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。

飞猫智联与中国移动、中国联通、中国电信运营商达成物联网战略合作，作为联通消费类物联网领域TOP客户和物联网战略合作伙伴，飞猫智联为联通搭建消费类物联网应用管理平台，并为其提供硬件产品，形成完善的物联网解决方案。 在消费类物联网细分领域搭建完善且成熟的运营管理平台、减少前期开发、研讨时间成本、快速部署将产品推向市场。 在基于联通强大的业务支撑下，为联通搭建基于消费类电子产品的物联网运营平台，极大的优化了其业务流程，使原来一个月的批复流程缩短到一天，快速灵活的响应客户需求߅

物联卡是中国移动、联通针对物联网企业硬件无线上网的需求，在2015年中旬提出的流量解决方案（专属SIM卡）。

1、如果一个物联网项目需要很多卡，浪费就大了。使用物联网卡流量池，包一个总流量，若干张卡可分摊使用，这个卡多用，那个卡少用甚至不用都没关系，但总流量不能超过。

2、运营商会给你一个管理后台，可随时监控各卡的通讯状况。物联网项目的接入点多时，是很划算的，且该类卡可全国接入使用。

3、物联网流量池系统采用自主卡池系统，具有完整开放平台能力，支持运营商多协议的流量无缝接入，可实现大批量单独流量包的生成。

4、选择流量池模式，批量办理物联卡，所有的物联网卡都共享这里的流量，可以省钱，朋友跟沃腾合作车联网，就是办理的流量池模式。不过需要注意的是，不是叫你买流量池卡，而是自己办理一个流量池。

云计算的精髓就是把有形的产品（网络设备、服务器、存储设备、各种软件等）转化为服务产品，并通过网络让人们远距离在线使用，使产品的所有权和使用权分离。

云计算具有8个基本特征如下：

超大规模

云具有相当的规模，Google云计算已经拥有100多万台服务器， Amazon、IBM、微软、Yahoo等的云均拥有几十万台服务器。企业私有云一般拥有数百上千台服务器。云能赋予用户前所未有的计算能力。

虚拟化

云计算支持用户在任意位置、使用各种终端获取应用服务。所请求的资源来自云，而不是固定的有形的实体。应用在云中某处运行，但实际上用户无需了解、也不用担心应用运行的具体位置。只需要一台笔记本或者一个手机，就可以通过网络服务来实现我们需要的一切，甚至包括超级计算这样的任务。

高可靠性

云使用了数据多副本容错、计算节点同构可互换等措施来保障服务的高可靠性，使用云计算比使用本地计算机可靠。

通用性

云计算不针对特定的应用，在云的支撑下可以构造出千变万化的应用，同一个云可以同时支撑不同的应用运行

高可扩展性

云的规模可以动态伸缩，满足应用和用户规模增长的需要。

按需服务

云是一个庞大的资源池，你按需购买；云可以像自来水，电，煤气那样计费。

计费服务

消费者使用云端计算资源是要付费的，付费的计量方法有很多，比如根据某类资源（如存储、CPU、内存、网络带宽等）的使用量和时间长短计费，也可以按照每使用一次来计费。但不管如何计费，对消费者来说，价码要清楚，计量方法要明确，而云服务提供商需要监视和控制资源的使用情况，并及时输出各种资源的使用报表，做到供/需双方费用结清清楚楚、明明白白。

