窄带物联网技术的智慧照明系统
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摘要：随着现代社会计算机技术与物联网技术的蒸蒸日上，智慧照明已经变成智慧城市必不可少的一部分，与此同时，照明控制领域也遇到了前所未有的机遇与挑战。2016年9月，NB-IoT技术正式完成了技术标准，虽尚未进行规模化和商用，但NB-IoT技术覆盖范围广、连接数目大和使用功耗极低的鲜明特点在物联网领域有着极其显著的优点和发展趋势，使其在智慧照明、智慧医疗、智能家居等低数据量传输领域有着较高的研究与应用价值。笔者简要介绍了应用在智慧照明系统下的窄带物联网技术，分析了该技术的技术优势及发展趋势，以期对后续的研究发展有所助益。
伴随着科技的发展和城市现代化的推进，城镇的道路建设规模不断扩大，智慧照明设施的规模也随之迅速增长。为了保证较好的社会公共服务能力，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设备和手段，为城市生活应用的各个方面提供支持，极大地促进了城市的发展。在城市发展过程中，智慧照明设施对于城市居民来说是一项重要的基础设施，与人们的日常生活紧密关联。传统的照明设备以及其单一的控制方式所导致的高能耗、低适应性等问题越来越突出，与现今所提倡的环保理念、可持续发展观背道而驰。对于新时期的照明控制，在节能、安全、自动化等原则下提出了更高的要求，物联网技术的逐渐发展成熟则为解决此问题提供了重要途径。尤其NB-IoT技术以其独特的优势在这一领域具有较高的可发展性。
1NB-IoT技术简介
NB-IoT（NarrowbandInternetofThings，窄带物联网）是基于蜂窝网络的标准化物联网解决方案，NB-IoT系统在同样频段下可以比现有网络提升20dB增益，单一扇区可以提供5万多个连接，终端模块的最长待机时间可长达十年之久[1]。且具有深度覆盖能力，支持海量连接，并有着速率低、成本低、功耗低、架构优等特点，非常适合远距离传感、计量、监控等应用。而一个完整的智慧照明系统的建立，也正需要这些特性的技术作为支撑。同时，相比其他传统的通信技术，NB-IoT技术在物联网领域具有许多明显的优势。1）海量连接。匹配同样的基站覆盖条件，NB-IoT技术的一个扇区就可以接入10万个终端，是其他无线技术接入数的几十倍甚至是上百倍。这正好满足了智慧城市对于智慧照明设备应用层面广、连接数量庞大的要求。2）超低功耗。低功耗特性是物联网技术应用与系统结合的一项重要指标，可以尽量减少电池电量耗尽而无法及时更换的情况。显然，不断提高电池容量是非常有限的解决方式，在提高电池容量遇到瓶颈或性价比不高的情况下，减小消耗是最为环保且理智的办法。NB-IoT技术在对芯片设计时就降低了芯片的复杂程度，通过降低工作电流降低了功耗，对使用的空口信令也做了较大的改进，减少了单次数传功耗。3）深度覆盖。NB-IoT的覆盖能力是LTE的百倍。结合海量连接的优势，NB-IoT在智慧城市领域如虎添翼，不仅能够覆盖繁华的地带，还能大范围覆盖地广人稀的偏僻区域。4）安全性。为确保用户的数据安全性，NB-IoT技术继承了4G无线网络的安全能力，采用了双向认证技术，切实提升终端设备的安全性。5）低成本。NB-IoT技术直接采用181kHz的窄带系统，基带复杂度大大降低，对系统协议栈的简化，使得内存的使用也充分减少。低功耗、低带宽等因素，也使得芯片成本大幅度降低。
2基于NB-IoT技术的智慧照明系统
2.1控制系统架构
基于NB-IoT技术的智慧照明系统由终端控制器、数据传输系统和控制中心组成。
2.2终端控制器
终端控制器负责对智慧照明设施进行控制和监测，它是通过NB-IoT射频信号同NB-IoT基站对接实现通信，并对单个终端灯点进行控制和监测，将相关数据上传并接收控制中心发出的控制指令。终端控制器实现对道路照明路灯的直接控制，由NB-IoT模块、微控制器模块、通用用户身份识别模块（universalsubscriberidentitymod-ule，USIM）等组成。如图2所示，终端控制器通过NB-IoT模块实现NB-IoT通信网络的接入，并通过NB-IoT无线接收和发送相关设备的收发天线与NB-IoT基站进行联络。微控制器模块可以实时采集电压、电流等数据，并通过串口通讯方式将数据传输至NB-IoT模块，然后通过NB-IoT网络传输到监控中心。同时，通过NB-IoT模块信号接收设备接收监控中心下发的指令，控制道路照明设备的运行状态。每一个终端控制器拥有唯一的通用身份识别模块，对应唯一的照明设备，因此监控中心可以识别每一盏路灯，进而实现单灯控制[3]。
2.3数据传输系统
数据传输系统是构建大区域跨平台的物联网通信平台，由基站、核心网、IoT平台组成，实现对城域级道路照明设备的远程监控，通信传输系统采用运行商部署的基站连接终端控制器及IoT平台和监控中心相连接，对道路照明控制系统而言，实现了单跳通信模式。
2.4控制中心
控制中心是整个道路照明智能控制系统的核心，具有数据分析、汇总、存储和控制命令的等功能，同时具有路灯巡检、路灯设备管理、路灯运行维护管理和相关运行报表等功能。
