Liu Hui;Yang Yi
【摘 要】从实际产品应用分析局城物联网和广城物联网的主要区别,从已实现的ZigBee局域物联网优缺点分析中,引出了目前热门的NB-IoT窄带物联网技术,旨在分析其应用特性,为NB-IoT窄带物联网在今后的产品应用中提供一定参考和借鉴. 【期刊名称】《单片机与嵌入式系统应用》 【年(卷),期】2018(018)012 【总页数】4页(P11-14)
【关键词】NB-IoT;ZigBee;路灯监控系统 【作 者】Liu Hui;Yang Yi 【作者单位】; 【正文语种】中 文 【中图分类】TP393.2 引 言
2016年在西班牙巴塞罗那举行的世界移动通信大会(MWC2016)上，物联网通信的新技术——NB-IoT(Narrowband Internet of Things，窄带物联网)颇受关注，成为会议的一大亮点[1]。本文通过两个实际产品应用系统的对比分析，引出了NB-IoT的应用价值。在介绍NB-IoT窄带物联网概念的基础上，对比了传统局域物联网应用架构和广域NB-IoT窄带物联网应用架构的区别，给出了NB-IoT窄带
物联网的具体特点及其优势所在。
1 基于GPRS和ZigBee的智能路灯监控系统 1.1 智能路灯监控系统概述
传统的路灯照明系统是由路灯管理人员手动控制，人工巡检，无法实现远程监控，工作效率低下，不能及时排查路灯相关故障，并且无法根据实际路况、人流情况来有效控制路灯照明，不符合国家提出的节能减排要求[2]。基于GPRS和ZigBee的智能路灯监控系统可以精确监控每盏灯具，实时监测灯具的相关状态数据，并且反馈相关故障信息给指定的管理人员，有利于路灯故障及时排查，保证道路安全。系统可根据预设控制方案，依据经纬度、时间、光照、人流等实际路况来实时调整路灯的开关、亮度，在充分保证照明的前提下实现节能减排目标，从而产生直接的经济效益。同时智能路灯监控系统可自动进行故障统计、能耗统计、亮度率统计等大数据统计分析，极大地提高了路灯管理工作的信息化、智能化。 1.2 智能路灯监控系统架构
该智能路灯监控系统基于GPRS和ZigBee通信网络实现，系统总体架构如图1所示，主要由灯控终端、ZigBee网关、服务器和用户终端4部分组成。 图1 基于GPRS和ZigBee的智能路灯控制系统架构
灯控终端一般有两种形式存放：嵌入在灯具内部和安装在路灯杆内。灯控终端负责灯具的开关控制、功率调节、灯具电流、电压、温度等相关状态参数的监测。灯控终端无线通信上行为ZigBee网络的终端节点，多个灯控终端和一个ZigBee网关组成一个ZigBee网络，灯控终端接收ZigBee网关的下行控制命令，实现对灯具的控制，同时灯控终端通过ZigBee网络将灯具状态数据上行发送给ZigBee网关，实现对灯具的状态监测。
ZigBee网关主要负责ZigBee网络和GPRS网络数据的桥接转发功能，同时还需要ZigBee网络的组网控制，为ZigBee网络的中心节点，将所在网络下的所有灯
控终端数据汇集后通过GPRS网络发送给服务器。另外ZigBee网关本地还需要保存路灯相关的监控策略等信息。
服务器即云端服务器，负责与所有ZigBee网关数据交互，接收到ZigBee网关数据处理后存储到本地数据库中，供客户端查询，同时服务器接收客户端相应的控制命令并下发给ZigBee网关，实现对灯具的实时监控。另外云端服务器上还需要运行整个监控系统的监控策略，如时控策略、光控策略、亮灯率监测、故障率监测等。 用户终端即为用户最终的呈现方式，目前主要有基于PC的客户端、浏览器和基于手机平板的APP、微信小程序等方式，另外也可以有专用的用户终端设备。用户终端主要用于展现监控系统相关数据，同时支持向ZigBee网关、灯控终端发送相应的监控命令。 2 水质监测系统 2.1 水质监测系统概述
水质监测是监视和测定水体中污染物的种类、各类污染物的浓度及变化趋势，评价水质状况的过程。监测范围十分广泛，包括未被污染和已受污染的天然水(江、河、湖、海和地下水)及各种各样的工业排水等。
传统的水质监测方法为人工监测，工作人员定期或不定期到监测点进行水质采样，然后在实验室对水样进行化验分析，从而获得水质的各种参数。该方法不仅费时费力，而且容易出现计算错误、采样不均等问题，且实时性差、劳动强度大、效率低、检测周期长、成本高、监测范围小，无法实现在线、实时、连续自动监测[3]。 2.2 基于GPRS和ZigBee的水质监测系统架构
目前现有的水质监测系统多采用与上述智能路灯监控系统相同的架构，如图1所示。不同的是ZigBee网络不再是对路灯的监控，而是对水质传感器的监测，即系统终端需要做相应的变化，这里就不再赘述。 2.3 基于GPRS和ZigBee的水质监测系统的缺点
