NB-IOT在智慧照明LED路灯应用探讨.pdf
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1、中文科技期刊数据库(引文版)工程技术 158 NB-IOT 在智慧照明 LED 路灯应用探讨 陈玉辉 熊 专 王青平 曾凡军 何艳玲 中节能晶和科技有限公司,江西 南昌 330000 摘要:摘要:智慧照明是运用通信技术实现对 LED 路灯的远程控制、监测和管理,随着信息技术和通信技术的发展,以安全、可靠、高效等方面为发展趋势,不断涌现出各种新型通信技术,围绕目前主流的 PLC、ZigBee、LoRa 等智慧照明通信技术的优缺点做阐述,结合基于 NB-IoT 技术设计的智慧照明应用实际案例,就终端设备离线率高、丢包等问题进行分析,从信号干扰、环境干扰、硬件性能方面对部分区域集中性 NB 网络问题
2、进行分析和总结。关键词:关键词:智慧照明;NB-IoT;网络问题 中图分类号:中图分类号:TM615 0 引言 随着万物互联时代的到来,物与物之间的连接方式也在不断发展和更新,对于物联网通信技术,每种都有优缺点和适合的应用的场景,满足不同的市场需求。城市照明作为物联网技术的一个重要应用领域,随着城镇化建设的推进,绿色、低碳被纳入生态文明建设整体布局,“双碳”目标深入人心,城市照明也成为开展低碳减排行动和实施双碳战略的主要阵地,智慧照明降碳场景也随处可见。1 智慧照明路灯发展现状与前景 在国家加强环保和节能实现“双碳”目标指引下,智慧照明路灯作为城市智能化建设的重要载体,及节能减排的重要抓手之一
3、,从最初无线 ZigBee 到电力线载波 PLC 再到移动蜂窝网络的应用,智慧照明作为新型物联网基础设施的典型应用,也是伴随着智慧城市推荐的产物,是多种新技术和功能的集合体,以绿色、智慧、和谐、特色发展为需求,实现照明资产设施维护及照明事件管理的全要素、全方位、全过程管理,智慧照明必将满足更多的生活需求。2 智慧照明 LED 路灯控制技术分类与优缺点 2.1 ZigBee 无线通信技术 ZigBee 是一种低功耗、低数据速率、短距离传输的无线通信物联网技术,通常用于单个节点 200 米范围内的设备数据传输,每个节点都可以作为协调器、路由器或终端设备,具有自组网和自修复的能力,在数据传输时是动态
4、组网和动态路由,网络节点是实时变化的,将数据从一个节点传输到另一个节点,每次计算出最佳路径,当最佳路径受阻或者繁忙不能及时进行传输时,可重新发起路由寻找过程,通过对其他节点进行探测,确定另一个畅通的路径进行通信。虽然Zigbee具有低成本、低功耗、自组网的优点,但其如遇网络状况不稳定可能导致网络建立时间长等问题,网络规模过大或者节点移动频繁,甚至可能会导致网络拥堵或分裂,且使用2.4G免费公共无线频段,易受外界干扰或者攻击,通信安全性和可靠性较低。2.2 PLC 电力线载波技术 PLC 电力线载波通信技术是利用电力线作为信息传输媒介,通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的通信方式,利用现有
5、的电力线进行数据传输,因而不需要重新架设无线网关。电力线载波通信虽具有成本低、网络布置维护方便等优点,然而配电变压器对电力载波信号有阻隔作用,不支持跨变压器通信,所以需在每个变压器布署网关,且市电系统很可能作为公共电网,存在各种干扰,在不同负载的产生的各种电磁干扰会降低传输质量和效率,对电网要求较高。2.3 LoRa 无线通信技术 LoRa 无线通信是一种基于扩频技术的超远距离无线传输技术,具有低功耗覆盖广域的特性。由于 LoRa 协议工作在非管制频段,所以两个节点在通信过程中,如果受到周边其他同频节点干扰,将严重影响通信质量,很容易出现数据丢失的情况,影响 LoRa 通信系统的稳定性,甚至导
6、致无法正常通信。多个 LoRa 设备在 LoRa 网络中发送数据时,需自中文科技期刊数据库(引文版)工程技术 159 行组建无线网络,通过 LoRa 网关将数据汇总与云端服务器进行交互,不仅施工难度增加,且增加了设备故障点。2.4 NB-IoT 无线通信技术 NB-IoT 无线通信与上述介绍三种通信不同,是基于 5G 技术方案的窄带物联网技术,依托电信营运商基站为载体,具有覆盖广、成本低、功耗低、穿透性强、数据安全等诸多优点,已经成为物联网中不可分割的一个重要组成部分,凭借着自身的独特优势,在社会发展中发挥了巨大的社会价值,现已成为物联网发展新的指向标。2.4.1 成本分析 NB-IoT 无线
7、通信因无需建立专门的基站网关实现网络覆盖,只需在现有的 LTE 基站设备上进行升级和优化,即可支持基站直接对终端设备通信,实现与服务器的数据直接交互,大大降低了网络建设和后期运维成本,再 NB-IoT 低功耗、低带宽和低速率的特性,降低了模组和通信电路成本。NB-IoT 无需自行组建网络,减少了设备故障点,可靠性更高,减少了建设前期投入,运行管理更方便,降低了后期运维成本。2.4.2 通信安全性 NB-IOT 是通过运营商基站直联,具有数据加密和基于 SIM 卡的身份验证功能,保证通信的安全性。SIM 卡作为身份识别媒介,通信模组作为通信媒介,用于连接 NB-IoT 网络的硬件设备,两者是相对
8、独立又相辅相成的关系,对整个 NB-IoT 网络系统的安全性起着至关重要的作用。从营运网络方面,NB-IoT 工作于授权频谱并且基于蜂窝技术设计,依赖于运营商基站布局,采用端到端加密技术,为用户提供更加安全、更加可靠的通信服务,在数据传输和设备认证方面提供电信级的安全,使得通信更加安全可靠,有效地防止信息的泄露和被窃取。从物联网卡方面,SIM 卡作为物联网终端上的安全载体之一,用户身份标识以及登网鉴权的安全介质,基于其安全运算能力,可以提供通信安全服务,包括为数据传输提供加解密运算及完整性校验服务,确保数据传输的安全性。从整体方面,物联网 SIM 卡具备唯一的 ICCID,通信模组具有唯一的
9、IMEI 号,只要将 ICCID 和 IMEI 号第一次使用激活后即绑定,若营运商检测有更换设备,则会对此物联网卡进行封停,SIM 卡无法使用,需申请解绑方可恢复,保护智能设备的安全。2.4.3 通信响应速度 NB-IoT 是一种专为低数据速率应用而设计的双向通信技术,即同时支持上行和下行通信,可支持高达200 kbps 的数据速率,同步的通信协议在较短的下行延迟可以为需要大量数据吞吐量的应用提供快速的数据传输速率。NB-IoT 终端设备与网络基站直连至后端服务器平台数据交互,支持较低的时延。3 NB-IOT 应用于智慧照明 LED 路灯的技术难点及解决方案 NB-IoT 技术在智慧照明 LE
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