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。

院校专业：

基本学制：四年 | 招生对象： | 学历：中专 | 专业代码：080905

培养目标

培养目标

培养目标：本专业培养德、智、体等方面全面发展，掌握数学和其他相关的自然科学基础知识 以及和物联网相关的计算机、通信和传感的基本理论、基本知识、基本技能和基本方法，具有较强 的专业能力和良好外语运用能力，能胜任物联网相关技术的研发及物联网应用系统规划、分析、 设计、开发、部署、运行维护等工作的高级工程技术人才。

培养要求：

1．掌握马列主义、毛泽东思想与中国特色社会主义基本理论，具有良好的人文社会科学素 养、职业道德和心理素质，社会责任感强；

2．掌握从事本专业工作所需的数学等相关的自然科学知识以及一定的经济学、管理学和工 程科学知识；

3．系统掌握物联网专业基础理论知识和专业知识，理解基本概念、知识结构、典型方法，理 解物理世界与数字世界的关联，具有感知、传输、处理一体化的核心专业意识；

4．掌握物联网技术的基本思维方法和研究方法，具有良好的科学素养和一定的工程意识， 并具备综合运用掌握的知识、方法和技术解决实际问题的能力；

5．具有终身学习意识以及运用现代信息技术获取相关信息和新技术、新知识的能力；

6．了解物联网的发展现状和趋势，具有技术创新和产品创新的初步能力；

7．了解与本专业相关的职业和行业的重要法律法规及方针政策，理解工程技术伦理的基本 要求；

8．具有一定的组织管理能力、表达能力、独立工作能力、人际交往能力和团队合作能力；

9．具有初步的外语应用能力，能阅读本专业的外文材料，具有一定的国际视野和跨文化交 流、竞争与合作能力；

10掌握体育运动的一般知识和基本方法，形成良好的体育锻炼习惯。

主干学科：计算机科学与技术、电子科学与技术、通信工程。

核心知识领域：物联网技术体系、标识与感知、物联网通信、物联网数据处理、物联网控制、物 联网信息安全、物联网工程设计与实施等。

核心课程示例（括号内理论学时+实验或习题课学时）：

示例一：物联网工程导论（18学时）、物联网通信技术（45 +18学时）、RFID原理及应用(45+ 18学时)、传感器原理及应用（45 +18学时）、传感网原理及应用（45 +18学时）、物联网软件设计 （27 +18学时）、物联网数据处理（54学时）、物联网中间件设计（27 +18学时）、物联网应用系统 设计（54学时）、嵌入式系统与设计（45 +18学时）、传感器微 *** 作系统原理与设计（36+36学 时）、物联网控制原理与技术（45 +18学时）、物联网定位技术（45 +18学时）、物联网信息安全 （45 +18学时）、物联网工程规划与设计（36学时）、计算机网络（54学时）。

示例二：物联网工程概论（30学时）、物联网算法基础（60 +15学时）、物联网硬件基础(60+ 15学时)、传感网与微 *** 作系统（45 +15学时）、物联网安全与隐私（30学时）、无线单片机与协议 开发（60+15学时）、JAVA语言程序设计（30 +15学时）、物联网移动应用开发（20 +10学时）、物 流管理信息系统（30+15学时）、RFID系统（30学时）、物联网嵌入式系统开发（20 +10学时）、多 传感器数据融合技术（60学时）、云计算（30学时）、物联网与智慧思维（30学时）、移动人机交互 技术（30学时）、社会计算（30学时）。

示例三：物联网工程导论（18学时）、物联网体系结构（40学时）、传感器原理及应用( 36+10 学时)、物联网数据处理（40+10学时）、嵌入式系统原理（40 +12学时）、物联网工程规划与设计 （40+10学时）、物联网应用系统设计（50学时）、物联网通信技术（40 +14学时）、RFID与智能卡 技术（40+10学时）、物联网控制技术与应用（40+14学时）、物联网信息安全（40 +14学时）、传感 器网络及应用（40 +14学时）、网络规划与设计（40 +14学时）、数据仓库与数据挖掘（40+10学 时）、信息系统分析与集成（40+14学时）、软件集成与服务计算（40+10学时）。

主要实践性教学环节：课程实验、课程设计、专业实习、毕业设计（论文）。

主要专业实验：传感器实验、传感网实验、物联网通信实验、物联网数据处理实验、物联网工 程规划与设计实验。

修业年限：四年。

授予学位：工学学士。

职业能力要求

职业能力要求

专业教学主要内容

专业教学主要内容

《嵌入式原理及应用》、《无线传感器网络》、《汇编语言与微机原理》、《传感器微 *** 作系统原理与设计》、《应用密码学》、《光电子物理基础》、《模拟电子技术》、《数字建模》、《微处理器系统设计》、《物联网信息处理技术》 部分高校按以下专业方向培养：电商物联网、移动嵌入式、智能机器人、物联网大数据采集与分析。

