基于NB-IOT窄带物联网智能路灯云端控制系统的设计与实现

随着经济和 社会 的发展，城市公共照明已经成为城市现代化水平的重要标志之一，城市照明设施规模日益增大，用电量节节攀升， 社会 各方对城市公共照明的要求和希望越来越高。而目前国内城市照明的监控和管理方式相对简单、粗放，服务质量和节能水平有待提高，难以满足现代化城市照明的需要，主要表现在以下几个方面：

监控管理方式相对粗放。传统“三遥”系统只能实现回路级别的采集和控制，对单灯运行情况无法实时、准确监控，不能实现智能化监控和精细化管理；部分城市仍停留在“时控”时代，缺少基本的信息化管理手段。

运行维护效率低、成本高。现有的照明设施故障发现机制主要采用人工巡查模式，工作量巨大，需要投入大量的人力物力，并且还可能留有盲区，运维效率低、成本高，难以实现主动服务、保障服务质量。

照明能耗偏大。缺少灵活有效的节能控制手段，过度照明和照明不足的矛盾难以调和，无法实现按需照明，从而在保障照明质量的前提下有效降低照明能耗设施安全难以保障。缺少实时监管措施，设施被盗时有发生，给照明管理部门造成直接的经济损失，严重影响城市照明的正常运行，同时带来安全隐患。

1 设计与实现

本系统由3大部分组成：NB-IoT通信模块、云端控制系统、手机端APP。

图1

11 NB-IoT通信模块

基于高通MDM9206平台高性能、低功耗的CAT-M1/CAT-NB1/GSM三模无线通信模块，支持全球各主流定位系统GNSS，不仅支持当前运营商的主流物联网频段，对未来可能会部署的频段也最大可能性的支持 ，其尺寸仅 为 225mm265mm27mm，能最大限度地满足终端设备对小尺寸模块产品的需求，

通过该模块实现路灯信息传输、调光、降功率、按需开关灯等管理方式，减少过度照明节约电能，真正实现节能、环保、安全、舒适的照明，减少对大气的污染，建设资源节约型、环境友好型 社会 。

12 云端控制中心

是根据路灯管控开发的一款远程 *** 作与监控管理平台，方便了管理人员的管理与维护。通过灯联网集中监控管理平台可以远程控制每一个回路的开、关状态，也可以实时监测每个设备的当前信息，并根据采集到的参数的情况，实时判断线路情况，给用户直观的解析。系统同时还具备短消息报警和声音报警的功能。

13 手机端APP

一种基于智能手机APP应用的城市路灯控制方法，包括将智能手机APP应用与路灯管理系统相关联，形成APP调节城市路灯的架构，构建智能手机 APP 节点，每个 APP 节点代表一个APP 注册用户；当用户登录 APP 应用时，APP 应用将包含用户地理位置、行进方式的 APP 应用信息传送到路灯管理系统；路灯管理系统根据APP应用信息，查询用户所属路段的路灯实时状态，并对路灯进行调节控制。采用NB-IoT物联网概念，通过手机 APP 应用按照用户实际需求开启路灯、调节路灯亮度，合理分配路灯照明资源，降低了路灯能耗、节约了路灯使用成本。

2 测试与分析

硬件调试：分为电源电路、通信链路、LED驱动电路调试。

21 电源电路

图2 电源电路

图 2 中，EUP3420 是一款恒定频率，采用电流模脉宽调制（PWM）架构的降压型变换器。芯片集成了主开关和同步整流开关，可以获得更高的效率。本系统采取5V适配器输入，转化给NB-IoT无线通讯模块VBAT网络33V供电。

C1000：适配器的输入端，用万用表或者示波器测试该点电压是否为5V。

L1000：开关电源 buck 电感输出端，用万用表或者示波器测试该点电压是否为33V，通过调整R1000和R1007阻值调整VBAT输出的大小。

22 通信链路

NB-IoT模块上电后sim卡状态测试。

图3 NB-IoT模块Sim卡状态查询

23 LED驱动电路

图4 LED驱动电路

上图中，三极管驱动电路由Q11、R128、D30、J26（焊接LED模组）组成，NB-IoT通信模块通过GPIO口控制三极管的基集，使三极管Q11工作在开关状态，实现对LED的开断。

