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。

窄带物联网的一个扇区能够支持十万个连接，支持低设备功耗和优化的网络架构和低延时敏感度、超低的设备成本。窄带物联网是2015年9月在3GPP标准组织中立项提出的一种新的窄带蜂窝通信技术，2016年6月16日，NB-IoT技术协议的核心部分（CorePart）获得了3GPP无线接入网（RAN）技术规范组会议通过，性能标准也已制定并冻结，一致性标准由3GPPRAN5工作组制定，RAN5的终端一致性测试子工作组根据运营商和终端厂商共同完成，目前已初步完成两阶段的第一阶段测试。这些成就均标志着NB-IoT标准基本成熟，已初步具备商用的条件。

咱就不说教科书了，陆老师所在的公司就是编制物联网专业教材的。咱说一点课外读物。
《物联网：未来已来》
这本书讲的比较浅显易懂，或者说比较科普，陆老师很快就看完了。介绍了物联网的定义，用很多实例来介绍了物联网技术在日常生活中的应用。对于刚接触物联网的人来说，还算是比较适合的入门级书。正如书名所说，未来已来，在“物联网”这个概念火热之前， 其实相关技术已经运用在日常生活中了。
《抢占下一个智能风口 移动物联网》
这本书以介绍移动物联网时代的智能化发展与应用为核心目标，能够快速了解并掌握移动物联网的基础知识、技术构成和行业应用等内容。全书以图解的方式解析了移动物联网的基本概念、原理与类别、关键技术、应用模式、发展局势和行业应用等方面的内容。从横向案例线和纵向技术线两方面全面解析了移动物联网的相关内容。
从横向案例来看，书中精彩剖析了10多个行业的 移动物联网智能产品，包括交通、电网、物流、医疗 、安防和家居等，通过目前的智能产品和硬件应用， 为后来者提供发展指向和应用借鉴。
从纵向技术线来看，内容包括云计算、电子标签 、M2M、两化融合、条形码、大数据、移动支付、EPC 编码、传感器、GPS技术和4G技术等，一条龙式的讲 解帮助读者理解移动物联网的技术架构。
《物联网 商业设计与案例》
陆老师认为这本书有一定的深度，对物联网专业的学生学习有帮助， 全面系统的介绍了物联网的关键技术、发展历史、物联网的产业链状态。介绍了物联网技术生态链中的：芯片厂商、模块厂商、设备制造商、物联网终端设备厂商、行业集成商、　公有云服务商、技术标准组织等。有大量设计物联网解决方案的案例，包括：智能水务——泵房物联网升级方案、智能电网配电房物联网升级方案、工业40物联网解决方案、码头电机设备物联网升级方案　、智慧养老方案、道路监控杆物联网运维解决方案等。是比较落地的一本书。
《智能穿戴 物联网时代的下一个风口》
各种很潮的可穿戴设备，总是吸引年轻人买买买， 这确实是很酷的一种应用，也是物联网最贴近我们日常的应用方式。在这本书里，你会发现可穿戴设备竟然有这么广泛，除了众所周知的眼镜、手环，竟然还有鞋子、袜子、内衣等等。本书从投资角度深入分析智能穿戴设备行业，对智能穿戴产业的技术、专利、未来趋势进行了深入的剖析与展望，向大家展示智能穿戴时代人们的想象空间与创意。介绍了智能穿戴设备主流芯片产商，例如： 德州仪器、飞思卡尔、联发科、华为、英特尔等。介绍了各种生物识别技术，令人大开眼界。包括、指纹识别、人脸识别、虹膜识别、声纹识别、手形识别、掌纹识别、步态识别、静脉识别等。
《一本书读懂物联网》
这本书的内容真是挺全的，讲到了移动物联网技术、产品、架构及应用，物联网的现状与未来发展的机遇，还结合十大行业(电网行业、交通行业、物流行业、环保行业、家居行业与安防行业等)的100多个物联网案例，让投资、创业人士彻底看懂物联网。例举几个案例，比如：世界杯大数据、林志颖的智能家居、海尔物流案例、无人驾驶公交等等。对于物联网专业的学生， 能在大量的案例之中，得到很多灵感。在学习中，不论是参加竞赛，还是做设计，都是很有帮助的。
物联网的知识体系非常庞大，总之，努力吧少年。分享一个新大陆物联网云平台>50-100倍。
根据信息安全与通信保密网的相关内容可知，窄带物联网单个NB-IoT基站较传统2G、蓝牙、WiFi等基站可多提供50-100倍的接入终端，一个扇区可以支持10万个连接，是传统的移动通讯容量的50至100倍。
窄带物联网是指基于蜂窝网络构建，仅消耗180千赫兹（kHz）左右带宽的物联网。

5G技术带来的绝不仅仅是更快的网速，而是将万物智能互联成为可能其实，而NB-IoT是5G商用的前奏和基础，因此，NB-IoT的演进更加重要，例如支持组播、连续移动性、新的功率等级等等，只要NB-IOT等基础建设完整，5G才有可能真正实现。

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网），属于5G技术的窄带部分，基于蜂窝网络构建，消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，因其低功耗、连接稳定、成本低、架构优化出色等特点备受关注。

Cat-NB1精简的更为彻底，基本上把LTE的能力压缩到极致了，追求最低的成本，最长的续航时间，没有移动性、没有语音通讯能力、数据速率非常低，适合对成本很敏感但是终端数量级大，同时单个能力要求比较弱的应用，比如各种表计类（水表、电表、气表等），定期上传数据。

3典型场景网络覆盖不足 ，例如深井、地下车库等覆盖盲点，4G室外基站无法实现全覆盖。而在广覆盖方面，eMTC比LTE增强15dB（可多穿一堵墙），比GPRS增强了11dB，信号可覆盖至地下2-3层。

物联网通过传感器、射频识别技术、全球定位系统等技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在链接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。
专业方面的知识基础:
《传感器与PLC编程技术基础》
《传感器原理及其应用》
《射频识别（RFID）原理与应用》
国家物联网期刊:
《物联网世界》一名取寄意“物联世界，感知中国。”该杂志以办融市场、技术、企业文明、成功经验等各方面为一体的行业适用杂志为主旨，力求为读者宽广视线、解读行业抢手、剖析深层次缘由、猜测市场变动趋势，给出正当的参考性建议，是沟通物联网工业出产与需要的纽带，也将是培养出名品牌、昌盛物联网国内国内市场的服务平台。
《物联网周刊》以物联网的应用发展为主线，每周分别以四大类行业（农业、制造业、服务、政府）为主题，根据各大行业最新热点，选择细分行业领域，编辑各类相关资讯，精心组织整理形成独立的物联网行业资讯周刊。

物联网是个大行业，里面涉及的内容很多。

图书馆里面科技板块有很多关于物联网方面的书籍，比如关于物联网平台的、设备互联的、物联网技术研发的、万物互联的、数据在物联网的作用等等

要想学习物联网，先要学习什么是物联网，什么是万物互联。

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