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。

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物联网 (Internet of Things)： 物联网顾名思义就是物物相连的互联网， 是基于互联网之上，使不可交流的物体与物体之间进行交流，而产生的过程，称之为物联网。

起初这一慨念是由美国提出来的。把任何物品通过物联网域名相连接，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概念。物联网从表面看来就是物物相连，其实背后却蕴藏着很多新兴技术和概念。物联网的理念最早起源于咖啡壶事件。在1991年，剑桥大学特洛伊计算机实验室的科学家们在工作时，需要下楼看咖啡是否煮好，常常都是空手而归。因此他们编写了一套程序，并且在咖啡壶旁边安装了一个便携式摄像机，利用计算机图像捕捉技术，传递到实验室的计算机上，工作人员可以很方便的看到咖啡是否煮好，这就是著名的“特洛伊咖啡壶”。

那么物联网是怎样让不可以交流的物体与物体之间通信呢？

这里就涉及到通讯设备了，就像我们人与人之间的通话是通过手机，而物与物之间就要通过下面这个设备进行通信。它的名字叫做“无线数传终端”，简称DTU 英文全名 (Data Transfer unit)，

DTU就是通过串口，然后把原本不可以通讯的设备进行通讯，比如我们平时都知道的电表、水表等，它们本身是无法通讯的，通过DTU的串口电表链接起来，就可以把电表的数据上传的到监控中心，这样电力局就可以通过监控中心来查看每家每户的电表每个月的使用情况。

再比如我们都知道的共享单车，就是通过物联网技术--nb-iot模块（nb-iot为物联网专用网络），又叫nb-iot通信模块。原理是当用户手机扫描共享单车二维码时，该模块会发送信号到共享单车的平台，然后平台收到请求后再将数据下发到共享单车通信模块，告诉模块开锁，最终完成我们平时所看到的共享单车解锁。

将来万物互联是什么景象呢？大到 汽车 ，小到纽扣，都可能会被植入智能芯片。在互联网时代，我们会传照片、写评论、打分，到了物联网时代，这个过程的很大一部分都能自动完成。

现状：我国已形成基本齐全的物联网产业体系，部分领域已形成一定市场规模，网络通信相关技术和产业支持能力与国外差距相对较小，传感器、RFID等感知端制造产业、高端软件和集成服务与国外差距相对较大。仪器仪表、嵌入式系统、软件与集成服务等产业虽已有较大规模，但真正与物联网相关的设备和服务尚在起步。

我国已形成了较完整的敏感元件与传感器产业，产业规模稳步增长。我国形成了RFID低频和高频的完整产业链以及以京、沪、粤为主的空间布局，2009年市场规模达到85亿元并成为全球第3大市场。我国仪器仪表产业连续多年实现20%以上的增长，2009年产值超过5000亿元，企业数量为5000多个，小型企业数量占比达到90%。

在物联网网络通信服务业领域，我国物联网M2M网络服务保持高速增长势头，目前M2M终端数已超过1000万，年均增长率超过80%，应用领域覆盖公共安全、城市管理、能源环保、交通运输、公共事业、农业服务、医疗卫生、教育文化、旅游等多个领域，未来几年仍将保持快速发展，预计“十二五”期间将突破亿级。三大电信企业在资源配置方面积极筹备，加紧建设M2M管理平台并推出终端通信协议标准，以推进M2M业务发展。国内通信模块厂商发展较为成熟，正依托现有优势向物联网领域扩展。国内M2M终端传感器及芯片厂商规模相对较小，处于起步阶段。尽管我国在物联网相关通信服务领域取得了不错的进展，但应在M2M通信网络技术、认知无线电和环境感知技术、传感器与通信集成终端、RFID与通信集成终端、物联网网关等方面提升服务能力和服务水平。

在物联网应用基础设施服务业领域，虽然不是所有云计算产业都可纳入物联网产业范畴，但云计算是物联网应用基础设施服务业中的重要组成部分，物联网的大规模应用也将大大推动云计算服务发展。国内云计算商业服务尚在起步，SaaS已形成一定规模，而真正具有云计算意义的IaaS和PaaS商业服务还未开展。目前，我国在云计算服务的基础设施（IDC中心）建设、云计算软硬件产业支持和超大规模云计算服务的核心技术方面与发达国家存在差距。云安全方面，我国企业具有一定的特点和优势。随着物联网应用的规模推进、互联网快速发展和国家信息化进程的不断深入，我国云计算服务将形成巨大的市场需求空间，“十二五”期间将呈现快速发展态势。

在物联网相关信息处理与数据服务业领域，信息处理与数据分析的关键技术主要是数据库与商业智能。我国数据库产业非常薄弱，知名企业只有三四家，只占国内市场10%左右的份额。商业智能（BI）领域我国虽然技术相对落后，但已形成了一定规模，国内现有BI厂商有近500家，但高端市场仍由国际厂商垄断。整体而言，我国拥有自主知识产权的数据库产品、BI产品和掌握关键技术的软件企业少，产业链不完整，缺乏产品线完整、软硬结合、竞争力强的国际企业。

