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。

仅供参考
物联网卡就是借助于某种场景的智能设备（智能穿戴、车载设备等）通过通信传输网络，是三大运营商面向物联网用户为智能终端设备提供的移动通信接入业务，具有上网速率快的优点。物联网卡成分多种多样方式，例如一些情景合适NB－IoT方式，一些情景合适一般2G／3G／4g方式。NB－IoT就是NarrowBandInternetofThings，俗称窄带物联网，其中的NB就是Narrow Band，窄带的意思。NB物联网卡朝向物联网技术行业中具备“小信息量、低速度、低能耗”特性的低能耗多源（LPWA）移动通信技术连接服务项目，主要提供短消息、数据信息，不提供视频语音。
NB物联卡与普通物联网卡的相同不同之处？
1、NB物联卡和普通物联卡相同之处是都不提供视频语音服务。
2、NB物联卡和普通物联卡的不同之处：
在网络上：NB物联卡是NB－IOT网络，一个独立的网络频段，属于4G，NB卡不兼容其他2／3／4g设备，不支持与手机之间的直接数据通信；普通物联卡一般是2G／3G／4G网络。
在面向用户上：NB物联卡覆盖广，能耗低，连接数更多，仅向集团客户开放，暂不对个人客户开放；物联卡可以对个人智能设备开放，比如智能手表等等。
在收费上：NB卡资费便宜；物联卡资费相对较贵。
什么是NB物联卡．中琛物联平台表示物联卡市场上有不少的设备需要使用到物联网NB卡，企业在批量采购NB卡的时候，需要提前与供应商进行需求沟通，避免因为沟通不充分影响设备的正常使用。

LoRa

LoRa(长 距离)是由Semtech公司开发的一种技术，典型工作频率在美国是915MHz，在欧洲是868MHz，在亚洲是433MHz。LoRa的物理层 (PHY)使用了一种独特形式的带前向纠错(FEC)的调频啁啾扩频技术。这种扩频调制允许多个无线电设备使用相同的频段，只要每台设备采用不同的啁啾和 数据速率就可以了。其典型范围是2km至5km，最长距离可达15km，具体取决于所处的位置和天线特性。

LoRa芯片在整个产业链中处于基础核心地位，重要性不言而喻。值得注意的是，目前美国Semtech公司是LoRa芯片的核心供应商，掌握着LoRa底层技术的核心专利。而Semtech的客户主要有两种，一是获得Semtech LoRa芯片IP授权的半导体公司；二是直接采用Semtech芯片做SIP级芯片的厂商，包括微芯 科技 （Microchip）等。

Wi-Fi

Wi-Fi被广泛用于许多物联网应用案例，最常见的是作为从网关到连接互联网的路由器的链路。然而，它也被用于要求高速和中距离的主要无线链路。

大多数Wi-Fi版本工作在24GHz免许可频段，传输距离长达100米，具体取决于应用环境。流行的80211n速度可达300Mb/s，而更新的、工作在5GHz ISM频段的80211ac，速度甚至可以超过13Gb/s。

一 种被称为HaLow的适合物联网应用的新版Wi-Fi即将推出。这个版本的代号是80211ah，在美国使用902MHz至928MHz的免许可频段， 其它国家使用1GHz以下的类似频段。虽然大多数Wi-Fi设备在理想条件下最大只能达到100米的覆盖范围，但HaLow在使用合适天线的情况下可以远达1km。

80211ah 的调制技术是OFDM，它在1MHz信道中使用24个子载波，在更大带宽的信道中使用52个子载波。它可以是BPSK、QPSK或QAM，因此可以提供宽 范围的数据速率。在大多数情况下100kb/s到数Mb/s的速率足够用了——真正的目标是低功耗。Wi-Fi联盟透露，它将在2018年前完成 80211ah的测试和认证计划。

针对物联网应用的另外一种新的Wi-Fi标准是80211af。它旨在使用从54MHz到698MHz范围内的电视空白频段或未使用的电视频道。这些频道 很适合长距离和非视距传输。调制技术是采用BPSK、QPSK或QAM的OFDM。每个6MHz信道的最大数据速率大约为24Mb/s，不过在更低的 VHF电视频段有望实现更长的距离。
ZigBee

