劉起榮，王 蓓，陽(yáng)振譜，趙曉鶴

（江西科技學(xué)院，江西 南昌 330098）

伴隨著科技的發(fā)展和城市現(xiàn)代化的推進(jìn)，城鎮(zhèn)的道路建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，智慧照明設(shè)施的規(guī)模也隨之迅速增長(zhǎng)。為了保證較好的社會(huì)公共服務(wù)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(shè)備和手段，為城市生活應(yīng)用的各個(gè)方面提供支持，極大地促進(jìn)了城市的發(fā)展。在城市發(fā)展過(guò)程中，智慧照明設(shè)施對(duì)于城市居民來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)設(shè)施，與人們的日常生活緊密關(guān)聯(lián)。傳統(tǒng)的照明設(shè)備以及其單一的控制方式所導(dǎo)致的高能耗、低適應(yīng)性等問(wèn)題越來(lái)越突出，與現(xiàn)今所提倡的環(huán)保理念、可持續(xù)發(fā)展觀背道而馳。對(duì)于新時(shí)期的照明控制，在節(jié)能、安全、自動(dòng)化等原則下提出了更高的要求，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的逐漸發(fā)展成熟則為解決此問(wèn)題提供了重要途徑。尤其N(xiāo)B-IoT技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在這一領(lǐng)域具有較高的可發(fā)展性。

1 NB-IoT技術(shù)簡(jiǎn)介

NB-IoT（Narrowband Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）是基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化物聯(lián)網(wǎng)解決方案，NB-IoT系統(tǒng)在同樣頻段下可以比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)提升20 dB增益，單一扇區(qū)可以提供5萬(wàn)多個(gè)連接，終端模塊的最長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)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(gòu)優(yōu)等特點(diǎn)，非常適合遠(yuǎn)距離傳感、計(jì)量、監(jiān)控等應(yīng)用。而一個(gè)完整的智慧照明系統(tǒng)的建立，也正需要這些特性的技術(shù)作為支撐。同時(shí)，相比其他傳統(tǒng)的通信技術(shù)，NB-IoT技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有許多明顯的優(yōu)勢(shì)。

1）海量連接。匹配同樣的基站覆蓋條件，NB-IoT技術(shù)的一個(gè)扇區(qū)就可以接入10萬(wàn)個(gè)終端，是其他無(wú)線技術(shù)接入數(shù)的幾十倍甚至是上百倍。這正好滿足了智慧城市對(duì)于智慧照明設(shè)備應(yīng)用層面廣、連接數(shù)量龐大的要求。

2）超低功耗。低功耗特性是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用與系統(tǒng)結(jié)合的一項(xiàng)重要指標(biāo)，可以盡量減少電池電量耗盡而無(wú)法及時(shí)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(jià)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(shù)在對(duì)芯片設(shè)計(jì)時(shí)就降低了芯片的復(fù)雜程度，通過(guò)降低工作電流降低了功耗，對(duì)使用的空口信令也做了較大的改進(jìn)，減少了單次數(shù)傳功耗。

3）深度覆蓋。NB-IoT的覆蓋能力是LTE的百倍。結(jié)合海量連接的優(yōu)勢(shì)，NB-IoT在智慧城市領(lǐng)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(shù)據(jù)安全性，NB-IoT技術(shù)繼承了4G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的安全能力，采用了雙向認(rèn)證技術(shù)，切實(shí)提升終端設(shè)備的安全性。

5）低成本。NB-IoT技術(shù)直接采用181 kHz的窄帶系統(tǒng)，基帶復(fù)雜度大大降低，對(duì)系統(tǒng)協(xié)議棧的簡(jiǎn)化，使得內(nèi)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(shù)的智慧照明系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)架構(gòu)

基于NB-IoT技術(shù)的智慧照明系統(tǒng)由終端控制器、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和控制中心組成，其系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示[2]。

圖1 基于NB-IoT的智慧照明控制系統(tǒng)架構(gòu)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(fù)責(zé)對(duì)智慧照明設(shè)施進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)，它是通過(guò)NB-IoT射頻信號(hào)同NB-IoT基站對(duì)接實(shí)現(xiàn)通信，并對(duì)單個(gè)終端燈點(diǎn)進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)，將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳并接收控制中心發(fā)出的控制指令。終端控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)別模塊（universal subscriber identity module，USIM）等組成。如圖2所示，終端控制器通過(guò)NB-IoT模塊實(shí)現(xiàn)NB-IoT通信網(wǎng)絡(luò)的接入，并通過(guò)NB-IoT無(wú)線接收和發(fā)送相關(guān)設(shè)備的收發(fā)天線與NB-IoT基站進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。微控制器模塊可以實(shí)時(shí)采集電壓、電流等數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口通訊方式將數(shù)據(jù)傳輸至NB-IoT模塊，然后通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。同時(shí)，通過(guò)NB-IoT模塊信號(hào)接收設(shè)備接收監(jiān)控中心下發(fā)的指令，控制道路照明設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。每一個(gè)終端控制器擁有唯一的通用身份識(shí)別模塊，對(duì)應(yīng)唯一的照明設(shè)備，因此監(jiān)控中心可以識(shí)別每一盞路燈，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單燈控制[3]。

圖2 終端控制器及其相關(guān)設(shè)備Fig.2 Terminal controller and related equipment

2.3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是構(gòu)建大區(qū)域跨平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)通信平臺(tái)，由基站、核心網(wǎng)、IoT平臺(tái)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)城域級(jí)道路照明設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，通信傳輸系統(tǒng)采用運(yùn)行商部署的基站連接終端控制器及IoT平臺(tái)和監(jiān)控中心相連接，對(duì)道路照明控制系統(tǒng)而言，實(shí)現(xiàn)了單跳通信模式。

