姚云霞，彭仁杰，唐 婷

（隴東學(xué)院信息工程學(xué)院，甘肅 慶陽(yáng) 745000）

1 NB-IoT 技術(shù)提出的背景

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）即窄帶物聯(lián)網(wǎng)，也被叫作低功耗廣域網(wǎng)，是發(fā)端于蜂窩的NB-IoT 的新技術(shù)，隸屬物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)，滿足低功耗電子模塊部署在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)通信。國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）2020 年7 月召開(kāi)的ITURWP5D 會(huì)議做出重大決議：NB-IoT 和NR 一起正式成為5G 標(biāo)準(zhǔn)。至此，NB-IoT 技術(shù)正式有了官方定義，成為構(gòu)建萬(wàn)物互聯(lián)智能世界的基石。NB-IoT 正式納入5G 標(biāo)準(zhǔn)，三大核心支持標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)就緒，5G 商用加速NB-IoT 劃歸5G 意味著NBIoT 可在NRin-band 部署，支持接入5G 核心網(wǎng)；同時(shí)，NB-IoT3GPP 標(biāo)準(zhǔn)將持續(xù)演進(jìn)，成為5G mMTC場(chǎng)景核心支持標(biāo)準(zhǔn)[1～3]。

工信部官方網(wǎng)站發(fā)布《工業(yè)和信息化部辦公廳關(guān)于深入推進(jìn)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)全面發(fā)展的通知》，要求推動(dòng)2G/3G 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)遷移轉(zhuǎn)網(wǎng)，建立NB-IoT、4G和5G 協(xié)同發(fā)展的移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)綜合生態(tài)體系。截至2020 年末，窄帶物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)普及縣級(jí)以上城市主城區(qū)，重點(diǎn)地區(qū)或城市增強(qiáng)建設(shè)密度；移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)在全國(guó)范圍內(nèi)連接數(shù)逼近12 億。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)定義了構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)專網(wǎng)的技術(shù)規(guī)范，廣泛應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域、消費(fèi)領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、公共事業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域等方面[4,5]。

2 NB-IoT 的國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

2019 年11 月，全球NB-IoT 連接數(shù)近7000 萬(wàn)；2020 年1 月，全球連接數(shù)突破1 億；2 月，僅中國(guó)連接數(shù)突破1 億；如今，全球連接數(shù)已增加到1.4 億。短短1 年時(shí)間，NB-IoT 連接數(shù)量就實(shí)現(xiàn)了翻番，產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)其實(shí)施過(guò)程達(dá)到全球產(chǎn)業(yè)鏈的大范圍承認(rèn)與支持，被管理機(jī)構(gòu)編進(jìn)全球5G 標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)成為NB－IoT 產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展最為完善的國(guó)家。而在歐洲市場(chǎng)則是德國(guó)、挪威和西班牙等國(guó)家。在國(guó)內(nèi)，NB-IoT 氣表、水表等先發(fā)應(yīng)用不斷加速，繼去年突破1000 萬(wàn)后，目前又雙雙突破2000 萬(wàn)；NBIoT 煙感、電動(dòng)車等應(yīng)用迅速起量，目前已分別逼近1000 萬(wàn)規(guī)模；在先發(fā)行業(yè)的帶動(dòng)下，越來(lái)越多的行業(yè)加入NB-IoT 陣營(yíng)，呈現(xiàn)出共享白電、智慧路燈、智慧停車、智慧農(nóng)業(yè)、智能門鎖、智能跟蹤、智能水表、智能停車、智能路燈、智能煤氣管網(wǎng)系統(tǒng)、智能監(jiān)控、智能環(huán)保等一大批百萬(wàn)級(jí)的應(yīng)用，并且由點(diǎn)及面，向全國(guó)規(guī)模推廣[6-9]。

在海外，NB-IoT 也全面加速發(fā)展。據(jù)GSMA 統(tǒng)計(jì)，截至2020 年9 月，海外蜂窩LPWA 連接數(shù)超過(guò)4000 萬(wàn)，比去年同期增長(zhǎng)了148%。海外10 余個(gè)國(guó)家20 余個(gè)大顆粒NB-IoT 項(xiàng)目正在部署、招標(biāo)或籌備中，例如意大利100 萬(wàn)只NB-IoT 氣表項(xiàng)目、比利時(shí)自行車、韓國(guó)充電樁、泰國(guó)路燈等10 萬(wàn)級(jí)項(xiàng)目即將部署完成，沙特750 萬(wàn)只和瑞典290 萬(wàn)只NB-IoT電表項(xiàng)目正在部署，新加坡、斯里蘭卡等地NB-IoT電表/水表項(xiàng)目正在招標(biāo)中。