物联网作为战略性新兴产业的重要组成部分，是促进相关产业集群发展的切入点，具有重要的战略意义和广阔的发展前景。我国具有较好的发展物联网产业的比较优势，同时也面临着一些瓶颈制约，如缺乏统一的发展战略、核心技术缺失、标准体系不完善、地址资源缺乏、规模化应用不足等，必须采取针对性的措施，促进我国物联网产业的发展。 物联网是把所有物品通过射频识别（RFID）等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理的一种网络。物联网产业是由物联网芯片与技术提供商、应用设备提供商、软件与应用开发商、系统集成商、网络提供商、运营及服务商以及物联网用户构成的产业集群。美国、欧洲、日本、韩国等发达国家和地区高度重视物联网产业的发展，我国也将物联网纳入战略性新兴产业，并将采取一系列政策措施。本文对我国物联网产业集群发展的优势及存在的问题进行了分析，并提出了相应的对策建议。 一、我国物联网产业集群发展的优势 （一）具有一定的技术积累 中科院早在1999年就启动了物联网（传感网）研究，先后投入资金数亿元；《国家中长期科学与技术发展规划（2006－2020年）》和"新一代宽带移动无线通信网"重大专项均将物联网（传感网）列入重点研究领域。国家科技部、发改委、工业信息化部还专门立项对物联网的关键技术---射频识别（RFID）的研究和应用进行支持。科技部专门在先进制造领域设立了"RFID"专项，投入1亿多元对19个专题、近30家企事业单位进行了大规模的资助，从RFID芯片、关键 技术的研发到行业应用的整个产业链进行资助和培育。目前，我国在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、移动基站等方面都已取得重大进展。 （二）在标准制定上具有一定的先发优势 在世界物联网领域，我国与德国、美国、韩国一起，成为国际标准制定的四大发起国和主导国之一，取得了在国际标准制定中的重要话语权。这将改变我国在计算机、互联网两次信息浪潮中双双落后的局面。目前，我国物联网（传感网）标准体系已形成初步框架，向国际标准化组织提交的多项标准提案已被采纳。为加强物联网标准化工作，2009年9月11日，中国物联网（传感网）国家标准工作组正式成立。中国物联网标准联合工作组也在积极筹备过程中。 （三）具有了较好的产业集群发展的基础 一是技术研究和产业集群初具规模。2009年11月12日，江苏省、中科院、无锡市签署协议，共同建设"中国物联网研究发展中心"。同一天，中国移动宣布将在无锡成立中国移动物联网研究院，重点开展TD-SCDMA与物联网融合的技术研究与应用开发，并同时建设物联网数据中心，以支撑物联网相关业务的落地运营。23日，中国电信物联网应用和推广中心、中国电信物联网技术重点实验室在无锡成立。24日，中国联通与无锡签订协议，合作推进WCDMA与物联网融合。 2010年3月2日，上海物联网中心成立。在产业化组织方面，早在2005年9月，上海就成立了"电子标签与物联网产学研联盟"。2009年11月和12月，中关村物联网产业联盟、传感网（物联网）技术产业联盟筹备工作组相继成立。二是产业基地发展迅速。国家的大力支持下，2009年8月7日，首个国家物联网园区在无锡建立。11月13日，国务院正式批准在无锡建设国家传感网（物联网）创新示范区。各地的物联网产业基地建设也快速推进。 （四）具有广阔的市场发展潜力根据美国权威咨询机构FORRESTER预测，到2020年，世界上物物互联的业务，跟人与人通信的业务相比，将达到30比1，意味着物联网产业要比互联网大30倍。因此，物联网被称为是"下一个万亿级的通信业务"。二、我国物联网产业化集群发展存在的问题 （一）缺乏一个明确统一的物联网发展战略和路线图 物联网作为战略性新兴产业，尚处于发展初期阶段，标准、技术、商业模式以及配套政策等还远没有成熟。与计算机和互联网相比，物联网的发展更加需要顶层设计、统筹规划和标准的统一。但到目前为止，我国物联网产业的发展，还基本上处于一种自发状态，部门之间、地区之间、行业之间的分割情况较为普遍，明确统一的国家物联网发展战略和路线图还没有出台，这种情况非常不利于我国当前及未来物联网产业的发展。在国家高度重视物联网产业的情况下，容易出现一哄而上的局面，从物联网相关企业股价的迅速飙升以及许多城市纷纷介入物联网建设，就可以看出这一点。 （二）物联网核心关键技术缺失 我国在物联网核心关键技术方面存在缺失，除下一代互联网等技术外，我国只有极少数企业拥有物联网核心技术。以RFID（射频识别）技术为例：RFID技术是物联网中的核心关键技术，但在全球RFID专利中，我国RFID专利申请量只有美国的65%，日本的457%3，而且多以实用新型为主，发明型专利数量较少。美国在芯片、编码、空中接口协议等领域拥有大批专利，其申请总量超过了欧盟、世界知识产权组织、日本以及我国大陆等多个区域专利申请总量的总和，高达53%。而日本、欧洲则在传感器技术上拥有巨大优势。即使在国内，国外企业和组织在我国申请的RFID发明专利授权量也占据主要地位。截至目前，全球许多国际组织和国家已制订出RFID标准，并加速向我国输出,随着国外RFID标准在我国的推广以及逐渐被我国企业接受，我国RFID国家标准的制定和推广将面临越来越大的挑战，国际标准在国内应用所形成了事实标准将会阻碍我国国家RFID（射频识别）标准的制定和推广。 （三）物联网标准规范体系尚不完善物联网产业的发展，涉及物体标识、信息感知、信息传输、信息处理等多个环节，包括了芯片与技术提供商、应用设备提供商、软件与应用提供商、系统集成商、网络提供商、运营及服务商等不同企业主体。虽然我国在物联网标准制定上具有一定的先发优势，但适应国内物联网产业发展的统一的标准体系尚未出台，使得目前很多物联网应用仍处于厂家各自为战的状态，终端厂商、应用厂商、集成商无法有效分工协作，产业分工不能细化，影响整个产业规模化的发展。随着物联网应用范围的不断扩大，标准规范的不完善将导致整个物联网产业的混乱。 （四）物联网地址资源匮乏物联网时代的网络发展，需要大量的IP地址，专家预计，未来五年我国物联网地址预计需求量在100亿。而目前互联网在IP地址资源上的不足，已经成为物联网发展最大的瓶颈。从总量上看，目前全球互联网IPv4协议能够提供的地址空间最多只有40多亿，且可分配的IPv4地址剩余量不足10%，并将于两年内消耗殆尽。从结构看，全球IPv4地址分布不平衡，截止2009年底，排名第一的美国的IPv4地址为1495亿，占全球已分配IPv4地址总数的50%。排名第二的我国的IPv4地址仅为232亿，占全球的777%。从发展趋势看，2009年度我国IPv4地址申请量为美国194倍，增长势头强劲。IP地址需求的快速增长及地址资源的不足，将使我国地址资源匮乏的问题更加突出。 （五）物联网规模化应用不足 我国物联网还处于发展初期，目前开展的物联网应用主要还局限于小范围的简单应用，难以激发产业链各环节的参与和投入的热情，庞大的行业和大范围的应用需求还没有被激发出来，使得当前物联网产业发展的规模性市场需求不足，一定程度上影响了物联网的规模化应用。同时，缺乏成熟的商业模式也是制约物联网规模化应用的另一重要原因。 三、促进我国物联网产业集群发展的建议 （一）尽快制定我国统一的物联网发展战略和路线图 一是分析我国物联网产业发展的优势和不足，明确我国物联网产业集群发展的指导思想、发展原则、发展目标、发展策略和重点任务；二是明确界定国家、地方政府和企业在发展物联网产业集群的地位、作用以及相互之间的关系；三是制定实施我国促进物联网产业集群发展的相关政策及配套措施。 （二）加强对物联网核心技术的研发和产业化工作一是在物联网核心技术，如RFID天线设计与制造、RFID标签封装技术与装备、标签集成、读写器关键零件、RFID测试技术和装备等方面，加强资金投入和技术研发；二是积极探索新的研发组织模式，将研发与产业化结合起来，建立物联网技术研发基地，聚集物联网研发人才和项目，开展物联网核心关键技术和相关产业关键技术的研发和产业化工作。 （三）加快物联网标准体系的建设坚持国际标准和国内标准同步推进的原则。一是在物联网基础标准领域，积极参与和主导国际标准的制定，进一步确立并扩大我国在国际物联网标准制定中的发言权。二是在国内物联网标准的制定上，以国际标准为基础，以我国具有自主知识产权的TD-SCDMA核心技术和网络为依托，制定和形成我国自己的物联网标准体系。 （四）积极推进物联网技术的示范和规模化应用一是加快IPv6下一代互联网的应用步伐。积极发展IPv6下一代互联网是解决目前互联网地址资源不足的有效途径。要尽快建立IPv4向IPv6过渡的有效组织机制，制度与措施，明确时间表，同时，出台相关激励政策，利用财税杠杆和专项基金等经济的手段，鼓励互联网应用提供商进行IPv6改造，加快IPv6下一代互联网的应用步伐。二要结合物联网技术的研发和标准的制定，以物联网运营企业（如中国移动、中国电信、中国联通等）为实施主体，发挥政府在推进物联网应用中的能动作用，以政府订购和首购的方式，在工业、农业、公共服务等各个领域开展形式多样的应用示范工程建设，包括环境监测、智能交通、智能电网、智能家居等，探索物联网价值链合作模式和产业规模化发展模式。 未来几年，全球物联网市场规模将出现快速增长，据相关分析报告，2007年全球市场规模达到700亿美元，2008年达到780亿美元，2012年将超过1400亿美元，年增长率接近20%。国内物联网产业，据赛迪顾问研究显示：2010年产业市场规模将达到2000亿元，2015年市场规模将达到7500亿元，年复合增长率超过30％，市场前景将远远超过计算机、互联网、移动通信等市场，拥有更大的市场份额，更好的发展前景。

