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窄带物联网NB-IoT应用架构研究与实践The application architecture of NB-IoT

王宜怀 [email protected]，13338655038

苏州大学计算机科学与技术学院

2018年8月20日

mailto:[email protected]

目录CONTENTS

物联网从概念到落地

窄带物联网NB-IoT出现的时机及其特点

NB-IOT给产业转型升级带来的机遇与挑战

建立NB-IOT应用架构

一

二

三

四

面向NB-IOT的通用嵌入式计算机GEC及系统五

六金葫芦—“照葫芦画瓢”开发方法

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一、物联网从概念到落地一、物联网从概念到落地

计算机网络把地球连接在一起——成为地球村

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把万物与计算机网络连接在一起——物联网


3

物联网概念的热络起点（我国）——2009年


物联网=互联网+无线传感器网络&数据采集与控制大规模应用等待时机成熟：技术、成本、开发门槛

4

苏州大学嵌入式系统与物联网研究所研发实例1


基于WSN的水质监测系统（2010-2013年）发明专利（ZL 2014 1 0458367.8）：一种基于WSN的水质监测节点（授权日期：2016年5月）

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基于物联网技术的智能路灯控制系统（2011-2015年）发明专利（ZL 2010 1 0262762.0）：一种基于物联网技术的路灯控制装置和系统（授权日期：2015年5月）

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基于物联网技术的农业大棚（2013-2016年）发明专利（ZL201410452043.3）：一种面向农业大棚的集成WSN智能传感器统一接口系统（授权日期：2017年10月）

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物联网连接分类（从通信速率角度）

二、窄带物联网NB-IoT出现的时机及其特点二、窄带物联网NB-IoT出现的时机及其特点

速率>1Mbps。如视频监控、远程医疗、机器人等。目前主要使用4G。

100Kbps<速率<1Mbps。如需语音的可穿戴设备、智能家防等。主要使用GPRS。

速率<100Kbps。如数据采集与控制类的智能抄表、环境监测、智能家居、物流、工厂设备远程控制等。使用WSN+GPRS。

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物联网市场发展催生新型入网方式的出现

二、窄带物联网NB-IoT出现的时机二、窄带物联网NB-IoT出现的时机

利用通用分组无线业务GPRS+局部的无线传感器网络WSN方法，解决低功耗广域网，具有成本高、开发层次多、技术门槛高等缺点，物联网市场发展催生新型入网方式的出现

典型的有：Lora、Sigfox等窄带物联网NB-IoT的出现：2014年3月3GPP提出成立新研究项目，研究支持更低复杂度、更低成本、

更低功耗、更强覆盖等的连接模式，这就是窄带物联网的NB-IoT雏形。

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NB-IoT标准制定的简要历程

• 2014年3月3GPP成立新项，研究更

好的连接模式，这就是NB-IoT雏形。

• 2014年5月，华为开始和沃达丰联合研究

• 2015年5月，华为、沃达丰联合高通共同制

定了上下行技术标准

• 2015年7月，爱立信和华为分别向3GPP提

交标准提案

NB-IoT标准形成NB-IOT标准提案NB-IoT雏形

• 在2015年9月，由3GPP将两种技术

融合形成了NB-IoT标准。2016年5

月3GPP完成NB-IoT标准核心部分的

制定工作。


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简要了解物联网体系中的局域网、广域网、宽带、窄带术语

低功耗局域网：每个节点传输距离百米量级

低功耗广域网：每个终端UE与铁塔通信（千米级），信息送至互联网

宽带窄带


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窄带物联网NB-IoT的特点

二、窄带物联网NB-IoT出现的时机二、窄带物联网NB-IoT出现的时机

NB-IoT技术有大连接、广覆盖、深穿透、低成本、低功耗等五个基本特点

大连接:一个基站连10万终端UE

广覆盖:一个基站可以覆盖几平方千米

深穿透低成本：建设、运营、终端

低功耗

市场需要，原有技术成本

过高。原有技术方案：

GPRS+WSN，解决LPWAN，成

本高。

运行商介入。三大运行商：中

国电信（800M）、中国移动及

中国联通（900MHz、

1800MHz），正在探讨收费模

式。

1

2

3产业设备商介入。华为、中

兴、Intel、MTK、高通等

国际同步。几十个国家同

步研发布局为NB-IoT的国

际通用性提供了场景。

政府推动。17年6月6日国家工信部办公厅

《关于全面推进移动物联网（NB-IoT）建

设发展的通知》文件，表明政府发展NB-

IoT的实际行动。

4

5

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二、窄带物联网NB-IoT出现的时机及其特点二、窄带物联网NB-IoT出现的时机及其特点窄带物联网NB-IoT为什会流行？