3 软件测试

安卓手机端可以控制指定路灯的亮与灭以及全开全灭。

图5 手机控制端界面

PC端实现对各个端口的控制。

图6 云端控制端界面

4 控制系统特性

41 管道NB-IoT设计

一是广覆盖：NB-IoT 覆盖能力强，在同样的频段下，NB-IoT 比现有的网络增益 20dB，覆盖面积扩大 100 倍。它不仅可以满足广覆盖需求，对于厂区、地下车库、井盖这类对深度覆盖有要求的应用同样适用。因此不只是道路照明，在室内、工业照明领域的应用前景也十分广阔。

二是强链接：在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数。一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。这将意味着，基于 NB-IoT 通信技术的照明控制系统，将能够管控更多的终端设备，满足未来智慧城市中大量设备联网需求。

三是低功耗：低功耗特性是智慧照明应用一项重要指标，NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用，因此NB-IoT设备功耗可以做到非常小，终端模块的待机时间可长达10年，特别适用于智能家居的应用。

四是低成本：低速率、低功耗、低带宽同样给 NB-IoT 芯片以及模块带来低成本优势。单个接连模块预期价格不超过 5美元，最终低至 1 美元，这对降低智慧照明应用的成本起到关键性作用。

42 云端智能管理

采用单灯控制技术，构建路灯物联网，精准控制每一盏路灯，在保证照明需求的前提下，根据季节、路段、天气、特殊场合等条件设定路灯运行方案，真正实现“按需照明”，深化节能减排。因本项目范围内 LED 路灯电源不具备调光接口，单灯节能方式采用开关灯控制方式。

通过单灯“在线巡测”，及时发现路灯故障并在地图上进行精准定位，转变“人工巡检、热线报修”的传统运维方式，实现定向运维、主动服务，减轻劳动强度，提高路灯运维效率，降低运维成本。

43 客户端APP

智慧公共照明管理平台具有全面和优化的路灯智能控制功能，为路灯管理人员提供更高效的管理和维护手段，主要体现为：实时监控：可以对任意一盏、一路或任意自定义组的路灯进行开关灯、调光。同时支持多终端，支持基于 Android *** 作系统的移动终端远程控制，可采用平板电脑、手机等终端下发开关灯、调光等控制命令等。

5 应用前景分析

对于 NB-IoT 产业的发展，中国移动、中国联通、中国电信三大运营商皆就NB-IOT发布了各自的发展计划。工信部也发文要求加快 NB-IoT 在国内落地，到今年年底建成基站规模 40万个，到 2020 年建成基站规模 150 万个。中国 NB-IoT 产业加速布局，将是全球 NB-IoT 产业领跑者。目前在上海、广州、江

门、鹰潭、长沙落地了NB-IoT智慧路灯项目，实现了到处开花、处处结果。

6 结束语

城市智慧照明是智慧能源的开端，以 NB-IoT 新一代通信技术为支撑，实现整个城市一张网，对城市道路每盏灯实现全面的感知、智能的控制、广泛的交互和深度的融合，在满足市民正常照明需求的前提下，通过智能调光、降功率、按需开关灯等管理方式，减少过度照明，电能节约率可达30% 60%，真正实现节能减排，减少对大气的污染，建设资源节约型、环境友好型 社会 。同时通过对城市照明设施实现精细化管理，通过对城市道路每个灯具的运行状态进行准确分析和故障报警，并根据故障等级启动相应的处置流程，将被动巡检改为定点维护，反应更加敏捷处置效率更高，将使城市的灯光管理水平与现代化的大都市相适应，提高亮灯率，减少各种故障，合理照明，美化照明，安全照明，营造出现代城市科学和艺术完美结合的照明效果，树立和提升城市的品牌形象。

