NB-IoT在電梯物聯網應用前景的分析

丁 杰

（江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院無錫分院 無錫 214174）

1 電梯物聯網的發展現狀

電梯物聯網即利用物聯網技術，通過前端設備采集電梯信息，通過網絡將電梯信息上傳至監控平臺，實現各相關單位對電梯實時有效的監管維護，電梯物聯網監控平臺架構如圖1所示。電梯物聯網平臺將采集的電梯運行數據、故障信息、報警信息進行存儲、分析并結合BI等應用軟件將電梯狀態直觀形象的展示，使電梯企業、政府部門、維保企業、物業公司、電梯乘客能夠及時了解電梯基本信息、運行情況，電梯開展的生命周期管理，有效保障電梯的安全可靠運行，為后續電梯按需維保提供數據支撐。

全國多個城市都在試點開發電梯物聯網安全運行監管系統與平臺，由于缺少業內統一標準，各地平臺都存在地方特色，加上數據融合共享困難等問題，未能形成有效的系統建設推廣模式。就前端采集設備的信息傳輸方式，目前電梯物聯網系統主要采用移動網絡（2G、3G、4G）、自組網（LoRa、ZigBee）和寬帶網絡。電梯物聯網中的傳輸設備主要工作場景如下：1）電梯工作時，狀態發生變化，狀態信息實時上報，上報間隔通常是秒級；2）電梯不工作時，狀態信息需要定時上報心跳信息，以確保該電梯已接入平臺且采集設備工作正常，上報間隔通常是分鐘級；3）平臺需要查看指定電梯時，通過下達指令，將指定梯的實時狀態發送至平臺；4）電梯發生故障或者困人等緊急情況時，需要及時上報報警信息和故障信息。在電梯物聯網應用中，通過傳輸協議的優化，單臺設備單次傳輸的數據量通常為幾十個字節，傳輸具有數據量小且有一定的突發性的特點，而現階段這種低速率業務還沒有很好的蜂窩技術來滿足，在很多的情況下只能使用2G、3G等技術支撐，造成資源的浪費以及運維成本的增加，這也是電梯物聯網推廣困難的一個重要因素。

圖1 電梯物聯網架構圖

2 NB-IoT的發展

隨著網絡的發展，智能終端和傳感設備的日趨普及，大數據迅猛發展的大背景下，移動通信已由移動互聯向萬物互聯演變，而60%的物物互聯，屬于低速率業務。NB-IoT的信道帶寬180kHz，采用半雙工工作模式，上行速率不超過250kbps，下行速率不超過20kbps，支持低功耗和重傳機制，具有海量接入能力。NB-IoT通過電信運營商運營，可以部署在現有GSM網絡（2G）、UMTS網絡（3G）或LTE網絡（4G），網絡信號明顯增強，可支持10km的長距離傳輸。NB-IoT的這些技術屬性特別適用于像電梯物聯網這種無須移動，小數據量，對時延不敏感的實時數據傳輸業務。NB-IoT解決方案架構如圖2所示。

圖2 NB-IoT解決方案架構

3 NB-IoT在電梯物聯網應用的可行性與優勢

3.1 技術先進性

隨著科技的發展，越來越多的物聯網設備將接入網絡，DHL和思科聯合發布了一份關注于物聯網（IOT）的“趨勢報告”，報告顯示，到2020年，全球通過互聯網連接的設備將由現在的150億美元增長到500億美元，在如此巨大的接入量面前，可靠穩定的物聯網的通信就顯得尤為重要。目前我國大多數城市的電梯物聯網平臺采用GPRS或者3G通信，隨著通信技術的發展，后期2G將普遍退網，而3G模組和通信資費較高，考慮后期升級維護成本，GPRS和3G模式不利于大規模的推廣布設。與此同時NB-IoT比2G/3G/4G有50～100倍的上行容量提升，在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現有無線技術提供50～100倍的接入數，支持接入控制和QoS。NBIoT能夠通過獨立部署、保護帶部署、帶內部署三種方式，在現有GSM、LTE上完成新建、復用和升級。現有電梯物聯網平臺的升級改造，僅需更換前端傳輸模塊，軟件平臺的數據接口做適應性修改，平臺上層應用不需要做任何更改，即可快速、平滑的完成電梯物聯網傳輸協議的轉換過渡。

