NB-IoT在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用問題及應(yīng)對策略

摘? 要：如今，世界已經(jīng)進(jìn)入萬物互聯(lián)的時代，物聯(lián)網(wǎng)與我們的日常生活和工作息息相關(guān)。NB-IoT屬于低速率、窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的范疇，在物聯(lián)網(wǎng)中使用NB-IoT技術(shù)，需要全面了解NB-IoT技術(shù)的應(yīng)用架構(gòu)和特征，以實(shí)際的使用需求為導(dǎo)向，顯著提升其使用價值。本文以智慧水務(wù)為例，詳細(xì)分析了NB-IoT技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)智慧水務(wù)的相關(guān)信息，為智慧水務(wù)的良性發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：NB-loT;物聯(lián)網(wǎng);應(yīng)用問題;應(yīng)對策略

中圖分類號：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）18-0182-04

Abstract： Today， the world has entered the era of interconnection of all things. The internet of things is closely related to our daily life and work. NB-IoT belongs to the category of low rate， narrowband internet of things communication technology. To use NB-IoT technology in the internet of things， it is needed to fully understand the application architecture and characteristics of NB-IoT technology， and significantly improve its use value guided by the actual use demand. Taking smart water as an example， this paper analyzes the relevant information of NB-IoT technology internet of things smart water in detail， which lays a solid foundation for the sound development of smart water.

Keywords： NB-loT; internet of things; application problem; countermeasure

0? 引? 言

窄帶物聯(lián)網(wǎng)的簡稱是NB-IoT技術(shù)，也被稱之為低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN），屬于新興的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，包含在物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)體系中，其優(yōu)勢是能夠在表計(jì)的數(shù)據(jù)抄讀中發(fā)揮積極作用。物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)為NB-IoT技術(shù)，能夠在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接時為低功率設(shè)備提供可靠的支持，數(shù)據(jù)收發(fā)主要是通過移動運(yùn)營商基站得以實(shí)現(xiàn)的，與手機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)通信比較接近。NB-IoT技術(shù)占用的頻段為180 kHz，對GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)、LTE網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)直接的部署。NB-IoT技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢表現(xiàn)在穿透能力強(qiáng)、覆蓋范圍廣、網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備連接效率高等，對于那些短時間在線的設(shè)備來說，NB-IoT技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用效果非常明顯，從本質(zhì)上解決了物聯(lián)網(wǎng)的連接問題。

1? NB-IoT 技術(shù)特征

NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)在實(shí)際應(yīng)用優(yōu)勢明顯，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）連接量巨大。在使用NB-IoT技術(shù)以后，海量連接的目標(biāo)得以真正地實(shí)現(xiàn)。例如，在某小區(qū)里，物聯(lián)網(wǎng)能夠?yàn)樾^(qū)中的十多萬用戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，而傳統(tǒng)接入點(diǎn)只能達(dá)到NB-IoT技術(shù)接入量的十分之一左右，由此可見NB-IoT技術(shù)連接量之巨大。

（2）覆蓋深度廣。與4G技術(shù)相比，NB-IoT技術(shù)的覆蓋深度非常大，增益能夠達(dá)到20 dB左右，而4G技術(shù)的發(fā)射功率不足NB-IoT技術(shù)的1%，因此，NB-IoT技術(shù)的覆蓋范圍是4G技術(shù)的百倍以上。NB-IoT技術(shù)的信號和穿透力都比較強(qiáng)，不管是地下室，還是暗井，其信號強(qiáng)度都比較強(qiáng)。

（3）節(jié)能性優(yōu)越。NB-IoT技術(shù)以超低能耗模式為主，其非連接性接收的節(jié)能技術(shù)具有較強(qiáng)的拓展性，如果不是傳輸時段，終端設(shè)備會自動處于休眠的狀態(tài)，這就使得終端設(shè)備中的電池壽命得以延長，提升設(shè)備的運(yùn)行效能。

（4）穩(wěn)定性較強(qiáng)。NB-IoT技術(shù)設(shè)置了專用的窄帶頻段，與數(shù)據(jù)帶寬、語言等網(wǎng)絡(luò)因素不會發(fā)生任何的沖突，顯著地提升了物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

（5）經(jīng)濟(jì)性良好。在硬件和物理層面上NB-IoT技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，該技術(shù)使用起來非常方便，與當(dāng)前流行的4G技術(shù)和即將普及的5G技術(shù)相比，其不會涉及中間數(shù)據(jù)采集設(shè)備的問題，節(jié)省了一筆不小的開支，并且其資費(fèi)非常低。

