（廣東省佛山航道事務(wù)中心，廣東 佛山 528000）

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究的背景和意義

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發(fā)展階段。目前全世界各國都在力推物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度研究以及與行業(yè)應用發(fā)展的創(chuàng)新性融合。物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術(shù)與普適計算等通信感知技術(shù)，廣泛應用于網(wǎng)絡(luò)的融合發(fā)展及應用創(chuàng)新，而應用創(chuàng)新也是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心，以用戶體驗、行業(yè)融合為核心的創(chuàng)新則是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的靈魂所在。

基于蜂窩技術(shù)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的一個重要分支，該通信手段具備覆蓋范圍廣、鏈接數(shù)量多、功耗消耗低以及綜合成本低等特點。在信息化技術(shù)全球化快速發(fā)展的趨勢背景下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用特別是NB-IoT應用發(fā)展空間及前景潛力巨大。根據(jù)國際知名的信息技術(shù)咨詢和數(shù)據(jù)機構(gòu)IDC(International Data Corporation，國際數(shù)據(jù)公司)發(fā)布的專業(yè)行業(yè)報告，至2020年，IoT總連接將達到300億，市場空間達到1.7萬億美元。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢及水運應用場景

NB-IoT依托其具備的低功耗、廣覆蓋、低成本、大容量等顯著優(yōu)勢，使其可以廣泛應用于多種垂直行業(yè)，如遠程抄表、智慧路燈、智能泊車、資產(chǎn)跟蹤、智慧農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，帶來的行業(yè)綜合提升效果顯著。

2.1 確定性的高增長行業(yè)應用

在過去的幾年里，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在具體的行業(yè)中應用正呈現(xiàn)出比例不斷提升，應用行業(yè)類別不斷增加的趨勢。

2.2 NB-IoT產(chǎn)業(yè)鏈快步完備，細分行業(yè)應用日趨成熟

物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈正在不斷完備，特別是NB-IoT，正在從芯片、模組、終端到運營商，均在不斷加快完善，其細分行業(yè)應用正在不斷成熟。

2.3 NB-IoT在水運領(lǐng)域應用場景

近年來，隨著水運事業(yè)的不斷發(fā)展，航道基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷完善，航標數(shù)量不斷增加，維護質(zhì)量也不斷提高，作為指引船舶航行的重要組成部分，航標對航道通航安全保障起到至關(guān)重要的作用。隨著微電子技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，許多航標燈已通過遙測終端實現(xiàn)了電子化和信息化，實現(xiàn)了遠程網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)測和管理，這對提高航道航行安全、提高管理效率和降低能耗有積極的社會效益。針對珠三角內(nèi)河航道河網(wǎng)密布，航標燈及相配置的遙測終端分布較為集中的現(xiàn)狀，分析航標燈的監(jiān)測屬于典型的“低頻、小包、時延不敏感”物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)場景，可以充分發(fā)揮NB-IoT通信技術(shù)廣覆蓋、大連接、低功耗、高穩(wěn)定、低成本的特點。由于航標燈工作環(huán)境內(nèi)河（或沿海）的航道分布，具有范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸小、接入數(shù)量多以及分布偏僻、戶外條件惡劣等特征，結(jié)合目前主流航標燈數(shù)據(jù)通信技術(shù)存在的弊端，諸如2G網(wǎng)絡(luò)即將退網(wǎng)且信號弱，3G/4G網(wǎng)絡(luò)則運行成本高且偏遠地區(qū)信號覆蓋差、功耗高等因素，在充分考慮航標燈信息數(shù)據(jù)采集的實際行業(yè)特點和工作要求，滿足在其數(shù)據(jù)的傳輸通信技術(shù)的產(chǎn)品特性等條件下，我們積極探索研究NB-IoT技術(shù)在一體化航標燈的應用。打造具備NB-IoT通訊能力的一體化航標燈，實現(xiàn)對航道航標燈信息的有效采集和更低功耗低成本的數(shù)據(jù)通信等。

3 研究的主要內(nèi)容

本次研究主要內(nèi)容包括融合供電模塊、遙測模塊、燈管模塊及通信模塊于一體的航標燈，實現(xiàn)對現(xiàn)有的航標燈更便捷的安裝使用以及更高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。

項目研究主要涉及以下四個方面的技術(shù)，這為整個系統(tǒng)的正常運作起到關(guān)鍵作用。

（1）基于NB-IOT通信技術(shù)開發(fā)在航標燈上的應用；

（2）航標燈器設(shè)計應從太陽能電池、蓄電池、充電保護器、遙測終端、燈光系統(tǒng)的匹配等進行考慮的設(shè)計開發(fā)；

（3）基于NB-IOT 技術(shù)的模塊，上報位置、燈質(zhì)、電流電壓等數(shù)據(jù)，可以為管理者提可靠的輔助監(jiān)控手段；

（4）智能化內(nèi)嵌智能判斷算法，能夠區(qū)分突發(fā)事件報警，使得突發(fā)事件發(fā)生后能夠及時上報、終極報警，當航標燈內(nèi)的供電系統(tǒng)出現(xiàn)問題時能夠?qū)磳o法正常工作的航標燈情況及時上報及周期檢查報警。