智慧灯杆物联网关是为解决智慧城市建设、城市亮化工程而推出了一款多功能灯杆智慧网关，在5G路灯杆、智慧路灯、多功能合杆等有着广泛的应用。智慧灯杆物联网关具很多种接口可供很多设备接入，作为物联网的核心设备拥有强大的边缘计算能力,具有连接感知网络和传统公共网络的枢纽功能，可以将不同厂家的传感器设备进行统一的传输，完成远程灯光控制、信息化管理（采集）、智能控制等功能，从而形成社会管理与服务的新型管理模式。
智慧网关的功能：
1丰富多样通信接口的接入功能
智慧路灯搭载了很多功能为一体的设施，智能路灯上设备的通信接口各有不同，智能路灯智能网关的接口需符合兼容适配多种传感器及前端设备的接入，通信接口设计有多路千兆网口和光口，支持多种的数据接口的接入，以适配高清摄像头、环境监测、集中控制器、LED显示屏等硬件的对接，都需要智能路灯网关来进行统一接入和管理，实现多种设备的集约化高效化管理
2工业级设计
智能路灯已经普及很多比如：市政道路、智慧园区、智慧社区、智慧景区、特色小镇等多个场景当中。要具备：防磁，防雨（水），防高温在应对极端恶劣的环境因要有防御能力，才能在智慧路灯的设备舱内稳定安全工作。
3协议多样化
智能灯杆智慧网关需要要支持JSON、212、协议等设备协议，还需要智慧路灯网关需要兼容许多种通信协议，还需要具备协议转换功能，能够灵活组网的需求设备的工作通信协议。还要支持第三方云平台接入协议例如与阿里云、华为云、亚马逊云等，平台平稳对接。
4智能管理
智能灯杆需要实现更多的智慧功能，网关应按照需求与智慧城市云控平台相配套，异常告警、信息发布等功能边缘存储、边缘控制。满足智慧路灯系统智能化管理的需要。
5安装方便
智能网关形状，并不适宜做得太大这样放入灯杆检修仓内，这样检修时方便安装检修。

单灯监控系统主要由以下三部分构成：

1、监控软件，远程实时动态管理功能：

a、系统设置：完成对现场每一个站点的配置参数及下达预置的控制任务。

b、远程控制：中心可以对现场每一个站点按照回路方式进行控制（线控）。

c、电子地图：实时显示现场每一个站点（每一条电缆回路，每一盏灯）的位置，运行状态运行参数。

d、完善的各种报表和查询系统，方便用户管理查询和事故分析。

e、各灯组回路异常参数的自动保存，自动建立分类、统计数据库并自动添加时间标签和值班员姓名。

f、路灯故障率、每回路灯组负荷率自动计算、统计、保存。

g、故障灯的报警、精确定位到每一条街，每一个回路（或每一盏灯），报警信息自动保存。

h、所有故障报警后，电子地图同步显示、故障定位，同时在右下脚自动d出一个报警窗口按报警级别和报警时间显示故障内容，监控中心发出声光报警，并通过GSM/GPRS电信移动通讯网络及时通知值班员。