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三、NB-IOT给产业转型升级带来的机遇与挑战三、NB-IOT给产业转型升级带来的机遇与挑战

（1）物联网概念从2009年开始热络至今已有一段时间，到了落地的时候了。万物互联是发展的大趋势，传统物联网存在技术、应用及产业的碎片化阻碍万物互联发展

窄带物联网NB-IoT为什么是产业转型升级的一次机遇？

（2）物联网聚焦的数据采集是大数据、人工智能、云计算的数据基础，美国《2016-2045年新兴科技趋势报告》把物联网发展列为重要位置。

（3）物联网是信息产业的又一次革命性发展，将成为我国经济振兴和社会转型的战略支点。将有力带动传统产业转型升级，实现经济结构的战略性调整，引发社会生产和经济发展方式的深度变革。物联网作为新兴技术，全面感知、可靠传递、智能处理的特征使其成为改造传统产业的最佳选择。

（4）现代化的高速发展使得公共服务领域的需求逐步增大。城市管理，环境保护等一系列问题日益突出。物联网的迅速崛起为这些问题的解决提供了契机。

（5）物联网的研发、应用成本将大幅度下降！（这一点特别重要！）

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在相当长的一段时间内，物联网智能系统将成为许多实体行业的关键技术。然而，进行物联网智能系统的软硬件设计具有较高的技术门槛，主要表现在：需要软硬件协同设计，涉及软件、硬件及行业领域知识；一些系统具有较高的实时性要求；许多物联网智能产品必须具有较强的抗干扰性与稳定性；开发过程中需要不断的软硬联合测试等等。因此开发物联网智能产品成本高、周期长、稳定性难以保证，对技术人员的综合开发能力提出了更高的要求，这些问题是许多中小终端产品企业技术转型的重要瓶颈之一。

大多数具体的物联网智能系统是针对特定应用而开发，许多终端企业的技术人员往往从“零”做起，对移植与复用重视不足，新项目的大多数工作必须重新开发，不同开发组之间也难以共用技术积累。通常，系统的设计、开发与维护交由不同的人员负责，由于设计思想不统一，会使人员分工不明确、开发效率低下，给系统的开发与维护工作带来更多的困难。

是机遇也是挑战：窄带物联网NB-IoT应用开发所面临的难题

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解决NB-IoT应用开发所面临难题的基本思路是：从技术科学层面，研究抽象物联网应用系统的技术共性，加以凝练分析，形成可复用、可移植的构件、类、框架。实现整体建模，合理分层，达到软硬可复用与可移植的目的。因此，技术科学层面的主要任务是：提出物联网智能系统的技术架构及应用方法，给出软硬件模板（“葫芦”），以便使技术人员可以在此模板基础上，进行特定应用的开发（“照葫芦画瓢”）。

这个架构抽象物联网智能系统的共性技术、合理分解知识要素、厘清共性与个性的衔接关系、封装软硬件构件、实现软件分层与复用。以此来有效降低技术门槛、缩短开发周期、降低开发成本、明确人员职责定位、减少重复劳动、提高开发效率。从形式上说，可以把这些内容称为“中间件”。它不是终端产品，但为终端产品服务，有了它，可以较大地降低技术门槛。

解决NB-IoT应用开发所面临难题的基本思路

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四、建立NB-IOT应用架构四、建立NB-IOT应用架构

从应用开发角度提出NB-IoT应用架构。该架构由NB-IoT终端（UE）、NB-IoT信息邮局（MPO）、NB-IoT人机交互系统（HCI）三个组成部分。

NB-IoT应用架构的基本内涵

NB-IoT终端（Ultimate-Equipment，UE）是一种以微控制器（MCU）为核心，具有数据采集、控制、运算等功能，带有NB-IoT通信功能，甚至包含机械结构，用于特定功能的软硬件实体。如NB-IoT燃气表、 NB-IoT水表、 NB-IoT电子牌、NB-IoT交通灯、NB-IoT智能农业设备、NB-IoT机床控制系统等等。

