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。

相对于4G网络，它的优势有以下四方面。
1、广覆盖，相比于同频段GSM有着20db的覆盖增益。
技术特点：功率谱密度提升，重复次数和编码增益。
2、低功耗。十年电池寿命。
技术特点：简化协议，芯片功耗低。功放效率高。发射/接收时间短。
3、大链接。相对于lte有着100倍链接数。
技术特点：频谱效率高，小数据包，低激活比。
4、低成本。一个模组成本约5刀，方便实现大规模部署。
技术特点：简化射频硬件，简化协议，减小基带复杂的。

窄带物联网之所以能够在5 G时代被寄予厚望，是因为其本身的多覆盖、低能耗、低成本的特点所决定的。

一、窄带物联网

物联网时代已经慢慢开始取代互联网时代了。其中最为出名的就是我们的5G技术，这是一种承接物联网发展的梯次技术。其中，窄带物联网是与其一同支撑的。窄带物联网是基于蜂窝网络构建，是物联网的一个分支技术。消耗180千赫兹左右的宽带物联网，是目前消耗宽带最低的互联网。

二、窄带互联网的优势

5 G基站的建设帮助窄带物联网的无线接入，从2015年起我国就开始了这项工作。5 G助力窄带互联网实现万物互联，迎合70%以上的物联网场景需求，窄带物联网需要接入的宽度很短，并且能够实现广覆盖，在同样的频段下能够在速度上比一般网络速度提升一倍，其耗能相应较低，可实现十年内的不间断工作，单个连接模块的成本仅有二三十元不到。相比过去的蜂窝状网络结构，对于公共事业服务或工业 *** 作控制等垂直管理行业来说会很方便。

三、5G技术在其中发挥的作用

5G技术在窄带物联网中帮助满足了高传输、低消耗的物联网接入。万物互联让流量的消耗大大增加，对运营商而言是一次不可错过的“财机”。由于5G技术的低消耗、高传输、覆盖广的特点，窄带物联网和5G手可打造智慧城市，为窄带物联网的发展打下坚实基础。目前，5G技术已经逐步投入到各行各业中，窄带物联网也在不断开辟自己的发展道路，作为分支中的一员，二者属于强强联手，提高我们物联网企业的效率，改善顾客的使用感官。

宽带网络：一般般指的是带宽超过155kbps以上的网络。
窄带网络：带宽低于155kbps的网络。
特点：以室内覆盖、低成本、低功耗和广连接；主要成本低，涉及数据少的时候用。

LPWAN(低功耗广域网)，也称为LPWA)或LPN，是一种用于物联网(例如，以电池为电源的传感器)的类型，这是一种能够以低比特率进行远距离通信的无线网络。LPWAN可以同时满足覆盖和续航的要求。以最小的功耗提供最长的距离覆盖是LPWAN最大的技术优势。
3个LPWAN技术的特点
LPWAN技术是近年来国际上一项物联网接入的革命性技术。远距离、低功耗、低运维是LPWAN技术最大的特点。与现有的WiFi、蓝牙、ZigBee等技术相比，LPWAN真正实现了广阔的发展，并且能够实现物联网的低成本完全覆盖。
1广域覆盖
LPWAN技术使物联网设备之间的通信距离达到3-20公里。低功耗LPWAN技术的运用，让数据可以在智能城市中进行长距离传输。
2低功耗
使用LPWAN的主要优势之一是低功耗。有了LPWAN，当不使用物联网设备时，设备会自动进入休眠模式。并且物联网设备处于休眠模式时耗电非常少，所以这一优势有助于节省电力。低功耗和低使用率又引起连锁反应，使用LPWAN的这些物联网设备的电池寿命预计为5到10年。
3降低成本
LPWAN技术的运用大大降低了物联网设备的相关成本。低功耗的特点让物联网设备可以使用电池成本降低，物联网设备的成本也相应减少。除此之外，设备的维护成本也得到的了大幅降低。此外，通过LPWAN传输数据的网关数量将相应减少，从而进一步降低基础设施成本。
LPWAN在智慧城市上的应用
3种LPWAN的主流技术
LPWAN技术是一种无线通信解决方案，它可以解决许多以前无法解决的需求，但目前的LPWAN市场上已经出现了各种类型的技术。目前市场上主要的LPWAN技术包括NB-IoT、eMTC、LORA。
NB-IoT是物联网领域的一项新兴技术，支持广域网中低功耗设备的蜂窝数据连接。它也称为低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持设备有效连接，待机时间长，对网络连接要求高。据称，NB-IoT设备的电池续航时间可以提高到至少10年。
eMTC作为物联网的一种应用场景。它具有超可靠和低延迟的特点。eMTC主要应用在设备之间的通信需求上。
Lora是一项专有技术， Semtech为其提供芯片。Lora技术改变了以往在传输距离和功耗之间的折衷，为用户提供了一个简单的系统，可以实现远距离、长续航、大容量，进而扩展传感器网络。
目前，与NB-IoT相比，LORA 无线模块 是目前最成熟、最稳定的窄带物联网通信技术。它的免费网络专用网络远远优于运营商持续不断收费的NB网络，而且LoRa不需要终生付费。然而，LORA在物联网通信发展中的应用难度大、长期性强、准入门槛高。运营商将采用NB-IoT和eMTC，而Lora将专注于企业级应用。
3种LPWAN技术应用场景

LPWAN技术能够在智慧城市的建设中起到举足轻重的作用。例如，智能路灯、湿度传感器、智能电表和智能停车场不需要很高的数据速率，但需要非常广泛的覆盖。特别是在停车管理、智能冷链、智能抄表等方面。
LPWAN的应用
LPWAN技术在智能抄表中的应用
在智能抄表解决应用中，水、电、气、热等抄表终端通过LoRaWAN通信模块将数据上传到本地LoRaWAN基站，该模块可以控制一个LoRaWAN基站的数千个终端，然后通过蜂窝骨干网，将数据上传到服务器。
LPWAN技术在智能冷链中的应用
在智能冷链解决方案中，温湿度信息由具有LORA传输模块的各个采集器采集，然后上传到LORA网关，蜂窝网络和互联网上传到云平台，客户可以在后台实时监控状态。
LPWAN技术在智能路灯中的应用
在智能路灯解决方案中，LoRaWAN解决方案的架构类似于抄表。需要通过基站采集各个节点的数据，然后通过后台管理系统上传到云端，实现路灯故障报警、安全监控、紧急呼叫等功能。

物联网是指物物相连的互联网。还有另外一种说法就是：万物互联。涵盖Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、2G/4G/5G、NB-IoT、 LoRa

 NB-IoT窄带蜂窝物联网

针对2G/4G/5G的缺点，一种新的技术诞生了，NB-IoT 窄带物联网，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。

互联网

通过在物体上植入各种微型感应芯片、借助无线通信网络，与互联网相连接，可以让物体自己"说话"，不仅人可以与物体"对话"，物体与物体之间也能"交流"。

---