2、监控主机，主要具备四遥功能：

A、遥控——远程集中或单灯开关

B、遥测——主回路和灯具电压、电流、开关次数等参数的采集

C、遥信——远程实时故障诊断信息自动回传

D、遥调——远程实时调光

3、单灯控制末端，末端主要通过电力载波执行主机的指令：

①单灯末端具有三种接口控制模式：单灯末端与灯具之间具有大功率继电器输出、PWM输出、DA输出3种节能控制模式，能适应不同灯具负载的节能需求。

②当单灯从机检测到异常或故障时，能主动上传报警信息，上级控制器接收处理后返回监控中心，若有用户使用了短信报警系统，则能将相关信息立即发送到值班人员手机上。

用户一键打开手机数据、WiFi，智能灯控APP应用即可自动连接并且识别相对应的灯控。在这里，用户可以轻轻地在手机端打开灯光，直接对灯光进行开关、亮度等控制，大大的提高了用户的使用体验。另外，这一款平台对家居中的智能灯都会精心识别，平台采用了红外线感应，也就是说，用户只需把手机端对准智能灯，平台就会显示出相对应的灯光数值，用户线上去 *** 作即可。
为了跟上用户的生活节奏，智能灯控APP软件设置了多样化的灯光情景模式；比如家庭聚会、烛光晚餐、工作等，用户直接线上去 *** 作即可。并且这一款手机应用端还会根据用户的心情去调整灯光的亮度以及颜色，用户在平台中去设置即可，让用户的智能灯控生活变得更加高效、便捷。
这一款手机软件利用科学技术的力量，随时随地对每一款智能灯进行监测，并且科学的分析其数据，把客观建议发送到用户的手机端，用户可以线上去查看。一旦发现智能灯出现问题，会及时的提醒用户，让用户可以进行更换。
智能灯控APP制作通过互联网技术，对其进行功能创新，用户可以自行设置灯光情景，根据自己的心情去改变家居环境，从而为自己的生活增添一抹亮丽的色彩

各所院校侧重点不同，所开设的课程也有所不同，但是，骨干核心课程很相近。
课程1、 物联网产业与技术导论 使用电子工业出版社《物联网：技术、应用、标准、安全与商业模式》等等教材。 在学完高等数学，物理，化学，通信原理，数字电路，计算机原理，程序设计原理等课程后开设本课程，全面了解物联网之RFID、M2M、传感网、两化融合等技术与应用。
课程2、C语言程序设计 使用清华大学出版社《C语言程序设计》等教材。 物联网涉及底层编程，C语言为必修课，同时需要了解OSGi，OPC，Silverlight等技术标准。
课程3、Java程序设计 ，使用 机械工业出版社《Java语言程序设计教程》等教材。 物联网应用层，服务器端集成技术，开放Java技术也是必修课，同时需要了解Eclipse,SWT, Flash,HTML5,SaaS等技术
课程4、无线传感网络概论，使用 无线龙通讯科技出版社《现代无线传感器网络概论》、北京航空航天大学出版社《短距离无线通讯入门与实战》等教材。 学习各种无线RF通讯技术与标准，Zigbee, 蓝牙，WiFi，GPRS,CDMA，3G, 4G, 5G等等。
课程5、 TCP/IP网络与协议 ，《TCP/IP网络与协议》，清华大学出版社，等教材。 TCP/IP以及OSI网络分层协议标准是所有有线和无线网络协议的基础，Socket编程技术也是基础技能，为必修课
课程6、嵌入式系统技， 《嵌入式系统技术教程》，人民邮电出版社等教材。 嵌入式系统是物联网感知层和通讯层重要技术，为必修课
课程7、传感器技术概论 ， 《传感器技术》，中国计量出版社，等教材。 物联网专业学生需要对传感器技术与发展，尤其是在应用中如何选用有所了解，但不一定需要了解传感器的设计与生产，对相关的材料科学，生物技术等有深入了解
课程8、RFID技术概论 ，《射频识别（RFID）技术原理与应用》，机械工业出版社，等教材。 RFID作为物联网主要技术之一，需要了解，它本身（与智能卡技术融合）可以是一个细分专业或行业，也可以是研究生专业选题方向。
课程9、工业信息化及现场总线技术 ，《现场总线技术及应用教程》，机械工业出版社，等教材。 工业信息化也是物联网主要应用领域，需要了解，它本身也可以是一个细分专业或行业，也可作为研究生专业选题方向。
课程10、M2M技术概论， 《M2M: The Wireless Revolution》，TSTC Publishing，等教材。 本书是美国“Texas State Techinical College”推出的M2M专业教材，在美国首次提出了M2M专业教学大纲，M2M也是物联网主要领域，需要了解，建议直接用英文授课。课程11、物联网软件、标准、与中间件技术 ，《中间件技术原理与应用》，清华大学出版社，《物联网：技术、应用、标准、安全与商业模式》，电子工业出版社，等教材。 物联网产业发展的关键在于应用，软件是灵魂，中间件是产业化的基石，需要学习和了解，尤其是对毕业后有志于物联网技术发展的学生

路灯控制器设置定时开关的方式有很多，比如时照智能科技的路灯控制器可以设置定时开关、经纬度开关、光照度开关、可以预设置365天节假日开关，可以随意组合，定时有32段时间段，可以配合星期组合开关，需要详细资料可以向时照智能科技（上海）有限公司索要！

---