ZigBee，也称紫蜂，是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用IEEE 802154标准规范的媒体访问层与物理层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee是物联网的理想选择之一。

虽然ZigBee一般工作在24GHz ISM频段，但它也可以在902MHz到928MHz和868MHz频段中使用。在24GHz频段中数据速率是250kb/s。它可以用在点到点、星形和网格配置中，支持多达254个节点。与其它技术一样，安全性是通过AES-128加密来保证的。ZigBee的一个主要优势是有预先开发好的软件应用配 置文件供具体应用(包括物联网)使用。最终产品必须得到许可。

ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事？举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，每人持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。这就是自组织网。

NB-IoT

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，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。

NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说NB-IoT设备电池寿命可以提高至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。

蓝牙50

蓝牙是一种无线传输技术，理论上能够在最远 100 米左右的设备之间进行短距离连线，但实际使用时大约只有 10 米。其最大特色在于能让轻易携带的移动通讯设备和电脑，在不借助电缆的情况下联网，并传输资料和讯息，目前普遍被应用在智能手机和智慧穿戴设备的连结以及智慧家庭、车用物联网等领域中。新到来的蓝牙 50 不仅可以向下相容旧版本产品，且能带来更高速、更远传输距离的优势。

NB-IoT基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，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。
NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说NB-IoT设备电池寿命可以提高至至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。
移动通信正在从人和人的连接，向人与物以及物与物的连接迈进，万物互联是必然趋势。然而当前的4G网络在物与物连接上能力不足。事实上，相比蓝牙、ZigBee等短距离通信技术，移动蜂窝网络具备广覆盖、可移动以及大连接数等特性，能够带来更加丰富的应用场景，理应成为物联网的主要连接技术。作为LTE的演进型技术，45G除了具有高达1Gbps的峰值速率，还意味着基于蜂窝物联网的更多连接数，支持海量M2M连接以及更低时延，将助推高清视频、VoLTE以及物联网等应用快速普及。蜂窝物联网正在开启一个前所未有的广阔市场。
对于电信运营商而言，车联网、智慧医疗、智能家居等物联网应用将产生海量连接，远远超过人与人之间的通信需求。
NB-IoT具备四大特点：一是广覆盖，将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力；二是具备支撑海量连接的能力，NB-IoT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；三是更低功耗，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年；四是更低的模块成本，企业预期的单个接连模块不超过5美元。[1]
NB-IOT聚焦于低功耗广覆盖（LPWA）物联网（IOT）市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。其具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点。NB-IOT使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波三种部署方式，与现有网络共存。[4]
因为NB-IoT自身具备的低功耗、广覆盖、低成本、大容量等优势，使其可以广泛应用于多种垂直行业，如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业等。3GPP标准的首个版本预计在今年6月发布，到时候将有一批测试网络和小规模商用网络出现。
