NB-IoT通信技術(shù)在一體化航標(biāo)燈的應(yīng)用研究

（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(shí)代的重要發(fā)展階段。目前全世界各國(guó)都在力推物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度研究以及與行業(yè)應(yīng)用發(fā)展的創(chuàng)新性融合。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)智能感知、識(shí)別技術(shù)與普適計(jì)算等通信感知技術(shù)，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的融合發(fā)展及應(yīng)用創(chuàng)新，而應(yīng)用創(chuàng)新也是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心，以用戶體驗(yàn)、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(gè)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(diǎn)。在信息化技術(shù)全球化快速發(fā)展的趨勢(shì)背景下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用特別是NB-IoT應(yīng)用發(fā)展空間及前景潛力巨大。根據(jù)國(guó)際知名的信息技術(shù)咨詢和數(shù)據(jù)機(jī)構(gòu)IDC(International Data Corporation，國(guó)際數(shù)據(jù)公司)發(fā)布的專業(yè)行業(yè)報(bào)告，至2020年，IoT總連接將達(dá)到300億，市場(chǎng)空間達(dá)到1.7萬(wàn)億美元。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及水運(yùn)應(yīng)用場(chǎng)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(shì)，使其可以廣泛應(yīng)用于多種垂直行業(yè)，如遠(yuǎn)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(lái)的行業(yè)綜合提升效果顯著。

2.1 確定性的高增長(zhǎng)行業(yè)應(yīng)用

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

2.2 NB-IoT產(chǎn)業(yè)鏈快步完備，細(xì)分行業(yè)應(yīng)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(yùn)營(yíng)商，均在不斷加快完善，其細(xì)分行業(yè)應(yīng)用正在不斷成熟。

2.3 NB-IoT在水運(yùn)領(lǐng)域應(yīng)用場(chǎng)景

近年來(lái)，隨著水運(yùn)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(biāo)數(shù)量不斷增加，維護(hù)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(biāo)對(duì)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(biāo)燈已通過(guò)遙測(cè)終端實(shí)現(xiàn)了電子化和信息化，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)測(cè)和管理，這對(duì)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(huì)效益。針對(duì)珠三角內(nèi)河航道河網(wǎng)密布，航標(biāo)燈及相配置的遙測(cè)終端分布較為集中的現(xiàn)狀，分析航標(biāo)燈的監(jiān)測(cè)屬于典型的“低頻、小包、時(shí)延不敏感”物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)場(chǎng)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(diǎn)。由于航標(biāo)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(biāo)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(hào)弱，3G/4G網(wǎng)絡(luò)則運(yùn)行成本高且偏遠(yuǎn)地區(qū)信號(hào)覆蓋差、功耗高等因素，在充分考慮航標(biāo)燈信息數(shù)據(jù)采集的實(shí)際行業(yè)特點(diǎn)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(biāo)燈的應(yīng)用。打造具備NB-IoT通訊能力的一體化航標(biāo)燈，實(shí)現(xiàn)對(duì)航道航標(biāo)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(cè)模塊、燈管模塊及通信模塊于一體的航標(biāo)燈，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有的航標(biāo)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(xiàng)目研究主要涉及以下四個(gè)方面的技術(shù)，這為整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)作起到關(guān)鍵作用。

（1）基于NB-IOT通信技術(shù)開(kāi)發(fā)在航標(biāo)燈上的應(yīng)用；

（2）航標(biāo)燈器設(shè)計(jì)應(yīng)從太陽(yáng)能電池、蓄電池、充電保護(hù)器、遙測(cè)終端、燈光系統(tǒng)的匹配等進(jìn)行考慮的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)；

（3）基于NB-IOT 技術(shù)的模塊，上報(bào)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(bào)警，使得突發(fā)事件發(fā)生后能夠及時(shí)上報(bào)、終極報(bào)警，當(dāng)航標(biāo)燈內(nèi)的供電系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)能夠?qū)磳o(wú)法正常工作的航標(biāo)燈情況及時(shí)上報(bào)及周期檢查報(bào)警。

