基于窄带物联网的室内照明控制研究文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

移动通信四十年的发展深刻地改变了人们的生活方式，当今的移动通信仍在快速变革，移动物联已经成为趋势。机器类通信的使用案例正在迅速发展。人们对将连接解决方​​案与传感器、执行器、仪器（水、燃气、电动或停车）、汽车、电器等集成在一起非常感兴趣[1,2]。因此，物联网（IoT）正在被创造并不断扩展。物联网由许多可能具有不同设计目标的网络组成。

基于蜂窝的窄带物联网(Narrow Band Internet of Things，NB—loT)成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。NB—IoT是loT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说NB-IoT设备电池寿命可以提高至至少1O年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖[3].它提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，覆盖面积扩大一百倍；具备支撑海量连接的能力，NB-IoT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结构；更低功耗，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年；一级组网架构，更稳定、可靠[4]。

IoT包括两个主要方面，及物与物之间的信息交互和人与物之间的信息交互。IoT通常可以分为三层，及感知层、网络层和应用层[5,6]。感知层通过实时感知，随时随地对物体进行相关信息的采集和获取，并将收集到的物理信息传送至网络层；网络层通过将物理世界接入到信息网络，进行安全可靠的信息交互和共享；应用层则对感知信息和数据进行相关分和处理，以实现智能化决策和控制。时至今日，IoT 迎来了新的发展机遇和浪潮，极大地推动了智能交通、智能家居、智慧医疗以及智慧物流等行业的快速发展，成为社会发展的重要动力，由此可能引发新一轮的工业革命[7]。近年来，IoT 发展迅速，世界万物都可以通过互联网相互连接，其中包括一些高速率业务（如视频类业务等），以及一些低速率业务（如抄表类业务等）。据不完全统计，低速率业务占据 IoT 业务的67%以上，且低速率业务还没有良好的蜂窝技术来提供支持[8]，这也意味着低速率广域网技术拥有巨大的需求空间。

物联网广泛使用LTE设计，包括数字技术、下行正交频分多址(OFDMA)、上行单载波频分多址(SC-FDMA)、信道编码、速率匹配、交织等。这大大减少了开发完整规格所需的时间。此外，预计现有LTE设备和软件供应商将大大减少开发NB-IoT产品所需的时间[9]。

NB-IoT 的技术特点决定其应用场景所具有的属性主要有以下几种：[10]

1. 低速率属性

首先，低速率是 NB-IoT 的主要属性，NB-IoT 系统的调制方式是低阶调制，NB-IoT 标准协议完美满足物联网低速率业务的要求。

1. 高时延属性

NB-IoT 对时延不敏感，很强的覆盖能力导致其具有高时延的特点。广覆盖的要求会导致 NB-IoT 网络在传输数据时发生多次重传，这样一来通信时延就随之增大。在标准协议中，猜想 NB-IoT 的通信时延甚至能达到 10 秒。

1. 低频次属性

NB-IoT 在数据传输时具有低频次的特点，即数据传输在单位时间内的次数不能过高。这是因为高频次传输必将导致高功耗，这违背了 NB-IoT 低功耗的优势，同时也影响了通信时延。

1. 终端移动性弱特性

首先，相比于其他蜂窝移动通信网络，NB-IoT应用场景中的终端具有较低的移动性；其次，NB-IoT标准的低功耗特点要求其终端移动性弱来节省终端的功耗。NB-IoT Rel-13标准中基本上只针对静止即不移动的终端。

室内照明设计，应在注重照明作为室内空间的基本功能之一的同时，也要注重照明对室内环境所产生的美学效果，及由此而产生的心理效应。在实际运用中不能厚此薄彼，只注重其美感及其产生的心理效果，而忽视照明这一基本要求。人工照明已不再是单纯地对自然光的延续，而是以其光环境特有的魅力和装饰美化作用成为一种艺术时尚。室内照明设计的任务不单是照明也不单是起装饰美化的作用，而是追求艺术主题和视觉、心理舒适性的完美统一，它是照明与装饰美化和主人心理的完美结合。因此，照明系统的各种问题都是围绕着建立室内照明环境这一目的来研究考虑的。而室内照明设计既要执行照明设计相关的技术标准和设计规范，以满足其视觉功能的要求，又要考虑人们的审美需要，满足人们视觉的理机能要求。一个优秀的室内照明设计，在满足人对环境视觉功能的要求和电器设计要求的同时，还要着重对光照、光色彩与光环境、照明灯具等方面的照明设计[11]。