水质监测系统的终端设备并不像路灯设备那么密集，在几百米甚至几公里范围内只需要一个监测点即可，因而ZigBee网关所组成的ZigBee网络下一般只有一个监测终端，无法像智能路灯系统那样实现一个ZigBee网关对几百个灯控终端组网。因此水质监测终端和ZigBee网关的成本极大提高，无法得到控制。
ZigBee网关下通常只有一个水质监测终端，因而一般将ZigBee网关功能直接放入水质监测终端中实现，该水质监测终端同时包含相关水质监测传感器、ZigBee网络模块和GPRS网络模块，GPRS网络模块的功耗较大。而水质监测终端基本都是布置于户外监测水点，因为只能采用电池供电方案，所以采用基于GPRS和ZigBee的水质监测终端无法满足电池供电低功耗的需求。
基于GPRS和ZigBee的水质监测系统在网络通信上为二级网络架构，既需要走运营商的一级网络，还需要走ZigBee二级局域网络，网络架构较复杂，从而导致数据传输时延大、效率低等缺点。 3 基于NB-IoT技术的水质监测系统 3.1 系统架构
基于NB-IoT窄带物联网通信技术的水质监测系统的总体架构如图2所示。本系统主要由监测终端、服务器和用户终端三部分组成。 图2 基于NB-IoT技术的水质监测系统架构
监测终端与相应的水质监测传感器通信，采集相应的水质参数，再通过NB-IoT网络将采集数据直接发送给云端服务器，同时也接收来自云端服务器的相关监控命令。服务器和用户终端与路灯监控系统中的服务器和用户终端功能相同，主要负责云端服务器数据收发存储和水质数据的用户展示。 3.2 两种监控系统架构的区别
通过图1和图2系统架构对比，不难发现这两种系统架构最大的区别主要有以下几方面：
① 网络层级不同。基于NB-IoT的水质监测系统网络通信是一级网络，每个监测终端直接和云端服务器通信。基于ZigBee和GPRS的路灯监控系统采用的是二级网络，灯控终端并非直接和云端服务器通信，均需要经由ZigBee网关来路由转发。因而，基于NB-IoT的一级网络要简单得多，且网络传输时延小、效率高。 ② 网关路由不同。基于ZigBee和GPRS的路灯监控系统，灯控终端和云端服务器间数据传输必须经由ZigBee网关路由。而基于NB-IoT一级网络的水质监测系统，则不再需要网关路由，进一步提高了网络传输效率，降低了网关路由成本。 ③ 网络类型不同。这也是两个系统最大的区别，NB-IoT和GPRS同属于广域通信网络，但两者有很大的区别。灯控终端采用的ZigBee网络，ZigBee与NB-IoT的网络区别就更大了，ZigBee属于短距离通信局域网，NB-IoT属于广域通信网络。
通过以上两种不同系统的应用引入了NB-IoT窄带物联网的应用特性，下面就具体介绍NB-IoT网络。 4 NB-IoT窄带物联网 4.1 NB-IoT窄带物联网概述
在NB-IoT窄带物联网出现之前，物联网无线通信技术主要有以下三类： ① 低功耗短距离无线通信技术，包括Bluetooth、WiFi、ZigBee等。这类技术的通信距离一般为10～1 000 m。一般情况下，采用该类通信技术的物联网应用需要相应的网关来管理其局域网下的各类终端设备。网关再通过蜂窝网接入以太网，以实现与云端服务器的数据通信。
② 非授权低功耗广域通信技术(Low Power Wide Area，LPWA)，一般为私有技术方案采用非授权频谱，如868 MHz、2.4 GHz的公共频谱，或Sigfox的UNB(Ultra Narrow Band)技术和Semtech的LoRa(Long Range)技术，该类网络覆盖范围为1～100 km。
③ 授权频谱的广域网通信技术，包括海量机器类通信(Enhanced machine-Type Communications，EMTC)技术、扩展覆盖GSM技术(Extended Coverage-GSM，EC-FSM)等，该类网络覆盖范围为1～100 km。
其中，第三类技术产业发展要晚于前两类，但竞争优势明显，网络部署成本低、覆盖范围广。NB-IoT窄带物联网技术则是在第三类技术基础之上发展而来的。在这个背景下，第3代合作伙伴计划(3GPP)于2015年9月正式确定窄带物联网(NB-IoT)标准立项，全球超过50家公司积极参与，标准协议核心部分在2016年6月宣告完成，并正式发布基于3GPP LTE R13版本的第1套NB-IoT标准体系。随着NB-IoT标准的发布，NB-IoT系统技术和生态链将逐步成熟[4]。 4.2 NB-IoT窄带物联网特点
NB-IoT窄带物联网技术主要有大连接、广覆盖、低成本、低功耗、深穿透5个基本特点。
① 大连接：同一基站下，NB-IoT窄带物联网可以比现有广域无线通信技术提供50～100倍的接入量，一个扇区可以支持高达10万个连接[5]。