2? 在物聯(lián)網(wǎng)中NB-IoT技術(shù)的架構(gòu)與層次分析

NB-IoT技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)主要包括應(yīng)用層、開發(fā)層、服務(wù)支撐層、元數(shù)據(jù)層、物理層等五個部分，做好物聯(lián)網(wǎng)層次與架構(gòu)分析工作，充分發(fā)揮NB-IoT技術(shù)的優(yōu)勢，顯著提升物聯(lián)網(wǎng)的使用價值。NB-IoT技術(shù)的架構(gòu)圖如圖1所示。

（1）感知層。NB-IoT技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)的感知層以各種各樣的形式存在，由不同的傳感器構(gòu)成，不僅包括紅外線傳感器，還包括多種傳感器感知終端，比如溫濕度傳感器、超聲波傳感器等。在物聯(lián)網(wǎng)中采集和識別不同設(shè)備的傳感器是感知層的主要作用，實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)信息的高效獲取。

（2）網(wǎng)絡(luò)層。云平臺和窄帶網(wǎng)絡(luò)管理平臺是NB-IoT技術(shù)網(wǎng)絡(luò)層的主要組成部分，感知層將所獲取的信息通過網(wǎng)絡(luò)層快速、準(zhǔn)確地傳遞出去。

（3）應(yīng)用層。在物聯(lián)網(wǎng)中，應(yīng)用層向用戶窗口發(fā)送各類指令，使其實(shí)現(xiàn)智能化、多元化的功用，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的高水平解析。

3? NB-IoT技術(shù)應(yīng)用

3.1? 智慧井蓋

在城市化進(jìn)程不斷加快的同時，電力、水務(wù)、運(yùn)營商和市政管網(wǎng)的規(guī)模也隨之增加，管網(wǎng)井蓋出現(xiàn)丟失或損壞的情況勢必會給公眾生命財產(chǎn)安全造成一定的影響，導(dǎo)致其他行業(yè)管道資源無法實(shí)現(xiàn)高效的全覆蓋。井蓋看似是一個極小的物件，但是它所發(fā)揮的作用卻是不容小覷的。市政、電力和通信等行業(yè)戶外管道在使用智能井蓋監(jiān)控系統(tǒng)以后，使其管理能力發(fā)生了巨大的改變。智能井蓋監(jiān)控系統(tǒng)借助移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)快速處理各類問題，并將所搜集的各種數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)奖O(jiān)控終端，為監(jiān)控終端的數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支持。設(shè)備層、業(yè)務(wù)層和應(yīng)用層構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，設(shè)備內(nèi)置的通信模塊為設(shè)備層，使用LoRa、NB-IoT、GPRS等無線接入模式，由數(shù)據(jù)采集層將各項(xiàng)信息整合在一起后，向業(yè)務(wù)應(yīng)用部門提供端口，用戶根據(jù)自身的情況編寫應(yīng)用程序，發(fā)布在平臺上。

3.2? 智慧路燈

日常生活中，照明系統(tǒng)始終發(fā)揮著積極作用。依據(jù)應(yīng)用形式的不同，照明系統(tǒng)分為應(yīng)急、公共、辦公和家庭等幾種照明形式。在資源逐漸匱乏的時代背景下，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為時代發(fā)展的核心。辦公照明和公共照明的能源消耗最為嚴(yán)重，其特征表現(xiàn)為設(shè)備功率比較大、節(jié)能空間充足等。采用集中運(yùn)營模式以后，工作人員定期檢查照明設(shè)備的使用情況，用戶主動上報照明設(shè)備的維護(hù)和使用情況。為了將照明成本和能源損耗降至最低，當(dāng)務(wù)之急就是加快智能化照明管理控制系統(tǒng)的使用范圍，推動節(jié)能降耗工作取得最佳的效果。智能照明的具體情況如圖2所示。

3.3? 智慧農(nóng)業(yè)

智慧農(nóng)業(yè)充分利用了當(dāng)代信息技術(shù)成果，并與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)地融合在一起，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動實(shí)現(xiàn)智能化管理。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)場地中配置不同的傳感節(jié)點(diǎn)、預(yù)警決策裝置、智能感知裝置，為農(nóng)業(yè)種植提供可靠的信息來源，加快農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的步伐。NB-IoT技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)為架構(gòu)優(yōu)、成本低、連接多、覆蓋范圍廣以及能耗低等，促使智慧農(nóng)業(yè)在絕大多數(shù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中得以全面的推廣，顯著提升智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的安全性。