4 研究解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

（1）NB-IoT低功耗監(jiān)測設(shè)備建立網(wǎng)格化感知監(jiān)測系統(tǒng)，及時預警，主動干預；

（2）航道管理的兩大重點：航道檢測，通過NB-IoT的通信解決方案，建立航標燈全程監(jiān)測平臺 ；

（3）應用NB-IOT高可靠的連續(xù)運行。

（4）深度覆蓋(20+dB gain vs GSM) 低功耗、低成本、 智能數(shù)據(jù)管理。

5 研究采用的技術(shù)原理

（1）SIM7020是一款全網(wǎng)通的NB-IoT通信模塊，為了低功耗，模塊的核心電壓采用了1.8V，因此有些管腳電平是1.8V，我們使用到的管腳的電平分布如圖4：

主控芯片IO管腳的電平是3.3V，因通信模塊和主控的控制管腳電平相差較大，為系統(tǒng)穩(wěn)定性考慮采用了一塊電平轉(zhuǎn)換芯片，完成二者之間的電平轉(zhuǎn)換。

（2）電路控制系統(tǒng)（如圖5）

主控與NB通信模塊直接有下表的控制和通信信號聯(lián)接：

表1 控制信號含義

主控與通信模塊通過串口進行數(shù)據(jù)傳送及通信控制，通過RETSET對通信模塊復位，使用PWRKEY控制模塊的開關(guān)機。

6 研究涉及的技術(shù)方法

6.1 航標燈NB-IOT窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)解決方案

（1）基于LTE的一個演進模式：＜100kbps低頻、小包、時延不敏感,低成本終端（模塊＜5$),電池供電，要求長的電池壽命。

（2）支持靈活的部署。

6.2 海量連接的特有系統(tǒng)設(shè)計（如圖6）

6.4 其他技術(shù)特點

（1）廣覆蓋：20dB 增益、窄帶功率譜密度提升、重傳次數(shù)16次、編碼增益；

（2）大連接：50K連接數(shù)每小區(qū)域、頻譜效率高、小包數(shù)據(jù)發(fā)送特征、終端極低激活比；

（3）低功耗：10 年電池壽命（Power Saving Mode）、簡化協(xié)議 、 芯片功耗低、功放效率高、發(fā)射及接收時間短；

（4）低成本：5$ 模組低成本、簡化射頻硬件、簡化協(xié)議降低成本、減小基帶復雜度。

7 研究的技術(shù)創(chuàng)新及特色

研究一體化航標燈NB-IOT通信技術(shù)，相較于一般的通信技術(shù)，在實際的試驗中，已表現(xiàn)出能量更高、安全性更好、使用壽命更長，一致性更好的特點。同時結(jié)合嵌入式中間件產(chǎn)品，基于物聯(lián)網(wǎng)模式可對系統(tǒng)運行情況進行實時監(jiān)控和工作狀態(tài)檢測。具體本項目研究具備以下創(chuàng)新點及特色。

（1）通信信號實現(xiàn)深度覆蓋全部的署場景，極佳的滿足了業(yè)務(wù)需要；

（2）應用NB-IoT技術(shù)特點，實現(xiàn)了在內(nèi)河等戶外條件下保持優(yōu)良的信息數(shù)據(jù)通信（高可靠性、高穩(wěn)定性）。

（3）基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，應用系統(tǒng)的NB-IOT模塊實現(xiàn)遠程遙控遙測，包括太陽能電池板轉(zhuǎn)換率的監(jiān)測，儲能電池組在充電在線監(jiān)測及控制，遙測終端的匹配等進行綜合考慮。開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)可以實現(xiàn)對儲能單池及太陽能板等單個模塊的監(jiān)測及控制。

（4）獨特的一體化航標燈設(shè)計，降低非活性物質(zhì)的含量，在保證電池的性能的情況下，即提高了電池比能量，又降低了成本；

（5）可移植性設(shè)計，燈器設(shè)計時，盡量采用模塊化設(shè)計，各部件之間采用模具批量生產(chǎn)，保護后期燈器維修時，各零部件互換以便航道工人維修。

（6）先進的設(shè)備，先進的生產(chǎn)工藝，確定生產(chǎn)的通信模塊，通過高精度的檢測設(shè)備配組，確保了通信一致性與設(shè)備壽命使用。

8 結(jié)語

本研究針對內(nèi)河航道特別是珠三角航道航標的實際情況，結(jié)合航標遙測終端應用的特點與通訊需求，通過NB-IoT技術(shù)的應用，解決目前部分通訊“痛點”，充分利用信息時代的技術(shù)特點與資源優(yōu)勢，汲取本領(lǐng)域內(nèi)的先進成果，并加以創(chuàng)造性的應用與探索，有效降低了航標遙測終端的功耗和成本、提高了通訊效率及穩(wěn)定性，為構(gòu)建更加高效低成本的應用范圍更廣的航標遙測遙控系統(tǒng)提供更加有力的通訊保障。經(jīng)對比市面上現(xiàn)有的主流航標燈及航標燈通信技術(shù)方式，我們認為該研究成果處于行業(yè)領(lǐng)先的水平，具備推廣應用的價值。