NB-IoT通信技術在一體化航標燈的應用研究

（廣東省佛山航道事務中心，廣東 佛山 528000）

1 物聯網技術研究的背景和意義

物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發展階段。目前全世界各國都在力推物聯網技術深度研究以及與行業應用發展的創新性融合。物聯網通過智能感知、識別技術與普適計算等通信感知技術，廣泛應用于網絡的融合發展及應用創新，而應用創新也是物聯網發展的核心，以用戶體驗、行業融合為核心的創新則是物聯網發展的靈魂所在。

基于蜂窩技術的窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）是物聯網技術的一個重要分支，該通信手段具備覆蓋范圍廣、鏈接數量多、功耗消耗低以及綜合成本低等特點。在信息化技術全球化快速發展的趨勢背景下，物聯網技術應用特別是NB-IoT應用發展空間及前景潛力巨大。根據國際知名的信息技術咨詢和數據機構IDC(International Data Corporation，國際數據公司)發布的專業行業報告，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 物聯網技術發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、大容量等顯著優勢，使其可以廣泛應用于多種垂直行業，如遠程抄表、智慧路燈、智能泊車、資產跟蹤、智慧農業等領域，帶來的行業綜合提升效果顯著。

2.1 確定性的高增長行業應用

在過去的幾年里，物聯網技術在具體的行業中應用正呈現出比例不斷提升，應用行業類別不斷增加的趨勢。

2.2 NB-IoT產業鏈快步完備，細分行業應用日趨成熟

物聯網產業鏈正在不斷完備，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，其細分行業應用正在不斷成熟。

2.3 NB-IoT在水運領域應用場景

近年來，隨著水運事業的不斷發展，航道基礎設施建設的不斷完善，航標數量不斷增加，維護質量也不斷提高，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重要的作用。隨著微電子技術和通訊技術的發展，許多航標燈已通過遙測終端實現了電子化和信息化，實現了遠程網絡化的監測和管理，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。針對珠三角內河航道河網密布，航標燈及相配置的遙測終端分布較為集中的現狀，分析航標燈的監測屬于典型的“低頻、小包、時延不敏感”物聯網業務場景，可以充分發揮NB-IoT通信技術廣覆蓋、大連接、低功耗、高穩定、低成本的特點。由于航標燈工作環境內河（或沿海）的航道分布，具有范圍廣、數據傳輸小、接入數量多以及分布偏僻、戶外條件惡劣等特征，結合目前主流航標燈數據通信技術存在的弊端，諸如2G網絡即將退網且信號弱，3G/4G網絡則運行成本高且偏遠地區信號覆蓋差、功耗高等因素，在充分考慮航標燈信息數據采集的實際行業特點和工作要求，滿足在其數據的傳輸通信技術的產品特性等條件下，我們積極探索研究NB-IoT技術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，實現對航道航標燈信息的有效采集和更低功耗低成本的數據通信等。

3 研究的主要內容

本次研究主要內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，實現對現有的航標燈更便捷的安裝使用以及更高效穩定的數據傳輸。

項目研究主要涉及以下四個方面的技術，這為整個系統的正常運作起到關鍵作用。

（1）基于NB-IOT通信技術開發在航標燈上的應用；

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

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

（4）智能化內嵌智能判斷算法，能夠區分突發事件報警，使得突發事件發生后能夠及時上報、終極報警，當航標燈內的供電系統出現問題時能夠對即將無法正常工作的航標燈情況及時上報及周期檢查報警。

4 研究解決的關鍵技術問題

（1）NB-IoT低功耗監測設備建立網格化感知監測系統，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，建立航標燈全程監測平臺 ；

（3）應用NB-IOT高可靠的連續運行。

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

5 研究采用的技術原理

（1）SIM7020是一款全網通的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，為系統穩定性考慮采用了一塊電平轉換芯片，完成二者之間的電平轉換。

（2）電路控制系統（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接：

表1 控制信號含義

主控與通信模塊通過串口進行數據傳送及通信控制，通過RETSET對通信模塊復位，使用PWRKEY控制模塊的開關機。

6 研究涉及的技術方法

6.1 航標燈NB-IOT窄帶蜂窩物聯網解決方案

（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設計（如圖6）

6.4 其他技術特點

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

（2）大連接：50K連接數每小區域、頻譜效率高、小包數據發送特征、終端極低激活比；

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

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

7 研究的技術創新及特色

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

（1）通信信號實現深度覆蓋全部的署場景，極佳的滿足了業務需要；

（2）應用NB-IoT技術特點，實現了在內河等戶外條件下保持優良的信息數據通信（高可靠性、高穩定性）。

（3）基于物聯網技術，應用系統的NB-IOT模塊實現遠程遙控遙測，包括太陽能電池板轉換率的監測，儲能電池組在充電在線監測及控制，遙測終端的匹配等進行綜合考慮。開發的嵌入式系統可以實現對儲能單池及太陽能板等單個模塊的監測及控制。

（4）獨特的一體化航標燈設計，降低非活性物質的含量，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）可移植性設計，燈器設計時，盡量采用模塊化設計，各部件之間采用模具批量生產，保護后期燈器維修時，各零部件互換以便航道工人維修。

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

8 結語

本研究針對內河航道特別是珠三角航道航標的實際情況，結合航標遙測終端應用的特點與通訊需求，通過NB-IoT技術的應用，解決目前部分通訊“痛點”，充分利用信息時代的技術特點與資源優勢，汲取本領域內的先進成果，并加以創造性的應用與探索，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定性，為構建更加高效低成本的應用范圍更廣的航標遙測遙控系統提供更加有力的通訊保障。經對比市面上現有的主流航標燈及航標燈通信技術方式，我們認為該研究成果處于行業領先的水平，具備推廣應用的價值。