基于NB-IOT窄带物联网智能路灯云端控制系统的设计与实现

随着经济和 社会 的发展，城市公共照明已经成为城市现代化水平的重要标志之一，城市照明设施规模日益增大，用电量节节攀升， 社会 各方对城市公共照明的要求和希望越来越高。而目前国内城市照明的监控和管理方式相对简单、粗放，服务质量和节能水平有待提高，难以满足现代化城市照明的需要，主要表现在以下几个方面：

监控管理方式相对粗放。传统“三遥”系统只能实现回路级别的采集和控制，对单灯运行情况无法实时、准确监控，不能实现智能化监控和精细化管理；部分城市仍停留在“时控”时代，缺少基本的信息化管理手段。

运行维护效率低、成本高。现有的照明设施故障发现机制主要采用人工巡查模式，工作量巨大，需要投入大量的人力物力，并且还可能留有盲区，运维效率低、成本高，难以实现主动服务、保障服务质量。

照明能耗偏大。缺少灵活有效的节能控制手段，过度照明和照明不足的矛盾难以调和，无法实现按需照明，从而在保障照明质量的前提下有效降低照明能耗设施安全难以保障。缺少实时监管措施，设施被盗时有发生，给照明管理部门造成直接的经济损失，严重影响城市照明的正常运行，同时带来安全隐患。

1 设计与实现

本系统由3大部分组成：NB-IoT通信模块、云端控制系统、手机端APP。

图1

11 NB-IoT通信模块

基于高通MDM9206平台高性能、低功耗的CAT-M1/CAT-NB1/GSM三模无线通信模块，支持全球各主流定位系统GNSS，不仅支持当前运营商的主流物联网频段，对未来可能会部署的频段也最大可能性的支持 ，其尺寸仅 为 225mm265mm27mm，能最大限度地满足终端设备对小尺寸模块产品的需求，

通过该模块实现路灯信息传输、调光、降功率、按需开关灯等管理方式，减少过度照明节约电能，真正实现节能、环保、安全、舒适的照明，减少对大气的污染，建设资源节约型、环境友好型 社会 。

12 云端控制中心

是根据路灯管控开发的一款远程 *** 作与监控管理平台，方便了管理人员的管理与维护。通过灯联网集中监控管理平台可以远程控制每一个回路的开、关状态，也可以实时监测每个设备的当前信息，并根据采集到的参数的情况，实时判断线路情况，给用户直观的解析。系统同时还具备短消息报警和声音报警的功能。

13 手机端APP

一种基于智能手机APP应用的城市路灯控制方法，包括将智能手机APP应用与路灯管理系统相关联，形成APP调节城市路灯的架构，构建智能手机 APP 节点，每个 APP 节点代表一个APP 注册用户；当用户登录 APP 应用时，APP 应用将包含用户地理位置、行进方式的 APP 应用信息传送到路灯管理系统；路灯管理系统根据APP应用信息，查询用户所属路段的路灯实时状态，并对路灯进行调节控制。采用NB-IoT物联网概念，通过手机 APP 应用按照用户实际需求开启路灯、调节路灯亮度，合理分配路灯照明资源，降低了路灯能耗、节约了路灯使用成本。

2 测试与分析

硬件调试：分为电源电路、通信链路、LED驱动电路调试。

21 电源电路

图2 电源电路

图 2 中，EUP3420 是一款恒定频率，采用电流模脉宽调制（PWM）架构的降压型变换器。芯片集成了主开关和同步整流开关，可以获得更高的效率。本系统采取5V适配器输入，转化给NB-IoT无线通讯模块VBAT网络33V供电。

C1000：适配器的输入端，用万用表或者示波器测试该点电压是否为5V。

L1000：开关电源 buck 电感输出端，用万用表或者示波器测试该点电压是否为33V，通过调整R1000和R1007阻值调整VBAT输出的大小。

22 通信链路

NB-IoT模块上电后sim卡状态测试。

图3 NB-IoT模块Sim卡状态查询

23 LED驱动电路

图4 LED驱动电路

上图中，三极管驱动电路由Q11、R128、D30、J26（焊接LED模组）组成，NB-IoT通信模块通过GPIO口控制三极管的基集，使三极管Q11工作在开关状态，实现对LED的开断。

