NB-IoT成为利器，物联网云服务平台如何卡位？

文／杨剑勇

物联网发展已是全球趋势，预计将创造数万亿美元经济价值。各国都已制订了相应的国家发展战略，为全球经济注入增长动力。因传输层作为实现万物互联的基础，支持海量设备的传输通信驱动着物联网产业发展，更是迎来全球布局，其中较为凸显的是NB-IoT技术，因其有广泛覆盖、支撑海量连接、更低的功耗等优势，以及随着NB-IoT生态的逐渐完善，将有利推动物联网在全球范围内快速发展 ，因此各链条关键企业均在积极推动。

什么是NB-IoT？

NB-IoT全称是蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT），万物互联网络的一个重要分支，也被叫做低功耗广域网(LPWA)，面向低耗流物联网终端，适合广泛部署在智慧城市、智慧交通、智能生产和智能家居，2016年6月16日在韩国釜山召开的3GPP RAN全会第72次会议上NB-IoT标准确定，预示着物联网建设提速。

NB-IoT只消耗大约180kHz的频段，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT支持待机时间短、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说NB-IoT设备电池寿命可以提高至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。

近日，Lux Research称，由于覆盖范围和可靠性的扩大，NB-IoT将主导LPWAN，预计到2022年，NB-IoT将会成为物联网时代下的赢家，为物联网中连接数以十亿台设备，到2022年，NB-IoT可能会捕获到全球90%以上的LPWAN连接。

NB-IoT商用也在提速，国内三大运营商在积极部署NB-IoT网络，中国电信在近日宣布全球首个覆盖最广的商用NB-IoT网络建成，将助推物联网产业发展，将在智能电网、智能水表、智慧安放和智慧农业等众多细分领域落地。

芯片是NB-IoT技术商用核心力量，作为芯片巨头的高通最早开始布局NB-IoT，并联合产业链优势资源来共同推动应用落地。在各运营商及原厂的积极热情部署背景下，势必带动整个生态体系发展，从基础设施、芯片、模块和设备等打造一个稳健、开放的 NB-IoT 生态系统，有助于推动 NB-IoT 技术创新和商用。

此外，与以往新的通信技术和芯片仅依靠运营商及原厂推动不同，本轮NB-IoT技术的发展适应物联网发展趋势，带入了物联网产业链非常重要的云服务环节，物联网云服务商机智云与中国电信及高通就NB-IoT的商业落地均展开深入合作，此外还将会在机智云自助开发平台部署NB-IoT的开发技术，让更多物联网开发人员可以第一时间实现NB-IoT的开发和应用落地。

由于物联网这一词汇蕴含的内容及其广阔，被视为第四次科技革命，促进世界经济增长，至此各国纷纷推出以物联网为基础的国家战略。发展物联网是全球趋势，在信息科技发展开始从移动互联网向物联网转变之际，在这一次信息革命中，能够快速创新成为企业竞争的核心，能充分利用物联网的企业也将会成为万物互联时代的赢家。作为引领新型信息化与传统领域走向深度融合的物联网，在未来几年之内，在全球范围内也将创造19万亿美元的整体价值。

推物联网普及提速

来自网优雇佣军文章介绍，目前可以确定，2017年全球至少将有327万NB-IoT基站，笔者再结合Lux Research给出NB-IoT报告显示，NB-IoT可能会占据全球90%以上的LPWAN连接。 由于全球运营商的积极部署NB-IoT网络，围绕NB-IoT的生态体系将逐渐完善，有助于推动 NB-IoT 技术创新和商用，势必加速物联网大规模普及。

在整个物联网产业链中，传输层是实现万物互联基础，未来几年内，物联网设备连接数量将会达数百亿，支持海量设备的传输通信驱动着物联网产业发展，而贯穿物联网设备所需要各平台和解决方案互通为基础，才能使物联网得以实现。

尤其在这个大连接时代，涉及到太多跨品牌、跨平台、跨设备之间的无线通讯，而今年谈论最多的NB-IoT是典型的窄带通信技术将成为关键所在。全球已经有21个运营商承诺部署NB-IoT网络，预测到今年底，在全球将会部署25张NB-IoT商用网络，这是来自今年早些时候GSA发布的报告所做出的预测。

德国电信M2M部门的高级产品经理Jens Olejak说，对于NB-IoT来说，因为模块成本对其业务客户来关键所在，模块价格需要更接近行业的最终目标，每单位5美元，使部署B-IoT项目更可行。机智云总经理黄锡雄在面对21世纪经济报道记者表示：“NB-IoT符合大连接的特点需求，很多WiFi、蓝牙做不到的场景都可以使用NB-IoT，但现在成本并不够低。距离运营商“5美元”的目标仍有距离。“

NB-IoT模块成本之间仍然是11至17美元之间，如果能控制到5美元左右，加上低功耗能维持10到15年的网络，那么NB-IoT的优势就显而易见，另外，中国电信计划投入1亿元用于NB-IoT模块补贴，希望将NB-IoT模块价格降低至5美元。价格的降低有助于推动NB-IoT商业进程。

由于NB-IoT网络的覆盖，将促使进入一个智慧的社会，包括智慧社区、智慧城管、智慧路灯、智慧停车、智慧物流等众多垂直应用，其中智慧生活成为智能家居最大发展方向，在机智云CEO黄灼看来，NB-IoT将加速物联网产业的服务升级，对拥有超过6000+企业注册用户，服务覆盖国内外知名厂商、市场份额第一的机智云来说，新的技术总是让人激动人心的。