3 NB-IoT 的應(yīng)用場(chǎng)景

5GmMTC 的核心要求是連接密度達(dá)到每平方公里100 萬(wàn)設(shè)備連接，NB-IoT 能夠提供海量連接，200kHz 的頻率可以提供10 萬(wàn)個(gè)連接。從技術(shù)角度看，NB-IoT 確實(shí)滿足了ITU 對(duì)5G 低功耗、廣覆蓋的愿景和要求。5G 更廣闊的市場(chǎng)是各垂直行業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)需求，助力各垂直行業(yè)帶來(lái)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。NBIoT 從誕生之初就定位于面向物與物的通信，近年來(lái)持續(xù)服務(wù)于大量行業(yè)，提升、優(yōu)化甚至改變了一些行業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)。借助NB-IoT 的應(yīng)用，智能停車、智能消防、智能水務(wù)、智能路燈、共享單車和智能家電等成為深刻影響個(gè)人消費(fèi)市場(chǎng)的典型應(yīng)用場(chǎng)景。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)正在智慧安防、智慧農(nóng)業(yè)、智慧城市、智能交通、智慧醫(yī)療、智能家居等領(lǐng)域展示出不可取代的地位，加速眾多領(lǐng)域應(yīng)用的協(xié)調(diào)發(fā)展，需求層面正在持續(xù)擴(kuò)大。查閱5G+物聯(lián)產(chǎn)業(yè)高峰論壇的材料，到2019 年11 月，窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水、氣表都超過(guò)1000 萬(wàn)，智慧消防達(dá)到400 萬(wàn)，市政設(shè)施達(dá)到200 萬(wàn)，智慧停車達(dá)到100 萬(wàn)?？梢郧宄吹剑瓗锫?lián)網(wǎng)技術(shù)早已成為實(shí)施智慧型城市戰(zhàn)略的支撐技術(shù)。

智能煙感，能完成報(bào)警信息的各方面快捷傳達(dá)。普通火災(zāi)監(jiān)測(cè)設(shè)備信號(hào)借助消防總線發(fā)送，萬(wàn)一監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)生紊亂狀況，報(bào)警信息只可發(fā)送到消防總控中心，對(duì)可能即將發(fā)生的煙氣、燃?xì)鈭?bào)警、故障問(wèn)題，難以立即實(shí)時(shí)高效快速接收解決報(bào)警信息。對(duì)此，窄帶物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)滿足大數(shù)量連接，傳感設(shè)備高效監(jiān)測(cè)煙氣，只要煙氣濃度超過(guò)設(shè)定閾值，則可以借助窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)徑直傳輸信號(hào)到達(dá)控制中心。此外，窄帶物聯(lián)網(wǎng)信號(hào)輻射力強(qiáng)，能夠達(dá)到建筑物的最外邊緣邊角。2019 年，中消云物聯(lián)網(wǎng)研究院許春玉透露，當(dāng)下熟悉的14 種使用領(lǐng)域的消防設(shè)備需要的數(shù)量多于40 億。

智能井蓋的實(shí)際需求多于千億。普通的井蓋監(jiān)管主要借助人工巡檢，難以實(shí)時(shí)瞬間得知井蓋異常消息，也查詢不出負(fù)責(zé)人員，人工運(yùn)行維護(hù)代價(jià)高昂，負(fù)責(zé)人難以實(shí)時(shí)監(jiān)督與聯(lián)系。而在井蓋中內(nèi)置的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)智慧監(jiān)測(cè)模塊，可瞬間快速檢查出井蓋的位置異常狀態(tài)、井蓋上面的道路積水、井下水位等狀態(tài)，同時(shí)完成相關(guān)查詢匯總。尚普咨詢數(shù)據(jù)表明，一、二線城市智慧井蓋需求大概達(dá)到277億元，全國(guó)范圍能智慧井蓋需求達(dá)到1114 億元。

智慧垃圾桶可以幫助建設(shè)智能環(huán)衛(wèi)體系。顯然，具備“低功耗，廣覆蓋”的優(yōu)點(diǎn)和窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的定位功能，市政管理部門可以科學(xué)調(diào)節(jié)環(huán)境工作者的工作繁重和保潔路線。這樣改善了環(huán)衛(wèi)管理體系；另一方面還可以定位范圍內(nèi)垃圾收集設(shè)備故障狀態(tài)，實(shí)時(shí)進(jìn)行查詢安排。同時(shí)也能夠自動(dòng)辨別丟棄物，保證丟棄物分類能夠快速，同時(shí)完成高效監(jiān)測(cè)。中國(guó)報(bào)告網(wǎng)數(shù)據(jù)表明46 個(gè)關(guān)鍵城市垃圾收集設(shè)備實(shí)際缺少3.70 億個(gè)，337 個(gè)地級(jí)市丟棄物收集設(shè)備實(shí)際缺少4.66 億個(gè)。