3 软件测试

安卓手机端可以控制指定路灯的亮与灭以及全开全灭。

图5 手机控制端界面

PC端实现对各个端口的控制。

图6 云端控制端界面

4 控制系统特性

41 管道NB-IoT设计

一是广覆盖：NB-IoT 覆盖能力强，在同样的频段下，NB-IoT 比现有的网络增益 20dB，覆盖面积扩大 100 倍。它不仅可以满足广覆盖需求，对于厂区、地下车库、井盖这类对深度覆盖有要求的应用同样适用。因此不只是道路照明，在室内、工业照明领域的应用前景也十分广阔。

二是强链接：在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数。一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。这将意味着，基于 NB-IoT 通信技术的照明控制系统，将能够管控更多的终端设备，满足未来智慧城市中大量设备联网需求。

三是低功耗：低功耗特性是智慧照明应用一项重要指标，NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用，因此NB-IoT设备功耗可以做到非常小，终端模块的待机时间可长达10年，特别适用于智能家居的应用。

四是低成本：低速率、低功耗、低带宽同样给 NB-IoT 芯片以及模块带来低成本优势。单个接连模块预期价格不超过 5美元，最终低至 1 美元，这对降低智慧照明应用的成本起到关键性作用。

42 云端智能管理

采用单灯控制技术，构建路灯物联网，精准控制每一盏路灯，在保证照明需求的前提下，根据季节、路段、天气、特殊场合等条件设定路灯运行方案，真正实现“按需照明”，深化节能减排。因本项目范围内 LED 路灯电源不具备调光接口，单灯节能方式采用开关灯控制方式。

通过单灯“在线巡测”，及时发现路灯故障并在地图上进行精准定位，转变“人工巡检、热线报修”的传统运维方式，实现定向运维、主动服务，减轻劳动强度，提高路灯运维效率，降低运维成本。

43 客户端APP

智慧公共照明管理平台具有全面和优化的路灯智能控制功能，为路灯管理人员提供更高效的管理和维护手段，主要体现为：实时监控：可以对任意一盏、一路或任意自定义组的路灯进行开关灯、调光。同时支持多终端，支持基于 Android *** 作系统的移动终端远程控制，可采用平板电脑、手机等终端下发开关灯、调光等控制命令等。

5 应用前景分析

对于 NB-IoT 产业的发展，中国移动、中国联通、中国电信三大运营商皆就NB-IOT发布了各自的发展计划。工信部也发文要求加快 NB-IoT 在国内落地，到今年年底建成基站规模 40万个，到 2020 年建成基站规模 150 万个。中国 NB-IoT 产业加速布局，将是全球 NB-IoT 产业领跑者。目前在上海、广州、江

门、鹰潭、长沙落地了NB-IoT智慧路灯项目，实现了到处开花、处处结果。

6 结束语

城市智慧照明是智慧能源的开端，以 NB-IoT 新一代通信技术为支撑，实现整个城市一张网，对城市道路每盏灯实现全面的感知、智能的控制、广泛的交互和深度的融合，在满足市民正常照明需求的前提下，通过智能调光、降功率、按需开关灯等管理方式，减少过度照明，电能节约率可达30% 60%，真正实现节能减排，减少对大气的污染，建设资源节约型、环境友好型 社会 。同时通过对城市照明设施实现精细化管理，通过对城市道路每个灯具的运行状态进行准确分析和故障报警，并根据故障等级启动相应的处置流程，将被动巡检改为定点维护，反应更加敏捷处置效率更高，将使城市的灯光管理水平与现代化的大都市相适应，提高亮灯率，减少各种故障，合理照明，美化照明，安全照明，营造出现代城市科学和艺术完美结合的照明效果，树立和提升城市的品牌形象。