3NB-IoT无线通信模块硬件设计
NB-IoT无线通信模块部分是系统终端中实现终端控制器控制的核心模块，终端的入网功能、数据发送和接收功能都要依靠其实现。NB-IoT无线通讯模块采用BC-95通信模组，BC95芯片尺寸紧凑，满足控制终端对于尺寸的要求，在大规模部署的时候可以有效降低成本。支持超低功耗，具有超高灵敏度，在PSM状态下电流功耗只有5uA。采用易用焊接的LCC封装，内嵌丰富的服务协议栈，支持Coap协议和UDP协议，可以在-40℃~+85℃的环境下工作，适合智慧照明、路灯部署环境，具有高可靠性[4]。模块具有通信主串口以及调试串口两个串口，模块作为DCE，按照传统的DCE-DTE方式连接。该模块具有睡眠、待机、激活三种状态。只有配置模块发送上行数据时才会被激活，在睡眠状态下不再接收来自基站的数据，这是BC-95模块的功耗降低技术之一，也可以用软件配置其他模式[5]。NB-IoT模块的通信基于蜂窝网络，需要配合相应的运营商网络，模块的SIM卡采用中国电信的物联网终端专用卡。NB-IoT无线通信模块的核心射频电路如图3所示，两个VBAT引脚连接3.3V电源。由于模块的性能对电源要求较高，要求电源能够提供不低于0.5A电流，如果电压数值低于3.1V则会导致系统异常，所以为保证系统性能的可靠性，在VBAT端口处，并联一个低ESR的100uF钽电容以及100nF、100pF和22pF滤波电容。USIM卡提供终端在蜂窝网络中的身份识别与鉴权功能，芯片与USIM卡连接，并通过内部电源经由USIM_VDD引脚给USIM卡进行3.0V供电，USIM_CLK、USIM_DATA、USIM_RST分别是USIM卡的时钟、数据、复位引脚。在USIM_DATA、USIM_VDD、USIM_CLK和USIM_RST线上需要并联22Ω电阻。指示灯D1持续低电平表示模块未能成功注册到网络，灯亮代表模块已经成功注册到了网络上。天线部分接口从模组接出后接入SMA天线，在电阻R5两端分别接匹配电容到地。通信主串口与STM32的串口相连，通过对MCU的编程设置，实现对NB-IoT无线通信模块的控制，查看该模块的工作模式以及SIM卡配置、网络信号强度是否正常，是否能够正常实现网络附着与网络参数读取等工作。从单片机定时获取的光照强度信息、路灯运行信息也是通过串口发送过来，NB-IoT模块与NB-IoT基站之间建立传输信道，进行数据传送。无线通信模块需要能够实时监听来自云平台发送过来的命令，转发至MCU，并对命令做出及时响应。实现应用层的数据主动查询功能。
4技术优势
基于NB-IoT技术所实现的智慧照明系统可以实现精准单灯控制的工作，可以根据具体的天气状况、季节、场景等影响因素，灵活设置路灯的启用时间与照明亮度，在不改变路灯种类的情况下可以有效节约20%左右的电能。同时，基于NB-IoT的单灯精准控制，运营方无需人工巡检，可以结合NB-IoT平台运行信息对路灯的运行状态进行准确判断，可以大幅削减运维成本。基于蜂窝的窄带物联网技术以其覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点，为智慧照明控制系统提供合适的解决方案。在协议层上，NB-IoT已被纳入3GPP标准，实现接入协议的统一；在网络层上，使用NB-IoT广覆盖、大连接的特性，满足路灯分布离散的特点。NB-IoT蜂窝网络实现对每盏路灯“一跳式”的连接和控制，不需要网关设备，减少了建设和维护成本。NB-IoT使用授权频谱，免去了网络干扰问题。在平台层上，NB-IoT平台为智慧路灯应用提供基础的连接管理、数据管理、设备管理功能，并通过开放标准接口使得应用灵活快速地部署。
5总结
随着计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术、物联网技术等信息化技术的发展，追求更高效、更节能、更智能的城市照明控制系统，势必成为未来智慧城市发展的趋势。结合NB-IoT技术海量连接、速率低、成本低、功耗低、架构优等技术优势，将其应用于道路照明控制系统中，在提高能源利用效率的同时优化了管理水平，对未来智慧城市的发展具有重要意义[5]。
参考文献：
[1]严益强.NB-IoT技术简介及其在智慧城市中应用研究[J].广东通信技术，2016，36(11)：6-8.
[2]吴岱玮.基于NB-IoT技术的道路照明控制系统设计与实现[D].青岛：青岛大学，2019.
[3]叶炜，吕伟，洪宽，等.基于NB-IoT技术的道路照明智能控制系统[J].照明工程学报，2017，28(5)：20-23+41.
[4]何英杰，孙涵，李启伟.低功耗NB-IoT透传模块的设计[J].电子测试，2018(15)：15-17.
[5]王勤.浅析智慧照明在智慧城市建设中的引领作用[A].中国照明学会.2016年中国照明论坛：半导体照明创新应用暨智慧照明发展论坛论文集[C].中国照明学会：中国照明学会，2016：11.
作者:刘起荣 王蓓 阳振谱 赵晓鹤 单位:江西科技学院