目前包括我国运营商在内诸多运营商在开展NB-IoT和研究。就NB-IoT的发展现状，余泉详细阐述了三个精彩观点：一是NB-IoT是蜂窝产业应对万物互联的一个重要机会。二是NB-IoT要成功必须要建立开放产业平台。三是2016年是NB-IoT产业非常关键的一年，标准、芯片、网络以及商用应用场景都会走向成熟。
转向窄带物联网
对于LPWA网络所用到的窄带物联网（NB-IoT），运营商业已达成共识，应使用授权频谱，采用带内、防护频带独立部署。这一新兴技术可以提供广域网络覆盖，旨在为吞吐量、成本、能耗都很低的海量物联网设备提供支撑。
2015年11月，数家全球主流运营商联合设备商、芯片厂商和相关国际组织，在香港举办NB-IoT论坛筹备会，旨在加速窄带物联网生态系统的发展，成员包括中国移动、中国联通、Etisalat、LG Uplus、意大利电信、Telefonica、沃达丰、GSMA、GTI、华为、爱立信、诺基亚、高通和英特尔。六家运营商成员还宣布，将在全球成立六个窄带物联网开放实验室，聚焦窄带物联网业务创新、行业发展、互 *** 作性测试和产品兼容验证。
目前，运营商已经在客户中展开预标准NB-IoT技术试点工作。例如，德国电信和沃达丰已经采取行动，利用现有基站进行预部署试点，预计试商用部署在2016年下半年进行，正式商用将从2017年初开始。
沃达丰的Ibbetson表示，对3GPP标准的整合充满信心，但他也指出这一过程缓慢而艰难。“希望窄带物联网能在2016年3月份前成为独立标准，同时我们需要尽快决定使用哪个频段。”
华为也希望相关标准能尽快得到确认，这样行业才能启动大规模的物联网部署。胡厚昆指出：“华为在技术方面已经准备就绪，希望能尽快抓住窄带物联网的机遇。”
窄带物联网具有四大优势：电池寿命长（超过十年）、成本低（每个模块不足5美元）、容量大（单个小区能支持10万连接）、覆盖广（能覆盖到地下）。
Ibbetson认为：“如果产业链不能将单模块成本降到两三美元以下，实现大规模应用，NB-IoT市场就做不起来。我们需要从全局角度出发，以极低的成本将物联网模块嵌入设备中。”
胡厚昆也认为，要想刺激NB-IoT大规模发展，通信模块成本必须低于5美元。如果成本降到1美元以内，则会带来爆发式增长。
即将步入爆发期
随着网络连接、云服务、大数据分析和低成本传感器等所有核心技术的就绪，物联网已经从萌芽期步入迅速发展的阶段，大多数分析师对此都表示认可。
埃森哲亚太区高科技和电子产业主管David Sovie指出，每个CIO都应尽快制定物联网发展策略，否则将会在竞争中落败。IBM研究院物联网全球战略计划主管Wei Sun表示，IBM各行各业的大客户都在探索物联网产品和服务。
越来越多的行业已经在使用物联网技术提高效率，提升客户满意度并降低运营成本。例如，汽车零部件、家用电器及安全系统制造商博世已经将很多产品线连接起来，并从移动互联技术，尤其是车联网领域的崛起中直接获益。
在医疗领域，飞利浦已经开发了多款电子医疗应用，包括一款供慢性病患者使用的贴片。该贴片使用传感器实时收集患者健康数据，并传输到云平台，医护人员可以对数据进行监控，并适时采取医疗干预措施。
飞利浦数字加速项目主管Alberto Prado指出，设备和系统的互 *** 作性是数字医疗行业崛起的关键。随着协作护理模式日益盛行，未来的医疗必然将整合所有资源，并以主动预防为主。
为了迎接物联网领域的巨大机遇，整个产业不仅需要推动技术创新，还需要推动商业模式创新和跨行业协作。由于用例、应用和商业模式纷繁多样，物联网市场将比移动市场更加碎片化。
胡厚昆表示：“这将有赖于产业链上不同的利益相关者精诚合作。在物联网时代，运营商需要将关注的重点由管理技术扩展至管理整个生态系统。整个行业正处在紧要关头，运营商需要立即行动起来，抓住这一新的蓝海机遇。”[4]
NB-IoT亟需开放的平台
“NB-IoT产业生态系统正在快速成长，它更需要运营商与IoT相关产业参与者精诚合作，携手共进。”谈及NB-IoT落地的挑战，余泉介绍。
就在MWC2016举办前一天，GSMA联合企业各方举办全球首届NB-IoT峰会，并在会上成立NB-IoT forum。该联盟成员包括全球主流运营商、网络设备厂家以及主要芯片模组厂家等诸多产业链企业。
余泉强调，有超过20家垂直行业企业参加了此次峰会，这是非常可喜的开端。“当然垂直行业供应商可能不是几十家，而是几千家，业界还有很多的工作要做。”余泉以智能抄表行业为例表示，目前家庭拥有水表、电表、煤气表以及暖气表等很多表，这些背后的企业很多。
如此多的参与方，会出现大量协同方面的问题，业界需要一个开放的平台加速产业的前进步伐。而且，新标准制定需要开放平台去推动。
对此，诸多运营商联合包括华为在内的电信设备商一起搭建了Open Lab。据悉，借助Open Lab，垂直行业厂家就能很轻松地在实际现网上验证自身的物联网应用、网络以及商业模式。

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