、实训目标
1、掌握EMB5116主设备安装环境检查的方法。
2、掌握安装工具、仪表使用方法。
3、学会填写相关文档。
4、认识安全符号。
5、掌握基站主设备系统机构。
6、掌握基站主设备主设备安装。
实训步骤：
1、机房内设备安装空间的检查。
2、机房内防尘、防盗、防火、空调、防静电装置检查。
3、机房内地板承重能力，墙体的承重能力检查。
4、机房内照明，电源插座的检查。
5、设备接地线的检查。
6、了解各种安全符号种类与含义。
7、有毒危险品的识别与处理方法。
第 2 页
8、高压电安全注意事项。
9、雷电安全注意事项。
10、静电安全注意事项。
11、电源标签。
12、易燃空气环境。
13、电池使用规范及注意事项。
14、微波使用安全注意事项。
15、激光使用安全。
16、基站主设备硬件结构介绍。
第 3 页
17、基站主设备室外型硬件结构介绍。
18、主设备安装场景。
19、安装环境检查和验证。
20、安装工具准备。
21、19寸机柜内安装。
22、挂墙安装。
23、机框安装。
24、室外型机柜安装。
第 4 页
25、19寸机柜内安装检查。
26、室外型机柜安装检查。
三、实训说明负责基站产品安装、维护等 *** 作的人员，必须具备基本的安全 *** 作知识，需经过严格培训，掌握正确的 *** 作方法，及各种安全注意事项，并具有相应作业资格，方可进行设备安装、维护等 *** 作。
安全符号说明
第 5 页
各种安全符号种类与含义见下表。
氧化铍
设备某些元器件不可避免地使用了含有毒性的氧化铍，只有在含有氧化铍的元器件被损坏时，元器件内的氧化铍才可能对人体造成伤害。接触或处理该种器件的人员应了解该器件的特性并做好相应的预防措施。
第 6 页
在设备中的很多地方使用了含有氧化铍的元器件，如功放电路、合路器电路等。任何可能造成如机械损坏等而引起器件释放出氧化铍到空气中的环境，含有氧化铍的器件或模块不得放置于该种环境下。
不得随意丢弃含有氧化铍的元器件，应依据当地的规定对含有氧化铍的元器件进行化学处理或特殊的废料处理。
氢氯化物
设备某些元器件不可避免地使用了含有
第 7 页
氢氯化物的化学物，燃烧这些元器件会产生有毒气体。避免燃烧器件，做好预防措施以避免吸入有毒的气体。
不得随意丢弃，应依据当地规定对含有氢氯化物的元器件进行化学处理或特殊的废料处理。
氢氟化物
设备某些元器件不可避免地使用了含有氢氟化物的化学物，燃烧这些元器件会产生有毒的气体。避免燃烧器件，做好预防措施以避免吸入有毒的气体。
第 8 页
不得随意丢弃，应依据当地的规定对含有氢氟化物的元器件进行化学处理或特殊的废料处理。
电气安全
高压
本系统设备未使用涉及高压部分的电器元件。
电源线
严禁电源线带电安装、拆除，在进行电源线的安装、拆除 *** 作之前，必须
第 9 页
关掉电源开关。在连接电缆之前，必须确认连接电缆、电缆标签与实际安装情况是否相符。
电源线在接触导体的瞬间，会产生电火花或电弧，可能导致火灾或人员受伤。
工具
进行电源、交流电 *** 作时，必须使用专用工具，不得使用普通或自行携带的工具。
钻孔
第 10 页
严禁自行在机柜上钻孔，不符合要求的钻孔会损坏机柜内部的线缆、器件，以及破坏机柜的外观和屏蔽效能。钻孔时产生的金属屑进入机柜也容易导致电路板短路。如果确需在机柜上钻孔，必须经过设备制造商的同意，并严格注意下列事项：
在机柜上钻孔时，必须先佩戴绝缘保护手套移开机柜内部的电缆；
钻孔时，注意保护眼睛，飞溅的金属屑可能会伤到您的眼睛；
第 11 页
严防金属屑进入机柜内部；
不规范的钻孔会破坏机柜的电磁屏蔽性能；
钻孔后，请及时打扫、清理金属屑。
雷雨
严禁在雷雨天气下进行高压、交流电 *** 作及铁塔、桅杆作业。在雷雨天气下，大气中会产生强电磁场，因此，为避免雷电击毁设备，应及时做好设备的防雷接地工作。
第 12 页
雷雨天气时与机柜保持安全距离，尤其不要触摸机柜顶部和接地地线，禁止在雷雨天气维修设备。
静电
人体产生的静电会损坏电路板上的静电敏感元器件，如大规模集成电路（IC）等。在干燥的气候环境，人体所带的静电量可高达38kV，并较长时间地在人体上保存，带静电的 *** 作者接触并通过器件放电，损坏器件。
在接触设备、手拿插板、电路板、IC