目前涉及物联网运营的关键技术是终端接入和平台服务。终端是直接与用户接触的使用界面，而平台则是承载服务的核心系统。终端接入和平台服务保障了物联网应用端到端的服务质量，是可运营、可管理的物联网涉及网络层面的两大关键技术。
物联网是通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与因特网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
物联网这一概念提出已有20多年，但受全球各国重视是2008年和2009年这两年，各国纷纷推出物联网相关政策，我国也开启了物联网发展里程碑的年份，列为国家五大新兴战略性产业之一。经过10年发展，物联网已不再是高高在上的概念，在云+AI等技术加持下，让物联网得到了广泛应用，产业发展迅猛，也迎来了黄金发展时代。
运营商、半导体厂商、通信设备、云服务商和应用端等形成物联网产业链，而NB-IoT和LoRa等LPWA低功耗广域网通信技术，解决物联网大规模部署连接等需求，继而使得物联网在工业、零售、物流和交通等垂直领域得到广泛应用。
在产业链积极推动下，物联网连接规模成倍速度增长，LPWAN连接的复合年增长率为109%。此外物联网高级顾问杨剑勇指出，5G技术部署，也将把物联网带上更高的层次，也让万物互联成为可能，其中运营商是万物互联积极推动者，全球运营商纷纷转型寄望于在大连接时代，不再局限做一个管道提供者，希望能抢夺物联网应用端市场，例如面向工业、教育、医疗、车联网和智慧家庭等应用场景寻求机遇。
物联网在移动监测、智能可穿戴、POS机、气象、医疗和能源等行业用途很大，而且是实现设备联网不可或缺的产品，不少相关的top域名都被注册。

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