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NB-IoT终端UE

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NB-IoT终端UE实物

NB-IoT信息邮局（Mssage Post Office，MPO）是一种基于NB-IoT协议的信息传送系统。由NB-IoT基站eNodeB（eNB）与NB-IoT管理服务器组成。在NB-IoT终端（UE）与NB-IoT人机交互系统（HCI）之间起信息传送的桥梁作用。由信息运行商负责建立与维护。

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五、建立NB-IOT应用架构五、建立NB-IOT应用架构

NB-IoT信息邮局MPO

NB-IoT人机交互系统（Human-computer interaction，HCI）是实现人与NB-IoT信息邮局（NB-IoT管理服务器）之间信息交互、信息处理与信息服务的软硬件系统。目标是使人们能够利用通用计算机（PC）、平板电脑、手机等设备，通过NB-IoT信息邮局MPO，实现获取NB-IoT终端UE的数据，并可实现对终端UE的控制等功能。

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NB-IoT人机交互系统HCI

信息邮局MPO终端UE 人机交互系统HCI

运营商负责

应用开发者负责终端UE与人机交互系统HCI的编程，信息邮局MPO由运营商负责，仅需与其通信即可。 22


NB-IoT应用开发基本内容定位

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五、面向NB-IOT的通用嵌入式计算机GEC及系统五、面向NB-IOT的通用嵌入式计算机GEC及系统

以基于广域网的物联网开发为例

MCU选型硬件最小系统寄存器级编程难于移植的厂家SDK通信模组 AT指令天线电路设计外围电路设计传感器驱动…….基本软件、硬件测试…….通信软件数据库、WEB、APP

时间：>N个月 (N=?)人才要求：>=硕士或工作N年有一定经验的本科

一般物联网开发过程

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难不难：难难在何处？硬件、软件、协同

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如何办？

把难度将下来！

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把硬件难度降下来!

金葫芦IoT-GEC是融合微控制器MCU及其最小硬件系统、通信模组、eSIM卡等于一体的面向NB-IoT物联网开发的通用嵌入式计算机。IoT-GEC系统根据不同应用场景，融合GPS/北斗、ZIGBEE、传感器接口等组件，形成了IoT-GEC面向各类物联网应用的通用嵌入式计算机系列。还提供了云转发、流量套餐等业务服务。

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把UE软件难度降下来!

面向窄带物联网的通用嵌入式计算机GEC，内部驻留了基本输入输出系统（Basic Input and Output Sysrem，BIOS），它是在终端User程序运行之前执行的代码。（1）初始化系统时钟及有关硬件设备；（2）建立中断向量及硬件驱动内存空间映射、为User程序的建立基本环境；（3）为User程序提供基本硬件构件接口，即应用程序编程接口（ApplicationProgramming Interface，API）；（4）提供用户程序本地及远程更新；（5）转向用户程序执行等功能。

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把HCI软件难度降下来!

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提供全部源代码！

照葫芦画瓢：比喻照着样子模仿，表示简单易行之含义。古希腊哲学家亚里士多德说过：“人从儿童时期起就有模仿本能，他们用模仿而获得了最初的知识，模仿就是学习”。孟子则曰：“大匠诲人必以规矩，学者亦必以规矩”。借此，期望通过建立符合软件工程基本原理的“葫芦”，为“依葫芦画瓢”提供坚实基础，达到降低NB-IoT应用开发难度之目标。

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为什么要“照葫芦画瓢”

六、金葫芦—“照葫芦画瓢”开发方法六、金葫芦—“照葫芦画瓢”开发方法

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“照葫芦画瓢”例—NB-IoT燃气表


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“照葫芦画瓢”例—NB-IoT冷链物流


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“照葫芦画瓢”例—NB-IoT实验室管家


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“照葫芦画瓢”例—PLC传输


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“照葫芦画瓢”例—TE六个传感器


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可以画很多很多瓢


谢谢

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