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芯片等之前，为防止人体静电损坏敏感元器件，必须佩带防静电腕带，并将防静电腕带的另一端良好接地。正确佩戴防静电腕带的方法如上图所示，腕带的另一端插在设备电源面板的专用接地插孔中，以保证良好接地。
腕带与接地点之间的联线上必须串接1M欧姆以上的电阻，以保护人员遭受意外电击的危险。防静电腕带应定期检查，严禁采用其它电缆替换防静电腕带上的电缆。
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静电敏感的单板或模块不应与带静电的或易产生静电的物体接触。例如与绝缘材料制作的包装袋、传递盒和传送带等摩擦，会使器件本身带静电，带有静电的器件与人体或地接触时发生静电放电而损坏器件。
静电敏感的单板或模块只能与优质放电材料接触，例如防静电包装袋。板件在库存和运输过程中需使用防静电袋包装。
测量设备连接单板或模块之前，应释放
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掉本身的静电，即测量设备应先接地。
单板或模块不能放置在强直流磁场附近，例如显示器阴极射线管附近，安全距离至少在10cm以上。
静电损伤引起的破坏带有积累性，当损伤较轻时器件并不会失效，但随着损伤次数的增加，器件就会突然发生失效。所以静电放电对器件造成的损伤有显性和隐性两种。隐性损伤在当时看不出来的，但是能使器件变得更脆弱，在过压、高温等条件下极易损坏。
第 16 页
电源标签
在连接电缆之前，必须先确认标示正确再进行连接。
接地
*** 作维护人员在连接输入电源之前，必须先将设备机壳的保护接地端子与大地相连接。
易燃空气环境
不得将设备置于易燃、易爆气体或烟雾的环境中，不得在上述环境下进行任何
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*** 作，在上述环境下进行的任何电气 *** 作都可能存在危险。
电池
一般 *** 作
电池的不规范 *** 作会造成危险。 *** 作时必须防止电池短路或电解液溢出、流失。
电解液的溢出会对设备构成潜在威胁，会腐蚀金属物体以及电路板，造成设备损坏或短路。
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电池在安装、维护等 *** 作之前，为确保安全，应注意：
搬动电池时要轻拿轻放，避免剧烈震动。
严禁佩带手表、手链、手镯和戒指等含有金属的物体。
使用专用绝缘工具。
使用眼睛保护装置，并做好预防工作。
使用橡胶手套，佩带预防电解液溢出的
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围裙。
电池在搬运过程中应始终保持电极正面向上，严禁倒置、倾斜。
短路
应避免金属物体造成电池电路短路，比如 *** 作工具的使用不当会造成短路。在允许的情况下，应先中断电池供电，再进行其它作业。
电池短路会造成人身伤害，虽然一般的电池电压比较低，但是短路造成的瞬间大电流，会释放出大量的能量。
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有害气体
电池在工作中会释放可燃性气体，摆放电池的场所应保持通风，并做好防火措施。
不得使用未封闭的铅酸电池，电池释放出的气体会导致燃烧或腐蚀设备，电池应固定、水平摆放。
高温
在电池温度超过60℃时，应检查是否有酸性液体溢出。
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电池温度过高会导致电池变形、损坏及酸性液体溢出。
酸性液体
在移开、搬运发生漏液的电池时，应注意酸性液体可能带来的伤害。
在有酸性液体溢出时，应及时处理酸性液体。
可以采取碳酸氢钠、碳酸钠中和、吸收酸性液体。
在有酸性液体溢出时，应及时做好液体
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的吸收和中和。
电池更换
*** 作维护人员不要随便使用不同型号的电池更换规定型号的电池，否则会有爆炸危险。
微波与磁场
正在运行的EMB5116基站会产生一定的电磁辐射，设备只能由经过培训的专业人员进行的安装和维护。设备的辐射设计符合国家标准GB9175-88《环境电磁波卫生标准》的规定。
第 23 页
