淺析基于窄帶物聯網技術的智慧照明系統*

劉起榮，王 蓓，陽振譜，趙曉鶴

（江西科技學院，江西 南昌 330098）

伴隨著科技的發(fā)展和城市現代化的推進，城鎮(zhèn)的道路建設規(guī)模不斷擴大，智慧照明設施的規(guī)模也隨之迅速增長。為了保證較好的社會公共服務能力，于是有研究者提出了智慧城市的概念。智慧城市借助高科技的設備和手段，為城市生活應用的各個方面提供支持，極大地促進了城市的發(fā)展。在城市發(fā)展過程中，智慧照明設施對于城市居民來說是一項重要的基礎設施，與人們的日常生活緊密關聯。傳統的照明設備以及其單一的控制方式所導致的高能耗、低適應性等問題越來越突出，與現今所提倡的環(huán)保理念、可持續(xù)發(fā)展觀背道而馳。對于新時期的照明控制，在節(jié)能、安全、自動化等原則下提出了更高的要求，物聯網技術的逐漸發(fā)展成熟則為解決此問題提供了重要途徑。尤其NB-IoT技術以其獨特的優(yōu)勢在這一領域具有較高的可發(fā)展性。

1 NB-IoT技術簡介

NB-IoT（Narrowband Internet of Things，窄帶物聯網）是基于蜂窩網絡的標準化物聯網解決方案，NB-IoT系統在同樣頻段下可以比現有網絡提升20 dB增益，單一扇區(qū)可以提供5萬多個連接，終端模塊的最長待機時間可長達十年之久[1]。且具有深度覆蓋能力，支持海量連接，并有著速率低、成本低、功耗低、架構優(yōu)等特點，非常適合遠距離傳感、計量、監(jiān)控等應用。而一個完整的智慧照明系統的建立，也正需要這些特性的技術作為支撐。同時，相比其他傳統的通信技術，NB-IoT技術在物聯網領域具有許多明顯的優(yōu)勢。

1）海量連接。匹配同樣的基站覆蓋條件，NB-IoT技術的一個扇區(qū)就可以接入10萬個終端，是其他無線技術接入數的幾十倍甚至是上百倍。這正好滿足了智慧城市對于智慧照明設備應用層面廣、連接數量龐大的要求。

2）超低功耗。低功耗特性是物聯網技術應用與系統結合的一項重要指標，可以盡量減少電池電量耗盡而無法及時更換的情況。顯然，不斷提高電池容量是非常有限的解決方式，在提高電池容量遇到瓶頸或性價比不高的情況下，減小消耗是最為環(huán)保且理智的辦法。NB-IoT技術在對芯片設計時就降低了芯片的復雜程度，通過降低工作電流降低了功耗，對使用的空口信令也做了較大的改進，減少了單次數傳功耗。

3）深度覆蓋。NB-IoT的覆蓋能力是LTE的百倍。結合海量連接的優(yōu)勢，NB-IoT在智慧城市領域如虎添翼，不僅能夠覆蓋繁華的地帶，還能大范圍覆蓋地廣人稀的偏僻區(qū)域。

4）安全性。為確保用戶的數據安全性，NB-IoT技術繼承了4G無線網絡的安全能力，采用了雙向認證技術，切實提升終端設備的安全性。

5）低成本。NB-IoT技術直接采用181 kHz的窄帶系統，基帶復雜度大大降低，對系統協議棧的簡化，使得內存的使用也充分減少。低功耗、低帶寬等因素，也使得芯片成本大幅度降低。

2 基于NB-IoT技術的智慧照明系統

2.1 控制系統架構

基于NB-IoT技術的智慧照明系統由終端控制器、數據傳輸系統和控制中心組成，其系統架構圖如圖1所示[2]。

圖1 基于NB-IoT的智慧照明控制系統架構圖Fig.1 NB-IoT based Intelligent lighting control System Architecture diagram

2.2 終端控制器

終端控制器負責對智慧照明設施進行控制和監(jiān)測，它是通過NB-IoT射頻信號同NB-IoT基站對接實現通信，并對單個終端燈點進行控制和監(jiān)測，將相關數據上傳并接收控制中心發(fā)出的控制指令。終端控制器實現對道路照明路燈的直接控制，由NB-IoT模塊、微控制器模塊、通用用戶身份識別模塊（universal subscriber identity module，USIM）等組成。如圖2所示，終端控制器通過NB-IoT模塊實現NB-IoT通信網絡的接入，并通過NB-IoT無線接收和發(fā)送相關設備的收發(fā)天線與NB-IoT基站進行聯絡。微控制器模塊可以實時采集電壓、電流等數據，并通過串口通訊方式將數據傳輸至NB-IoT模塊，然后通過NB-IoT網絡傳輸到監(jiān)控中心。同時，通過NB-IoT模塊信號接收設備接收監(jiān)控中心下發(fā)的指令，控制道路照明設備的運行狀態(tài)。每一個終端控制器擁有唯一的通用身份識別模塊，對應唯一的照明設備，因此監(jiān)控中心可以識別每一盞路燈，進而實現單燈控制[3]。

圖2 終端控制器及其相關設備Fig.2 Terminal controller and related equipment

2.3 數據傳輸系統

數據傳輸系統是構建大區(qū)域跨平臺的物聯網通信平臺，由基站、核心網、IoT平臺組成，實現對城域級道路照明設備的遠程監(jiān)控，通信傳輸系統采用運行商部署的基站連接終端控制器及IoT平臺和監(jiān)控中心相連接，對道路照明控制系統而言，實現了單跳通信模式。