在智慧農(nóng)業(yè)的建設(shè)過程中，通過創(chuàng)建多渠道的信息服務(wù)通道，加快了現(xiàn)代信息技術(shù)融入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)加工的速度，促使傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理模式發(fā)生巨大的改變，實(shí)現(xiàn)了飼養(yǎng)動物與種植農(nóng)作物的精細(xì)化管理，帶動農(nóng)業(yè)改造朝著更優(yōu)的方向發(fā)展，推動農(nóng)村與農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)、健康發(fā)展。

以NB-IoT技術(shù)為核心的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的使用范圍非常廣，比如，農(nóng)產(chǎn)品電子商務(wù)、農(nóng)藥殘留檢測、冷鏈物流、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯、食用菌、溫室大棚、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及農(nóng)田種植等。將傳感器與NB-IoT技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了全密封設(shè)計(jì)，顯著提升了其可靠性和安全性，并將成本投入降到最低。與NB-IoT技術(shù)移動基站通信建立密切聯(lián)系以后，各類農(nóng)業(yè)場景中安裝了先進(jìn)的設(shè)備，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的具體情況如圖3所示。

3.4? 智慧交通

智慧交通中經(jīng)常使用的設(shè)備有前端手持收費(fèi)終端、后臺管理中心、云平臺服務(wù)器、無線數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)、無線數(shù)據(jù)采集器、地磁探測器，等等。通常情況下使用的主要網(wǎng)絡(luò)為LoRa組網(wǎng)，借助GPRS、ZigBee將數(shù)據(jù)快速上傳到后臺中。這種多協(xié)議、多節(jié)點(diǎn)的傳輸模式，使數(shù)據(jù)量較大的占道停車項(xiàng)目中容易出現(xiàn)部分節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息丟失的情況，需要采取人工干預(yù)的措施予以補(bǔ)救。該模式導(dǎo)致維護(hù)成本不斷增加，如果設(shè)備出現(xiàn)故障以后得不到及時的修復(fù)，就會給客戶造成不同程度的損失。

NB-IoT技術(shù)占道停車收費(fèi)管理系統(tǒng)包含的設(shè)備非常多，比如，前端手持收費(fèi)終端、后臺管理中心、云平臺服務(wù)器、NB-IoT基站、NB-IoT地磁車位探測儀等。目前使用的NB-IoT技術(shù)占道停車系統(tǒng)的主要傳輸手段為基站，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸，設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行得到保證，同時還使設(shè)備的數(shù)據(jù)資源共享得以快速地實(shí)現(xiàn)。

4? 以智慧水務(wù)為例，分析物聯(lián)網(wǎng)中NB-IoT技術(shù)的應(yīng)用

4.1? 應(yīng)用范圍

在智慧水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)中使用NB-IoT技術(shù)，其使用范圍包括智能抄表、水平衡中、監(jiān)測漏點(diǎn)等。本文針對智能抄表展開了相關(guān)的研究，通過使用各種各樣的方式顯著提升了研究的效果。水務(wù)企業(yè)在開展抄表管理工作時，經(jīng)常會遇到各種各樣的問題。水資源與人們的日常生活息息相關(guān)，水表的使用環(huán)境比較潮濕、陰暗，給后期的抄表工作造成了很大的困擾。所以，需要不斷完善抄表技術(shù)，推動水務(wù)企業(yè)實(shí)現(xiàn)良性發(fā)展。

4.2? 需要解決的問題

NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)在智慧水務(wù)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用中存在著一些問題，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）IC卡水表抄表。IC卡水表抄表的付費(fèi)方式以預(yù)付費(fèi)為主，只有用戶事先將費(fèi)用繳納后才能為其提供供水服務(wù)，將人工抄表的問題控制到最少，其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)為用戶易于出現(xiàn)錯誤操作的情況，使得后續(xù)維修的工作量不斷增加，需要維修人員到現(xiàn)場處理相關(guān)問題，給水務(wù)企業(yè)的月底和年底營收核算造成嚴(yán)重的影響，導(dǎo)致水務(wù)企業(yè)診斷盈虧的難度系數(shù)持續(xù)升高。