环境电磁波容许辐射强度标准分为二级：
一级标准为安全区，指在该环境电磁波强度下长期居住、工作、生活的一切人群，均不会受到任何有害影响的区域。
二级标准为中间区，指在该环境电磁波强度下长期居住、工作、生活的一切人群可能引起潜在性不良反应的区域。
对于TD-SCDMA系统中的EMB5116基站，在工作中的环境电磁波容许辐射强度标
第 24 页
准满足一级标准，一级标准是电磁波辐射的能量密度小于等于10µw/cm²，在该电磁波强度下长期居住、工作、生活的一切人群，均不会受到任何有害的影响。
激光
光接口内部的激光束，会损害您的眼睛。进行光纤的安装、维护等各类 *** 作时，严禁肉眼靠近或直视光纤、单板上的光模块或光端机的光接口。
高温
第 25 页
设备在热带气候正常使用时，设备温度以45℃为基准，正常工作的器件最高温度不应超过75℃，故障条件下的最高温度不应超过100℃。
设备中的某些器件不可避免地存在高温现象，请不要随意触摸，以免发生烫伤。
风扇
在对运行中的风扇进行拆装时，在风扇断电、停止转动之前，切勿将手指或工具伸入运行中的风扇中，以免损坏设
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备或对人体造成伤害。在进行相关部件的更换时，注意放好部件、螺钉、工具等物体，切勿掉进运行的风扇中，以免损坏风扇或设备。
其它
插拔单板
插入单板时切勿用力过大以免弄歪母板上的插针，顺着槽位插入单板，避免单板之间电路面相互接触，引起短路。
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手拿单板时，切勿触摸单板电路、元器件、接线头、接线槽。
信号线的扎绑
信号线应与强电流或高压线分开绑扎，线束的间距至少为15cm。
维护和调试
除非有专业人员提供帮助，不得试图独自进行设备内部的维护或调试。
系统介绍
基站产品是一种为了适应多种可能的应
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用环境而开发的紧凑型基站产品，具有体积小，安装条件简单，支持挂墙、机柜等方式，配置灵活多样的特点，可用于室内分布应用及室外宏蜂窝应用。采用全兼容设计，可以和其它TD-SCDMA基站产品一起为运营商提供丰富的组网应用。
系统结构图 系统连接示意图（室内）
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系统组件介绍
EMB5116硬件结构介绍
EMB5116产品分为室内和室外两部分，室内部分为EMB5116主设备，室外部分是GPS系统、天线及远端射频单元RRU。其中室内基站主设备为EMB5116基站系统的核心部分，包含交换控制和传输单元（SCTA）、基带处理单元（BPOA），基带处理和Ir接口单元（BPIA），另外还包括背板（CBP）、风扇单元（FC）、环境监
第 30 页
控单元（EMA）和电源单元（PSA）。
EMB5116主设备根据电源情况需要主要有两种硬件配置：
配置1：使用直流电源单元，主设备满配整体结构如图 23所示。
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首先介绍一下目前的无线物联网技术的优缺点吧。1、ZigBee：
具有自组网能力，安全性，可靠性，抗干扰能力，穿墙能力和衍射能力较弱，传输距离只有20米左右。其理论节点具有65,000个，但是实际应用中200-300个节点时稳定性上就会衰减
2、Wi-Fi：实现大数据在小范围内的无线传输，可连接30左右个产品但是实际中连接20个以上就极不稳定。适用于智能单品，不适用于系统应用。3、蓝牙 Mesh：
蓝牙Mesh网络，也称为“多跳”网络，具有自组网能力安全性可靠，但穿墙能力和衍射能力较弱，需要借助邻近节点中转来实现长距离大范围组网，组网速度慢，节点多时延迟较大。4、NB-IOT：构建于蜂窝网络，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，需基站的支持，具有覆盖广、连接多、速率快、功耗低等特点，但缺点是成本较高，普及性低，每个节点需消耗移动流量
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