2.4 控制中心

控制中心是整個道路照明智能控制系統的核心，具有數據分析、匯總、存儲和控制命令的發(fā)布等功能，同時具有路燈巡檢、路燈設備管理、路燈運行維護管理和相關運行報表等功能。

3 NB-IoT無線通信模塊硬件設計

NB-IoT無線通信模塊部分是系統終端中實現終端控制器控制的核心模塊，終端的入網功能、數據發(fā)送和接收功能都要依靠其實現。NB-IoT無線通訊模塊采用BC-95通信模組，BC95芯片尺寸緊湊，滿足控制終端對于尺寸的要求，在大規(guī)模部署的時候可以有效降低成本。支持超低功耗，具有超高靈敏度，在PSM狀態(tài)下電流功耗只有5 uA。采用易用焊接的LCC封裝，內嵌豐富的服務協議棧，支持Coap協議和UDP協議，可以在-40℃～+85℃的環(huán)境下工作，適合智慧照明、路燈部署環(huán)境，具有高可靠性[4]。

模塊具有通信主串口以及調試串口兩個串口，模塊作為DCE，按照傳統的DCE-DTE方式連接。該模塊具有睡眠、待機、激活三種狀態(tài)。只有配置模塊發(fā)送上行數據時才會被激活，在睡眠狀態(tài)下不再接收來自基站的數據，這是BC-95模塊的功耗降低技術之一，也可以用軟件配置其他模式[5]。NB-IoT模塊的通信基于蜂窩網絡，需要配合相應的運營商網絡，模塊的SIM卡采用中國電信的物聯網終端專用卡。

NB-IoT無線通信模塊的核心射頻電路如圖3所示，兩個VBAT引腳連接3.3 V電源。由于模塊的性能對電源要求較高，要求電源能夠提供不低于0.5 A電流，如果電壓數值低于3.1 V則會導致系統異常，所以為保證系統性能的可靠性，在VBAT端口處，并聯一個低ESR的100 uF鉭電容以及100 nF、100 pF和22 pF濾波電容。

圖3 NB-IoT無線通信模塊核心Fig.3 NB-IoT wireless communication module core

USIM卡提供終端在蜂窩網絡中的身份識別與鑒權功能，芯片與USIM卡連接，并通過內部電源經由USIM_VDD引腳給USIM卡進行3.0 V供電，USIM_CLK、USIM_DATA、USIM_RST分別是USIM卡的時鐘、數據、復位引腳。在USIM_DATA、USIM_VDD、USIM_CLK和USIM_RST線上需要并聯22Ω電阻。指示燈D1持續(xù)低電平表示模塊未能成功注冊到網絡，燈亮代表模塊已經成功注冊到了網絡上。天線部分接口從模組接出后接入SMA天線，在電阻R5兩端分別接匹配電容到地。

通信主串口與STM32的串口相連，通過對MCU的編程設置，實現對NB-IoT無線通信模塊的控制，查看該模塊的工作模式以及SIM卡配置、網絡信號強度是否正常，是否能夠正常實現網絡附著與網絡參數讀取等工作。從單片機定時獲取的光照強度信息、路燈運行信息也是通過串口發(fā)送過來，NB-IoT模塊與NB-IoT基站之間建立傳輸信道，進行數據傳送。無線通信模塊需要能夠實時監(jiān)聽來自云平臺發(fā)送過來的命令，轉發(fā)至MCU，并對命令做出及時響應。實現應用層的數據主動查詢功能。

4 技術優(yōu)勢

基于NB-IoT技術所實現的智慧照明系統可以實現精準單燈控制的工作，可以根據具體的天氣狀況、季節(jié)、場景等影響因素，靈活設置路燈的啟用時間與照明亮度，在不改變路燈種類的情況下可以有效節(jié)約20%左右的電能。同時，基于NB-IoT的單燈精準控制，運營方無需人工巡檢，可以結合NBIoT平臺運行信息對路燈的運行狀態(tài)進行準確判斷，可以大幅削減運維成本。

基于蜂窩的窄帶物聯網技術以其覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構優(yōu)等特點，為智慧照明控制系統提供合適的解決方案。在協議層上，NB-IoT已被納入3GPP標準，實現接入協議的統一；在網絡層上，使用NB-IoT廣覆蓋、大連接的特性，滿足路燈分布離散的特點。NB-IoT蜂窩網絡實現對每盞路燈“一跳式”的連接和控制，不需要網關設備，減少了建設和維護成本。NB-IoT使用授權頻譜，免去了網絡干擾問題。在平臺層上，NBIoT平臺為智慧路燈應用提供基礎的連接管理、數據管理、設備管理功能，并通過開放標準接口使得應用靈活快速地部署。

5 總結

隨著計算機技術、通信技術、網絡技術、控制技術、物聯網技術等信息化技術的發(fā)展，追求更高效、更節(jié)能、更智能的城市照明控制系統，勢必成為未來智慧城市發(fā)展的趨勢。結合NB-IoT技術海量連接、速率低、成本低、功耗低、架構優(yōu)等技術優(yōu)勢，將其應用于道路照明控制系統中，在提高能源利用效率的同時優(yōu)化了管理水平，對未來智慧城市的發(fā)展具有重要意義[5]。