2.4 控制中心

控制中心是整個(gè)道路照明智能控制系統(tǒng)的核心，具有數(shù)據(jù)分析、匯總、存儲(chǔ)和控制命令的發(fā)布等功能，同時(shí)具有路燈巡檢、路燈設(shè)備管理、路燈運(yùn)行維護(hù)管理和相關(guān)運(yùn)行報(bào)表等功能。

3 NB-IoT無(wú)線通信模塊硬件設(shè)計(jì)

NB-IoT無(wú)線通信模塊部分是系統(tǒng)終端中實(shí)現(xiàn)終端控制器控制的核心模塊，終端的入網(wǎng)功能、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能都要依靠其實(shí)現(xiàn)。NB-IoT無(wú)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(duì)于尺寸的要求，在大規(guī)模部署的時(shí)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(nèi)嵌豐富的服務(wù)協(xié)議棧，支持Coap協(xié)議和UDP協(xié)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(diào)試串口兩個(gè)串口，模塊作為DCE，按照傳統(tǒng)的DCE-DTE方式連接。該模塊具有睡眠、待機(jī)、激活三種狀態(tài)。只有配置模塊發(fā)送上行數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)被激活，在睡眠狀態(tài)下不再接收來(lái)自基站的數(shù)據(jù)，這是BC-95模塊的功耗降低技術(shù)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(wǎng)絡(luò)，需要配合相應(yīng)的運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，模塊的SIM卡采用中國(guó)電信的物聯(lián)網(wǎng)終端專(zhuān)用卡。

NB-IoT無(wú)線通信模塊的核心射頻電路如圖3所示，兩個(gè)VBAT引腳連接3.3 V電源。由于模塊的性能對(duì)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(shù)值低于3.1 V則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)異常，所以為保證系統(tǒng)性能的可靠性，在VBAT端口處，并聯(lián)一個(gè)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(wú)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(wǎng)絡(luò)中的身份識(shí)別與鑒權(quán)功能，芯片與USIM卡連接，并通過(guò)內(nèi)部電源經(jīng)由USIM_VDD引腳給USIM卡進(jìn)行3.0 V供電，USIM_CLK、USIM_DATA、USIM_RST分別是USIM卡的時(shí)鐘、數(shù)據(jù)、復(fù)位引腳。在USIM_DATA、USIM_VDD、USIM_CLK和USIM_RST線上需要并聯(lián)22Ω電阻。指示燈D1持續(xù)低電平表示模塊未能成功注冊(cè)到網(wǎng)絡(luò)，燈亮代表模塊已經(jīng)成功注冊(cè)到了網(wǎng)絡(luò)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(guò)對(duì)MCU的編程設(shè)置，實(shí)現(xiàn)對(duì)NB-IoT無(wú)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(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度是否正常，是否能夠正常實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)附著與網(wǎng)絡(luò)參數(shù)讀取等工作。從單片機(jī)定時(shí)獲取的光照強(qiáng)度信息、路燈運(yùn)行信息也是通過(guò)串口發(fā)送過(guò)來(lái)，NB-IoT模塊與NB-IoT基站之間建立傳輸信道，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。無(wú)線通信模塊需要能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)聽(tīng)來(lái)自云平臺(tái)發(fā)送過(guò)來(lái)的命令，轉(zhuǎn)發(fā)至MCU，并對(duì)命令做出及時(shí)響應(yīng)。實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的數(shù)據(jù)主動(dòng)查詢功能。

4 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

基于NB-IoT技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的智慧照明系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)單燈控制的工作，可以根據(jù)具體的天氣狀況、季節(jié)、場(chǎng)景等影響因素，靈活設(shè)置路燈的啟用時(shí)間與照明亮度，在不改變路燈種類(lèi)的情況下可以有效節(jié)約20%左右的電能。同時(shí)，基于NB-IoT的單燈精準(zhǔn)控制，運(yùn)營(yíng)方無(wú)需人工巡檢，可以結(jié)合NBIoT平臺(tái)運(yùn)行信息對(duì)路燈的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，可以大幅削減運(yùn)維成本。

基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以其覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn)，為智慧照明控制系統(tǒng)提供合適的解決方案。在協(xié)議層上，NB-IoT已被納入3GPP標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)接入?yún)f(xié)議的統(tǒng)一；在網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)。NB-IoT蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)每盞路燈“一跳式”的連接和控制，不需要網(wǎng)關(guān)設(shè)備，減少了建設(shè)和維護(hù)成本。NB-IoT使用授權(quán)頻譜，免去了網(wǎng)絡(luò)干擾問(wèn)題。在平臺(tái)層上，NBIoT平臺(tái)為智慧路燈應(yīng)用提供基礎(chǔ)的連接管理、數(shù)據(jù)管理、設(shè)備管理功能，并通過(guò)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)接口使得應(yīng)用靈活快速地部署。

5 總結(jié)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等信息化技術(shù)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(tǒng)，勢(shì)必成為未來(lái)智慧城市發(fā)展的趨勢(shì)。結(jié)合NB-IoT技術(shù)海量連接、速率低、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用于道路照明控制系統(tǒng)中，在提高能源利用效率的同時(shí)優(yōu)化了管理水平，對(duì)未來(lái)智慧城市的發(fā)展具有重要意義[5]。