专业（技能）方向

专业（技能）方向

IT类企业：物联网工程、物联网系统设计架构、物联网应用系统开发、物理网系统管理、网络应用系统管理、物联网设备技术支持、云计算。

职业资格证书举例

职业资格证书举例

继续学习专业举例

就业方向

就业方向

物联网专业就业前景

目前，教育部审批设置的高等学校战略性新兴产业本科专业中有“物联网工程”、“传感网技术”和“智能电网信息工程”三个与物联网技术相关的专业。此三个专业从2011年才开始首次招生，目前为止还没有毕业生，所以，无法从往年的就业率来判断未来的就业情况，但可从行业的整体发展趋势和人才市场的需求等方面了解该专业未来的就业形势。

作为国家倡导的新兴战略性产业，物联网备受各界重视，并成为就业前景广阔的热门领域，使得物联网成为各家高校争相申请的一个新专业，主要就业于与物联网相关的企业、行业，从事物联网的通信架构、网络协议和标准、无线传感器、信息安全等的设计、开发、管理与维护，也可在高校或科研机构从事科研和教学工作。未来的物联网技术要得到发展，需要在信息收集、改进、芯片推广、程序算法设计等方面有所突破，而做到这些的关键是如何培养人才。柏斯维也指出，从整体来看，物联网行业是非常需要人才。

对应职业（岗位）

对应职业（岗位）

其他信息：

物联网专业的毕业生可以在与物联网相关的企业、行业，从事物联网的通信架构、网络协议和标准、无线传感器、信息安全等的设计、开发、管理与维护，也可在高校或科研机构从事科研和教学工作。 物联网专业适合的岗位 1、ERP顾问 ERP实施顾问，也叫ERP实施工程师、ERP应用工程师，是指把公司的ERP实施作为己任，并投入大量的人力、财力和精力确保实现这一实施目标的项目管理人员。 2、IT系统维护工程师 就是对基金公司所有IT设备进行维护管理的人员，广义上讲IT系统维护工程师，就是在基金公司从事技术支持、软硬件维护、病毒防护系统管理、设备维护管理等IT技术工作的人员。 3、系统管理员 主要分为网络系统管理员和信息系统管理员。网络系统管理员主要负责整个网络的网络设备和服务器系统的设计、安装、配置、管理和维护工作，为内部网的安全运行做技术保障。服务器是网络应用系统的核心，由系统管理员专门负责管理;信息系统管理员则负责具体信息系统日常管理和维护，具有信息系统的最高管理权限。 4、网络管理员 网络管理员是指向社会公众开放的营业性上网服务提供场所里的管理员。 5、产品经理产品经理 就是企业中专门负责产品管理的职位，产品经理负责调查并根据用户的需求，确定开发何种产品，选择何种技术、商业模式等。并推动相应产品的开发组织，她或他还要根据产品的生命周期，协调研发、营销、运营等，确定和组织实施相应的产品策略，以及其他一系列相关的产品管理活动。 6、电子元器件工程师 电子元器件工程师主要是研究、开发、设计、生产集成电路、半导体分立器件、电真空器件和特种器件等。 7、游戏设计师 游戏开发工程师致力于游戏总体设计，负责游戏开发工具和运营维护工具的设计与开发，并配合主程序完成游戏架构及各大功能的设计、开发、调试和其他技术支持。 8、系统架构师 系统架构师(又称企业架构师或者系统设计师)是一个最终确认和评估系统需求，给出开发规范，搭建系统实现的核心构架，并澄清技术细节、扫清主要难点的技术人员。主要着眼于系统的“技术实现”。因此他/她应该是特定的开发平台、语言、工具的大师，对常见应用场景能马上给出最恰当的解决方案，同时要对所属的开发团队有足够的了解，能够评估自己的团队实现特定的功能需求需要的代价。 9、互联网软件开发工程师 互联网软件开发工程师又称为web开发工程师，是进行网站应用服务、模块设计等网站建设工作的专业技术人才。 10、网络信息安全工程师 网络信息安全工程师是指遵照信息安全管理体系和标准工作，防范黑客入侵并进行分析和防范，通过运用各种安全产品和技术，设置防火墙、防病毒、IDS、PKI、攻防技术等。进行安全制度建设与安全技术规划、日常维护管理、信息安全检查与审计系统帐号管理与系统日志检查等的人员。 11、信息技术项目经理 对于项目这个词，我们解释为在一定的时间期限内、有限资源条件内，有明确目标的一次性活动或任务。项目经理就是整个项目团队的领导者，他的首要职责就是在所有预算计划范围内，高质 12、网络工程师 网络工程师是通过学习和训练，掌握网络技术的理论知识和 *** 作技能的网络技术人员。网络工程师能够从事计算机信息系统的设计、建设、运行和维护工作。 13、电源开发工程师 电源开发工程师负责组织相关电源技术(包括内置电源、外置适配器、关键AC/DC二次电路等)规格制定、实施，适配器的开发选型、测试和供应商技术能力认可，解决系统电源相关关键技术问题，系统电源Roadmap规划。 14、数码产品开发工程师 数码产品开发工程师主要负责数码产品的研发和设计工作，包括新产品的开发和产品性能的改进，开发设计能够实现产品功能的硬件，编写软件程序和开发过程报告。 15、文档工程师 文档工程师是指协同开发人员，收集资料，安排开发计划，编写企业项目开发所需的各类文档，同时保证文档的质量、安全等方面内容的技术人员。 16、标准化工程师 所谓“标准化”，是指制定技术标准并就其达成一致意见的过程;标准化目前已成为一个企业、一个城市、一个国家核心竞争力的重要组成部分，因此目前世界上主要发达国家都在大力实施标准化战略。 17、系统测试工程师 系统测试工程师是软件系统最后的体检医生，系统测试的目的是对最终软件系统进行全面的测试，确保最终软件系统满足产品需求并且遵循系统设计。系统测试过程域是SPP模型的重要组成部分。 18、IT项目经理 项目经理是具体项目工作的管理者，他们在工作中不断提升自己的领导才华，同时该职业又是一个权利与责任并存的职业，他们主要对项目进行背景调查，收集整理项目相关资料，进行需求策划，撰写项目调查报告和信息综述，对项目组成部分或模块进行完整系统设计，联系项目相关单位和相关技术专家，制定项目可行性研究报告，协同配合制定和申报立项报告材料，组织项目团队完成项目任务，保证项目的完成时间和完成质量。 19、技术支持工程师 技术支持/维护工程师是指在一个销售型公司里对一个产品在销售后做技术培训对于客户的技术问题给与解答如果可能的话，可能还涉及公司新产品的测试或开发的技术人员。 20、技术经理 技术经理一般负责一个企业的技术管理体系的建设和维护，制定技术标准和相关流程，能够带领和激励自己的团队完成公司赋予的任务，实现公司的技术管理和支撑目标，为公司创造价值。