4 研究解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

（1）NB-IoT低功耗監(jiān)測(cè)設(shè)備建立網(wǎng)格化感知監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)預(yù)警，主動(dòng)干預(yù)；

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

（3）應(yīng)用NB-IOT高可靠的連續(xù)運(yùn)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(hào)聯(lián)接：

表1 控制信號(hào)含義

主控與通信模塊通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送及通信控制，通過(guò)RETSET對(duì)通信模塊復(fù)位，使用PWRKEY控制模塊的開(kāi)關(guān)機(jī)。

6 研究涉及的技術(shù)方法

6.1 航標(biāo)燈NB-IOT窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)解決方案

（1）基于LTE的一個(gè)演進(jìn)模式：＜100kbps低頻、小包、時(shí)延不敏感,低成本終端（模塊＜5$),電池供電，要求長(zhǎng)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(jì)（如圖6）

6.4 其他技術(shù)特點(diǎn)

（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(jiǎn)化協(xié)議 、 芯片功耗低、功放效率高、發(fā)射及接收時(shí)間短；

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

7 研究的技術(shù)創(chuàng)新及特色

研究一體化航標(biāo)燈NB-IOT通信技術(shù)，相較于一般的通信技術(shù)，在實(shí)際的試驗(yàn)中，已表現(xiàn)出能量更高、安全性更好、使用壽命更長(zhǎng)，一致性更好的特點(diǎn)。同時(shí)結(jié)合嵌入式中間件產(chǎn)品，基于物聯(lián)網(wǎng)模式可對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和工作狀態(tài)檢測(cè)。具體本項(xiàng)目研究具備以下創(chuàng)新點(diǎn)及特色。

（1）通信信號(hào)實(shí)現(xiàn)深度覆蓋全部的署場(chǎng)景，極佳的滿足了業(yè)務(wù)需要；

（2）應(yīng)用NB-IoT技術(shù)特點(diǎn)，實(shí)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(yīng)用系統(tǒng)的NB-IOT模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控遙測(cè)，包括太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)換率的監(jiān)測(cè)，儲(chǔ)能電池組在充電在線監(jiān)測(cè)及控制，遙測(cè)終端的匹配等進(jìn)行綜合考慮。開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能單池及太陽(yáng)能板等單個(gè)模塊的監(jiān)測(cè)及控制。

（4）獨(dú)特的一體化航標(biāo)燈設(shè)計(jì)，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(jì)，燈器設(shè)計(jì)時(shí)，盡量采用模塊化設(shè)計(jì)，各部件之間采用模具批量生產(chǎn)，保護(hù)后期燈器維修時(shí)，各零部件互換以便航道工人維修。

（6）先進(jìn)的設(shè)備，先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，確定生產(chǎn)的通信模塊，通過(guò)高精度的檢測(cè)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(yǔ)

本研究針對(duì)內(nèi)河航道特別是珠三角航道航標(biāo)的實(shí)際情況，結(jié)合航標(biāo)遙測(cè)終端應(yīng)用的特點(diǎn)與通訊需求，通過(guò)NB-IoT技術(shù)的應(yīng)用，解決目前部分通訊“痛點(diǎn)”，充分利用信息時(shí)代的技術(shù)特點(diǎn)與資源優(yōu)勢(shì)，汲取本領(lǐng)域內(nèi)的先進(jìn)成果，并加以創(chuàng)造性的應(yīng)用與探索，有效降低了航標(biāo)遙測(cè)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(yīng)用范圍更廣的航標(biāo)遙測(cè)遙控系統(tǒng)提供更加有力的通訊保障。經(jīng)對(duì)比市面上現(xiàn)有的主流航標(biāo)燈及航標(biāo)燈通信技術(shù)方式，我們認(rèn)為該研究成果處于行業(yè)領(lǐng)先的水平，具備推廣應(yīng)用的價(jià)值。