內(nèi)的能耗輸出，能夠很大程度上降低能耗的浪費。

4.2 降低運營成本

迫于經(jīng)濟壓力，地下停車場的經(jīng)營企業(yè)曾經(jīng)采用多種辦法，例如，減少照明燈具安裝數(shù)量、減少亮燈數(shù)量、人工控制亮燈時間等達到節(jié)能的目的，但這些都是以降低照明品質(zhì)為代價來換取電能的節(jié)約，改造效果往往不能令人滿意。由于地下停車場這種場合在地下需要長時間照明，耗能比較嚴(yán)重，所以照明費用較高，企業(yè)不得不承擔(dān)高額的運營成本。因此實現(xiàn)智能化的節(jié)能是企業(yè)迫切需要的。

4.3 做到節(jié)能的同時兼顧照明體驗

采用可以做單盞燈光亮度調(diào)節(jié)的T8 LED智能燈管，通過系統(tǒng)化的設(shè)計，使得整體照明在做到節(jié)能化的同時，實現(xiàn)用戶角度的正常光照體驗。在無人無車狀態(tài)下，燈光調(diào)暗，有人有車的時候，在其行進路線上，燈管逐步提前調(diào)亮。

4.4 節(jié)能效益分析

普通的地下車庫照明都是分高峰和低谷兩個時間段開啟車庫照明，不論有沒有車輛進入，高峰時段內(nèi)所有庫照明始終都是成開啟狀態(tài)。實際應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)節(jié)能智能照明系統(tǒng)后，無人無車是燈的功率調(diào)喑至5%，有車有人是功率調(diào)亮至70%，實測中，寫字樓地下停車庫和住宅地下停車庫24小時中，平均30%的時間比例處于有人或有車狀態(tài)，平均70%的時間比例處于無人無車燈暗的狀態(tài)，所以針對寫字樓和住宅地下停車庫的節(jié)能率高大70%。

參考文獻：

[1]建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB50034-2004中國標(biāo)準(zhǔn)書號[s]北京：中國國防部：2004

[2]地下建筑照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)CECS45-92中國標(biāo)準(zhǔn)書號[s]北京：中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會 1993

[3]建筑設(shè)計防火規(guī)范GB500 16-2006中國標(biāo)準(zhǔn)書號[s]北京：中國建設(shè)部2006

[4）建筑物防雷設(shè)計規(guī)范GB50057-2000中國標(biāo)準(zhǔn)書號[s]北京：中國建設(shè)部2000

[5]民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范JGJ-T6-2008中國標(biāo)準(zhǔn)書號[s]北京：機械工業(yè)出版社：2010

[6]建筑電氣安裝工程質(zhì)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)GYJ1253-88中國標(biāo)準(zhǔn)書號[s]北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社：2002endprint