物联网网关功能，协议转换能力，协议从不同的感知网络到接入网的转换，以较低层为标准对数据进行统一封装，好确保不同感知网络的协议可以形成统一的数据和信令;把上层发送的数据包解析为感知层可以识别到信令和控制命令。必须对网关进行统一管理，例如注册管理，权限管理，状态监视等。网关可以实现子网中节点的管理，像获得节点的身份，状态，属性，能源等，与此同时还能够远程实现唤醒，控制，诊断，升级和维护的功能。因为子网的不同技术标准和协议的不同具有的复杂性，所以也让网关的管理具有不同的方式。物联网网关功能，广泛的访问能力，就目前而言，有许多用在了短距离通信的技术标准。国内外也纷纷实行了3GPP，传感器工作组等物联网网关的标准化工作，达到了各种通信技术标准互联互通的效果。总而言之，言而总之，物联网网关作为一个新词汇，物联网网关功能更是与我们的生活息息相关。相信不管是现在还是未来，在物联网的时代它都有自己举足轻重的位子，成为了感知网络和传统通信网络的枢纽，相信它的应用场景也会随之变得更加绚丽多彩。

物联网时代先锋军

共享单车，主要体现在车锁上。共享单车的物联网原理主要是采用了“手机端—云端—单车端”的架构。

云端：就是服务器了，是整个共享单车系统的控制台，它可以与所有的单车进行数据通讯，收集信息指令，响应用户。

手机端：我们通过手机端的App可以查看附近的单车，充值、开锁等等;

单车端：收集信息与执行命令（开关锁）的一端，如卫星定位、开锁。

苹果、华为、小米等手机，主要体现在手机定位，ID锁

①硬件研发基础：单片机、通信原理、电路分析、模拟电子技术、控制系统、数字电子技术、微机原理与接口技术等；
②信息技术基础：计算机科学导论、数据结构、 *** 作系统、网络技术、数据库系统、数据挖掘、人工智能、软件工程等；
③物联网基础课程：物联网技术理论、物联网架构、物联网应用技术、物联网安全技术、物联网系统设计、物联网系统实践、物联网技术标准及实施、物联网服务发现与管理、物联网数据交换与分析等；
④其他专业课程：实时系统、嵌入式系统、网络编程、分布式处理、协议设计、驱动设计、传感器与控制技术、无线网络、物联网网络体系结构等

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