有不同区域的照度值和不同区域的均匀度，由于各个指标的度量标准和取值范围不统一 。影响程度也不一样，需要对指标进行模糊处理。找寻灯具的最佳亮度．室内照明灯具分为整体与局部照明两种，当有人的工作位置多于总工作位置的1/3时采用整体照明，当少于或等于1/3时，采用整体和局部照明相结合的方法。这样既可以满足照明需求又能减少能源消耗[12]，也可以通过改变灯开闭的一些时间常数从而达到节能的效果[13]。

同时利用光敏电阻采集室内光强度信息。光敏电阻是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感，这里用它来检测环境亮度。它的电阻值能随着外界光照强弱的变化而变化。它在无光照射时，呈高阻状态; 当有光照射时，其电阻值迅速减小。首先是可见光光谱基本知识：从紫色到红色的可见光的波长范围为380~760nm，紫外线的波长小于380nm，红外线的下波长大于760nm，人眼只能看见可见光，红外线和紫外线是看不见的，可见光光照强度的测量单位是勒克斯(Lux)[14]。所以进行可见光光照度采集时一般采集520nm波长的入射光[15]。

图像采集及分析，利用摄像头采集室内的照度信息，然后将照度信息传到DRAM中储存，采集的数据以JPG的格式保存，将照片的颜色空间标准由RGB565转化RGB888,首先计算每个像素的亮度，然后计算再计算相关区域的亮度，根据相关区域的亮度决定相关区域照明终端LED的亮度。

综上是对NB-IoT和室内照明控制系统的背景和发展现状的一些技术简介，以及数据采集系统的对光照强度和图像采集的实现原理。

[1] “Cellular networks for massive IoT,” Ericsson White Paper, Jan. 2016. [Online].

[2] H. Shariatmadari, R. Ratasuk, S. Iraji, A. Laya, T. Taleb, R. Jäntti, and A. Ghosh. 'Machine-type communications: current status and future perspectives toward 5G systems.' IEEE Communications Magazine, vol. 53, no. 9, Sept. 2015.

[3]周震宇,蔡杨.基于NB-IoT和物联网技术的地下停车库节能照明系统[J]. 电子产品世界, 2017(10):72-76.

[4]张红, 尹椿荣, 李伟. 基于NB-IoT技术的太阳能-LED路灯照明监控管理系统[J]. 中国照明电器, 2018(3):34-37.

[5] Trasvintilde;a-Moreno C A, Blasco R, Casas R, et al. A Network Performance Analysis of LoRa

Modulation for LPWAN Sensor Devices[M]. Springer International Publishing, 2016.

[6]赵静.低速率物联网蜂窝通信技术现状及发展趋势[J].移动通信, 2016, 40(7): 27-30.

[7]陈博,甘志辉. NB-IoT 网络商业价值及组网方案研究[J].移动通信, 2016, 40(13): 42-46.

[8] Mangalvedhe N, Ratasuk R, Ghosh A. NB-IoT deployment study for low power wide area cellular IoT[C]. IEEE International Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications, 2016: 1-6.

[9] Wang Y P E , Lin X , Adhikary A , et al. A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things (NB-IoT)[J]. IEEE Communications Magazine, 2016, 55(3).

[10] Beyene Y D, Jantti R, Tirkkonen O, et al. NB-IoT Technology Overview and Experience from

Cloud-RAN Implementation[J]. IEEE Wireless Communications, 2017, 24(3): 26-32.

[11] 余学伟. 论室内照明设计与光环境艺术[J]. 重庆三峡学院学报, 2005, 21(4):124-126.

[12] 冯冬青, 刘丹丹. 室内智能舒适照明控制策略研究[J]. 郑州大学学报(理学版), 2015(3):99-104.

[13] Byun J , Hong I , Lee B , et al. Intelligent household LED lighting system considering energy efficiency and user satisfaction[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2013, 59(1):70-76.

[14]方佩敏.用照度传感器的 LED 光控电路[J].电子世界,2011,6.

[15] 朱一飞. 基于ZigBee技术的智能家居环境数据采集系统的设计与实现[D]. 长安大学.