3.2 安全可靠性

電梯物聯網平臺需要入網電梯與平臺之間的數據交互能夠持久的安全穩定可靠，不易被竊取。NBIoT繼承4G網絡安全能力，支持雙向鑒權以及空口嚴格加密，確保用戶數據的安全性，且能提供電信級的可靠性接入。同時NB-IoT技術能實現比GSM好20dB以上的覆蓋增益，覆蓋面積擴大100倍。國內電信運營商已在現有網絡800MHz、900MHz頻段上開始部署，低頻段承載，具有信號穿透能力更強、覆蓋能力優的特點，結合運營商的基站使用可以覆蓋幾乎每一個角落，確保在不同物理環境下通信質量更穩定。圖3和圖4分別是NB-IoT在不同耦合損耗下上報有效載荷分別是65字節和100字節的緊急數據時，可靠率達到90%和99%情況下的網絡延時，由此可見NB-IoT的通信能力基本可以滿足現有電梯物聯網數據的通信要求。

圖3 90%可靠率傳輸延時

圖4 99%可靠率傳輸延時

3.3 經濟性

NB-IoT通過采用180kHz的窄帶設計，低采樣率，半雙工的工作模式，簡化了通信協議棧，減少片內FLASH/RAM，單片SoC內置功放等技術手段使得硬件成本下降，終端芯片價格低至$1，模組成本與同類產品相比也是優勢明顯，如圖5所示。在流量資費方面，目前中國電信已推出NB-IoT業務套餐如圖6所示，根據電梯物聯網數據通信的實際情況，單臺電梯的通信費用為40元/年，比現有的GPRS、3G費用低的多。在布網方面，由于環境的特殊性，以往在轎頂或者井道安裝傳感設備，需要通過無線網橋或者電力載波通訊，造成成本的大幅提高，NB-IoT良好的覆蓋性可以很好地解決這個問題。

圖5 物聯網產品成本

圖6 電信NB-IoT套餐

3.4 可擴展性

NB-IoT在R14計劃推出定位功能，電梯物聯網平臺可以動態刷新電梯位置，同時還能減少電梯坐標錄入和維護工作，為電梯維護和應急救援業務開展提供便利。

目前電梯物聯網采集的是電梯功能性參數，主要包括電梯上下行，開關門等運行數據以及故障報警信息，而缺少對電梯環境以及乘坐舒適性的指標參數監管。NB-IoT支持低功耗，能夠5～8年的長待機，可以滿足更多使用場景的需求。在轎廂頂部安裝測量加速度和震動值傳感器設備，通過設置報警閾值，當電梯加速度或者震動超限時，即可喚醒NB-IoT模塊將報警信息上傳至服務平臺，并告知維保人員，實現及時發現問題，快速解決問題的處理機制，減少用戶的投訴及抱怨。當因電梯井道的質量問題導致漏水，或機房滲水到井道等異常情況造成底坑積水時，電梯的部分電氣元件、機械裝置被水浸泡或者由于受潮而出現生銹，都將對電梯造成巨大安全隱患。而在底坑安裝積水傳感設備，通過NB-IoT信號強大的穿透和覆蓋能力，以及便捷的維護，使得底坑環境的監控成為可能。

NB-IoT為電梯運行的全面監控，提供了良好的通信傳輸，更全面的電梯數據能夠為后期基于大數據的電梯安全風險評估提供支持。

4 結束語

無線通信技術是物物相連的紐帶，也是電梯物聯網亟待突破的關鍵技術，只有感知層、傳輸層、應用層都有了穩定可靠的技術支撐，且經濟性獲得市場的認可，整個產業才能發展起來，才能讓電梯物聯網真正為政府、電梯企業、維保企業、物業單位、電梯用戶帶來利益和便利。

[1] GB/T 24476—2017 電梯、自動扶梯和自動人行道物聯網的技術規范[S].

[2] 劉傳清，劉化君.無線傳感網技術[M]. 北京：電子工業出版社， 2015.

[3] 戴博，袁弋非，余媛芳.窄帶物聯網(NB-IoT)標準與關鍵技術[M].北京：人民郵電出版社，2016.