② 广覆盖：通过重传、低阶编码等技术实现信道覆盖增强20 dB[6]，对广覆盖需求的区域提供可靠的无线通信服务。
③ 低成本：首先，NB-IoT窄带物联网可直接部署于已有的商用蜂窝网络，与现有的2G、3G、4G网络共用基站，因而极大降低了网络部署成本；其次，流量费低，NB-IoT主要应用于轻数据量应用场合，流量费低是NB-IoT主要优势之一。 ④ 低功耗：使用NB-IoT的轻数据量应用场景，数据通信间隔一般可达到几十分钟甚至数月，因而NB-IoT通信模组在不通信的时间内将其网络连接态转换为睡眠态，在睡眠状态下关闭射频以达到省电的目的，电池供电的NB-IoT设备待机时间可达到10年甚至更久，静态功耗目标可达μA级[7]。
⑤ 深穿透：由于NB-IoT技术所在频谱的室内穿透能力强，因而特别适用于一些
现有通信无法穿透或者信号较差的场合(如厂区、地下车库等)。 4.3 低功耗广域覆盖技术对比
NB-IoT技术是低功耗广域覆盖技术(Low Power Wide Area,LPWA)的一种，LPWA技术还包括SigFox、LoRa和eMTC等，其中SigFox和LoRa工作在非授权频谱，而NB-IoT和eMTC工作在授权频谱[8]。表1列举了上述4种LPWA的技术对比，从表中可知，在授权频谱工作的NB-IoT技术的覆盖能力最强且功耗更低，可以说NB-IoT技术是轻数据、海量连接、广覆盖、低成本广域无线通信的最佳选择。
4.4 NB-IoT窄带物联网应用场景
由于NB-IoT的技术特性，其主要面向轻数据、低功耗、深覆盖、大容量及低速率的应用业务，同时由于对于移动性支持较差，更适用于对实时性要求不高、静态或非连续移动的应用场景，NB-IoT典型的应用场景如表2所列。在表中，上行数据指NB-IoT终端通过NB-IoT网络向云端服务器传送的数据信息。下行数据指云端服务器通过NB-IoT网络向NB-IoT终端传送数据信息。
表1 LPWA技术多维对标类别通信业务通信速率移动性功耗覆盖连接密度/万/km2频谱NBIoT数据、短消息<200kb/s静态或限制移动性超低
<15km,164dB20授权频谱200kHz带内,保护带,单独eMTC数据、短消息、语音<1Mb/s0～500km/h低<10km,156dB15授权频谱1.4MHz带内LoRa数据<10kb/s静态或限制移动性超低<10km,157dB-非授权频谱7.8～500kHzSigFox数据<100b/s静态或限制移动性超低<12km,160dB-非授权频谱100kHz 表2 NB-IoT窄带物联网典型应用场景应用类别应用场景举例上行数据量下行数据量通信频率NBIoT终端主动上报异常信息智能电表停电通知等<100B无数月或数年NBIoT终端主动上报周期性状态数据水质监测等<500B无数小时或数天云端服务器下发监控命令智慧农业,打开/关闭相关控制开关等<20B<20B数小时或数天
结 语
NB-IoT窄带物联网作为低成本、低功耗广域网技术的代表，在低速率物联网业务中扮演着重要的角色，目前我国三大运营商已开始在NB-IoT窄带物联网方面展开了广泛的布局。随着网络布局、芯片模组的不断研发、生产成本的不断降低，在未来几年，NB-IoT技术将会被更广泛地应用于不同的相关行业，引领万物互连的新时代。 参考文献
【相关文献】
[1] 戴国华,余骏华.NB-IoT的产生背景、标准发展以及特性和业务研究[J].移动通信,2016,40(7):31-36.
[2] 张俊华.基于GPRS和ZigBee的无线智能路灯控制系统设计[J].计算机光盘软件与应用,2012(7):200-201.
[3] 李金凤,刘丰喜,杨中华,等.基于无线传感器网络及GPRS的水质监测系统设计[J].计算机测量与控制,2014,22(12):3887-3890.
[4] 张万春,陆婷,高音.NB-IoT系统现状与发展[J].中兴通讯技术,2017,23(1):10-14. [5] 刘毅,孔建坤,牛海涛,等.窄带物联网技术探讨[J].通信技术,2016,49(12):1671-1675. [6] Lauridsen M,Nguyen H,Vejlgaard B,et al.Coverage Comparison of GPRS,NB-IoT,LoRa,and SigFox in a 7800 km2 Area[C]//Vehicular Technology Conference.IEEE,2017:1-5.
[7] 李娟,胡晓玲,李自刚.窄带物联网NB-IoT能耗测试浅析[J].电信网技术,2016(8):65-67. [8] 邢宇龙,胡云.窄带物联网部署策略[J].信息通信技术,2017(1):33-39.
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