（2）有線遠(yuǎn)傳水表。有線遠(yuǎn)傳水表借助LET、網(wǎng)線、信號線等有線連接技術(shù)來實(shí)時更新抄表數(shù)據(jù)信息，其缺點(diǎn)表現(xiàn)為數(shù)據(jù)采集設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)路線投入的成本很高，施工難度大，可以在室外安裝線路的用戶能夠獲得良好的效果，而不能在室內(nèi)安裝水表和分散用戶卻不能獲得良好的效果。

（3）GPRS物聯(lián)網(wǎng)水表。GPRS物聯(lián)網(wǎng)水表以2G網(wǎng)絡(luò)為媒介完成水表智能化控制和抄表服務(wù)，適用于對分散用戶的抄表服務(wù)，其缺點(diǎn)表現(xiàn)為投入成本比較高，無線信號不強(qiáng)，內(nèi)置電池容易出現(xiàn)虧電的問題。如今2G網(wǎng)絡(luò)逐漸被運(yùn)營商所淘汰，給GPRS物聯(lián)網(wǎng)水表的使用造成了嚴(yán)重的困擾。

4.3? 應(yīng)用策略

4.3.1? 分析物聯(lián)網(wǎng)抄表應(yīng)用結(jié)構(gòu)

要想提升NB-IoT技術(shù)的使用效果，首先要解決抄表管理中所存在的局限性問題，優(yōu)化升級抄表管理系統(tǒng)，創(chuàng)新抄表智能終端的功能，使水表的智能化水平上升到一個新的高度。在開展此項(xiàng)工作的過程中，NB-IoT技術(shù)發(fā)揮著積極作用。以NB-IoT技術(shù)為核心的物聯(lián)網(wǎng)智能水表的主要組件有水表抄收管理軟件平臺、第三方應(yīng)用服務(wù)器、NB-IoT管理服務(wù)平臺、NB-IoT核心網(wǎng)、運(yùn)營商信號接收模塊以及NB-IoT模組等，如圖4所示。

將水表設(shè)置在應(yīng)用層服務(wù)器里，不需要對線路和采集設(shè)備進(jìn)行設(shè)置，就能為不同類型用戶提供貼心服務(wù)。在物聯(lián)網(wǎng)智能水表中，NB-IoT技術(shù)發(fā)揮出了超強(qiáng)的優(yōu)勢，加快了智慧水務(wù)發(fā)展的速度，同時還向支付寶、微信等繳費(fèi)平臺拓展，促使智能水表互通互聯(lián)得以快速地實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。

4.3.2? 分析物聯(lián)網(wǎng)抄表應(yīng)用過程

進(jìn)一步明確應(yīng)用結(jié)構(gòu)實(shí)施，采取相應(yīng)措施完善應(yīng)用過程。使用以NB-IoT技術(shù)為核心的物聯(lián)網(wǎng)智能水表以后，水務(wù)企業(yè)使用第三方應(yīng)用管理系統(tǒng)來定時抄表，如圖6所示，借助基站實(shí)現(xiàn)了無線聯(lián)網(wǎng)和定時自動抄表，準(zhǔn)確地獲取各用戶水表的數(shù)據(jù)信息，水表自動完成智能待機(jī)，節(jié)省電池和流量的消耗。

在回傳數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)被傳送到平臺上，平臺將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_中，服務(wù)器再從云平臺中獲得用戶的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)了對用戶用水情況的有效監(jiān)管，數(shù)據(jù)獲取也打破了時空束縛。水務(wù)企業(yè)根據(jù)自己的需求，對服務(wù)器中存儲的信息進(jìn)行分析、匯總，判斷用戶的用水情況，及時發(fā)現(xiàn)問題，立即采取應(yīng)對措施。用戶實(shí)現(xiàn)自主繳費(fèi)以后，可依據(jù)自身情況選擇最為便利的繳費(fèi)方式，顯著地提升了水務(wù)企業(yè)服務(wù)用戶的效率。

5? 結(jié)? 論

在物聯(lián)網(wǎng)中采用NB-IoT技術(shù)，為萬物互聯(lián)提供了一定的技術(shù)保障，其使用范圍較為廣泛，逐漸滲透到各行各業(yè)。因此，NB-IoT技術(shù)不斷演變?yōu)槲锫?lián)網(wǎng)發(fā)展的核心要素。如今5G技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已走進(jìn)人們生活的方方面面，隨著AI技術(shù)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)必將隨之發(fā)生翻天覆地的變化，給人們的生活帶來巨大的便利。

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作者簡介：肖祖才（1974.08—），男，漢族，貴州貴陽人，工程師，本科，研究方向：計(jì)量設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化安全管理研究。