浅析基于窄带物联网技术的智慧照明系统*

刘起荣，王 蓓，阳振谱，赵晓鹤

（江西科技学院，江西 南昌 330098）

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。

1 NB-IoT技术简介

NB-IoT（Narrowband Internet of Things，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20 dB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181 kHz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，其系统架构图如图1所示[2]。

图1 基于NB-IoT的智慧照明控制系统架构图Fig.1 NB-IoT based Intelligent lighting control System Architecture diagram

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（universal subscriber identity module，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]。

图2 终端控制器及其相关设备Fig.2 Terminal controller and related equipment

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、存储和控制命令的发布等功能，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。

3 NB-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5 uA。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3.3 V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0.5 A电流，如果电压数值低于3.1 V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100 uF钽电容以及100 nF、100 pF和22 pF滤波电容。

图3 NB-IoT无线通信模块核心Fig.3 NB-IoT wireless communication module core

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3.0 V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NBIoT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，NBIoT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]。