4 NB-IoT 應(yīng)用于土壤環(huán)境監(jiān)測(cè)

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用主要集中在農(nóng)業(yè)科技園區(qū)中，主要用于溫室大棚等精準(zhǔn)設(shè)施農(nóng)業(yè)中，在大田生產(chǎn)應(yīng)用推廣方面明顯滯后。大田生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)在野外大田環(huán)境下安裝，受到野外環(huán)境干擾很多，完成精準(zhǔn)檢測(cè)、調(diào)控的技術(shù)難點(diǎn)也沒(méi)有克服。再說(shuō)，成套的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品一次性經(jīng)費(fèi)投入高。本項(xiàng)目探索物聯(lián)網(wǎng)在大田作物生產(chǎn)上的技術(shù)應(yīng)用模式和機(jī)制，擬設(shè)計(jì)出適合黃土塬地貌土質(zhì)特色的物聯(lián)網(wǎng)成套檢測(cè)設(shè)備產(chǎn)品[10]。

鑒于大田農(nóng)業(yè)種植分布廣、監(jiān)測(cè)點(diǎn)多、電路布線以及充電不方便等因素特征，采用前沿物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，安裝部署高精度高分辨率的土壤溫濕度傳感器，遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)土壤溫濕度，完成墑情和農(nóng)藥污染等智能預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等任務(wù)?；贜B-IoT 模組，將傳感器數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)皆贫朔?wù)器或給種植者手機(jī)發(fā)送警報(bào)。設(shè)計(jì)出大田農(nóng)業(yè)種植測(cè)控設(shè)備，便于安裝、操作。本項(xiàng)目采用的均是低功耗、低成本且精密程度較高的芯片，產(chǎn)品的可操作性強(qiáng)，維護(hù)周期長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，能夠廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大田種植。

NB-IoT 模組默認(rèn)通信方式為AT 指令，工業(yè)領(lǐng)域中操作相對(duì)復(fù)雜。電信ME3616 通過(guò)模組內(nèi)部OpenCPU，利用NB 卡和運(yùn)營(yíng)商N(yùn)B-IoT 網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)串口和目標(biāo)設(shè)備相連接，實(shí)現(xiàn)了本地串口到用戶服務(wù)器的透?jìng)鲬?yīng)用。ME3616 是一個(gè)透?jìng)髂＝M，可輕松實(shí)現(xiàn)串口到網(wǎng)絡(luò)的雙向數(shù)據(jù)透明傳輸，解決了工控設(shè)備和應(yīng)用服務(wù)器數(shù)據(jù)交互的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)更簡(jiǎn)單。還有其他通信模組，如移動(dòng)M5311 NB 模組、移遠(yuǎn)BC28 NB 模組。2020 年，移遠(yuǎn)通信基于海思Boudica 150 芯片開(kāi)發(fā)的NB-IoT 模組出貨量繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)。截至2020 年第三季度末，基于海思平臺(tái)的移遠(yuǎn)NB-IoT 模組累計(jì)出貨量已經(jīng)超過(guò)4,000 萬(wàn)片[11]。

NB-IoT 具有多連接、低功耗的特點(diǎn)，可同時(shí)接入多個(gè)傳感器，同時(shí)采集多樣化土壤墑情參數(shù)，包括土壤溫度、濕度、PH 值、電導(dǎo)率等，實(shí)時(shí)將采集的信息上報(bào)云數(shù)據(jù)中心。土壤環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架如圖1 所示。系統(tǒng)按照物聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括感知層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。該系統(tǒng)以STM32F429 嵌入式芯片為主控制器，感知層通過(guò)傳感器采集溫濕度及重金屬含量等環(huán)境數(shù)據(jù)，傳輸層使用中移物聯(lián)M5310A 模塊將感知層數(shù)據(jù)輸出到云平臺(tái)，應(yīng)用層使用手機(jī)APP 實(shí)時(shí)觀看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確采集和上傳相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)，方便用戶遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

圖1 土壤環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

5 總結(jié)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分。窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)立足蜂窩網(wǎng)絡(luò)，僅占用差不多180kHz 的頻率帶寬。窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)直接安裝于GSM 網(wǎng)絡(luò)、UMTS 網(wǎng)絡(luò)或LTE 網(wǎng)絡(luò)，能夠減少安裝成本、完成簡(jiǎn)易更新。雖然窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)面臨著大好的形勢(shì)，但其也面臨著來(lái)自LPWA 技術(shù)的挑戰(zhàn)。

LPWA 是低功耗廣域技術(shù)的簡(jiǎn)稱，使用較低功耗實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的無(wú)線信號(hào)傳輸。和傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（2G、3G）相比，LPWA 的功耗更低，電池供電的設(shè)備使用壽命可達(dá)數(shù)年?；谶@兩個(gè)顯著特點(diǎn)，LPWA 可以真正實(shí)現(xiàn)物物互聯(lián)，助力和引領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）革命。正因?yàn)長(zhǎng)PWA 具備與NB－IoT 相同的性能，這也導(dǎo)致NB－IoT 被一定的限制。同時(shí)，NB－IoT設(shè)備傳輸速率低，而LTE－M 等新興技術(shù)相比NBIoT 具有更高的傳輸速率，可以在一定環(huán)境中替代NB－IoT。隨著CAT M1 和CAT NB1／NB2 的雙模式芯片組的開(kāi)發(fā)，將有效提升NB－IoT 對(duì)LTE－M 的競(jìng)爭(zhēng)力。