物联网的发展前景很不错，具体如下：
1更安全的保护措施。在新技术出现之初，它的技术力量几乎都集中在创新上，导致监管水平低下，这就使业界的兴奋、激进和政策、监管的滞后常常形成鲜明的对比。由于物联网设备和基础设施的价格下降，企业在物联网设备上的应用也越来越普遍，这种创新和应用一旦普及，各种新技术的风险也突显出来。
2更普遍使用智能消费品设备。IoT所覆盖的行业人群广泛，从智慧交通、智能物流、医疗、农业、能源等行业应用，到私人智能家居、个人、智能汽车等应用，无论是降低成本，还是提高中国居民的生活质量，都将是中国居民生活质量的巨大提升。

以下回答仅供参考：
1首先从定义上来理解：物联网是新一代信息技术的重要组成部分，其英文名称是：“TheInternetofthings”。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思：其一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信也就是物物相息。物联网就是“物物相连的互联网”。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算、广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。
2其次再看一下物联网又那些具体应用：物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、路灯照明管控、景观照明管控、楼宇照明管控、广场照明管控、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。
3最后看一下实际案例：
1）物联网传感器产品已率先在上海浦东国际机场防入侵系统中得到应用。
系统铺设了3万多个传感节点，覆盖了地面、栅栏和低空探测，可以防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵。上海世博会也与中科院无锡高新微纳传感网工程技术研发中心签下订单，购买防入侵微纳传感网1500万元产品。
2）ZigBee路灯控制系统点亮济南园博园。ZigBee无线路灯照明节能环保技术的应用是此次园博园中的一大亮点。园区所有的功能性照明都采用了SZ10系列ZigBee无线技术达成的无线路灯控制系统，实现远程控制、近距离组网，并且能够实现策略管理，配合APP使用更方便。
3）首家手机物联网落户广州
将移动终端与电子商务相结合的模式，让消费者可以与商家进行便捷的互动交流，随时随地体验品牌品质，传播分享信息，实现互联网向物联网的从容过度，缔造出一种全新的零接触、高透明、无风险的市场模式。手机物联网购物其实就是闪购。广州闪购通过手机扫描条形码、二维码等方式，可以进行购物、比价、鉴别产品等功能。
这种智能手机和电子商务的结合，是“手机物联网”的其中一项重要功能。预计2013年手机物联网占物联网的比例将过半，至2015年手机物联网市场规模达6847亿元，手机物联网应用正伴随着电子商务大规模兴起。
4）与门禁系统的结合
一个完整的门禁系统由读卡器、控制器、电锁、出门开关、门磁、电源、处理中心这八个模块组成，无线物联网门禁将门点的设备简化到了极致：一把电池供电的锁具。除了门上面要开孔装锁外，门的四周不需要设备任何辅佐设备。整个系统简洁明了，大幅缩短施工工期，也能降低后期维护的本钱。无线物联网门禁系统的安全与可靠首要体现在以下两个方面：无线数据通讯的安全性包管和传输数据的安稳性。
5）与云计算的结合
物联网的智能处理依靠先进的信息处理技术，如云计算、模式识别等技术，云计算可以从两个方面促进物联网和智慧地球的实现：首先，云计算是实现物联网的核心。其次，云计算促进物联网和互联网的智能融合。
6）与TD结合
物联网发展是确保TD成功的重大契机。TD-SCDMA是我国拥有自主知识产权的第三代移动通信系统，是宽带无线通信网络，TD的发展需要数据业务的拉动，物联网应用是需求最迫切的增强型数据业务，具有广阔的应用前景，能够充分发挥TD网络优势，有助于促进TD产业链的成熟。
完善现有网络，发挥TD优势，积极推动无线传感器网络与TD网络融合，构建适于物联网应用的GPRS/TD/WSN（无线传感器网络）融合网络，大力发展适于TD网络承载的物联网业务，提升TD的核心竞争力，给物联网的发展以强有力的支撑，是中国移动的发展思路。
7）与移动互联结合
物联网的应用在与移动互联相结合后，发挥了巨大的作用。
智能家居使得物联网的应用更加生活化，具有网络远程控制、摇控器控制、触摸开关控制、自动报警和自动定时等功能，普通电工即可安装，变更扩展和维护非常容易，开关面板颜色多样，图案个性，给每一个家庭带来不一样的生活体验。
8）与指挥中心的结合
物联网在指挥中心已得到很好的应用，网连网智能控制系统可以指挥中心的大屏幕、窗帘、灯光、摄像头、DVD、电视机、电视机顶盒、电视电话会议；也可以调度马路上的摄像头图像到指挥中心，同时也可以控制摄像头的转动。网连网智能控制系统还可以通过3G网络进行控制，可以多个指挥中心分级控制，也可以连网控制。还可以显示机房温度湿度，可以远程控制需要控制的各种设备开关电源。
9）物联网助力食品溯源,肉类源头追溯系统
从2003年开始，中国已开始将先进的RFID射频识别技术运用于现代化的动物养殖加工企业，开发出了RFID实时生产监控管理系统。该系统能够实时监控生产的全过程，自动、实时、准确的采集主要生产工序与卫生检验、检疫等关键环节的有关数据，较好的满足质量监管要求，对于过去市场上常出现的肉质问题得到了妥善的解决。此外，政府监管部门可以通过该系统有效的监控产品质量安全，及时追踪、追溯问题产品的源头及流向，规范肉食品企业的生产 *** 作过程，从而有效的提高肉食品的质量安全。

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