机智云是目前国内首个与运营商和芯片原厂共同研发、推动NB-IoT技术的物联网第三方云平台，为NB-IoT解决方案提供成熟稳定的开发工具和云端支持，同时其云服务能力具备数据管理、计费、终端管理、连接服务和数据分析等功能，支持NB-IoT、LTE Cat-M1和EC-GSM-IoT等蜂窝物联网技术，并保证高度的数据主权和安全性，可以满足厂家和产品的业务需求。

在商业应用上，机智云将基于高通MDM9206 全球多模蜂窝物联网连接技术应用于国家电网智能充电桩管理服务平台，和实现非智能商用冰柜等冷链系统智能化管理的HIVE 冷链资产管理解决方案。据悉机智云还将与高通在全国范围内建立NB-IoT测试实验室，进行更进一步的技术研发，以及为商用客户提供NB-IoT产品测试服务。

高通的MDM9206 行业解决方案，旨在为日益增多的物联网终端和系统提供可靠、优化的蜂窝连接。MDM9206 是一款为 Cat-M1（eMTC）和 Cat-NB1（NB-IoT）定制的多模多频芯片，集成了 CPU 和定位技术，能够让物联网产品在全球一系列不同的运营商网络中运行，实现产品全球覆盖的最大化和规模化。

也正是凭借在硬件接入、数据挖掘和分析应用上的技术优势及多年的行业实战经验，机智云已发展为行业第一的综合物联网云服务平台，处于整个产业链的核心位置，是物联网技术发展不可缺少的重要环节。通过对数据流的集中、处理和疏散中心，凭借“大平台+小前端”的结构，支撑和推动物联网在细分行业的商业模式创新，提升行业效率。通过多年来对产业深耕和上下游资源整合，形成完整的物联网开发服务生态，有效撮合供应商和用户降低交易成本，通过第三方接口释放共享经济的巨大价值，参与应用分成，达成生态共赢。

大连接时代凸显物联网云平台价值

根据Gartner数据显示，2016年有64亿物联网设备，预计今年全球物联网设备数量将达84亿，到2020年物联网设备数量将突破两百亿，但诸如Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等短距离通信技术应用范围和规模有限，而NB-IoT的高覆盖能力，适合广泛部署在智能家居、智慧城市等众多物联网垂直领域，众多企业积极参与NB-IoT生态建设，希望主导该领域。

物联网通常划分为感知、传输和应用三个层次，感知层以如传感器、RFID等为主，是信息采集的关键部分，传输层以通信设备厂商和运营商等为主导，包括昔日帝国的诺基亚，也寄望于物联网重塑辉煌，但在长期关注物联网产业的杨剑勇看来，物联网的核心价值在应用层。在万物互联所收集的数据后，最终汇集到应用层数据处理等才是物联网产业的核心价值点。

在物联网时代，平台不仅可实现各设备的互联互通，其核心是数据的集散中心，所形成的数据加以利用，将会诞生出很多创新商业模式及应用，其中“云”作为各种设备联网后所产生的数据提供存储、管理、分析等，是物联网产业发展基石。以物联网云服务平台的机智云为例，以万物互联为基础，也就是云、端、到设备云端整合，并分享至整个产业链，助力企业可以实现全球范围内的物联网运营。

作为国内物联网云服务的践行者，不管是企业客户还是开发者，机智云其生态已形成规模化，作为一家懂硬件的软件公司，目前估值数亿美元，被《福布斯》全球IoT创新企业TOP100唯一入选前50的大陆公司，《快公司》中国创新50强。并连续两年获得工信部CSIP年度物联网解决方案奖，连续两年获得中国家电协会艾普兰核芯奖，已成为物联网云服务第一品牌。

在机智云创始人兼CEO黄灼先生看来，物联网是一个有机互联的生态系统，基于大数据的人工智能未来将更广泛应用于物联网，但数据分析、云端安全等技术，全球专业人才也不多。作为最有影响力的物联网开发平台，机智云就要把这些复杂的算法模块化、工具化，持续为开发者提供更多有价值的开发工具和模块服务，帮助他们低成本快速进入物联网行业。

写到最后

数据产生、收集、处理、决策和应用，将随着各式各样的物联网设备的普及以及传感器的大规模部署，所采集的大数据，其潜在的价值也将被逐渐挖掘，可以说，物联网是一个以“数据”为驱动的产业。即万物互联所产生的海量数据，经智能化的处理、分析，最终透过数据形成产品或服务，而正是物联网最核心的商业价值所在，也将为社会创造出更多的商业机遇。

本文作者杨剑勇，长期关注物联网、智能家居、可穿戴设备、机器人和人工智能等前沿科技产业。

LoRa

LoRa(长 距离)是由Semtech公司开发的一种技术，典型工作频率在美国是915MHz，在欧洲是868MHz，在亚洲是433MHz。LoRa的物理层 (PHY)使用了一种独特形式的带前向纠错(FEC)的调频啁啾扩频技术。这种扩频调制允许多个无线电设备使用相同的频段，只要每台设备采用不同的啁啾和 数据速率就可以了。其典型范围是2km至5km，最长距离可达15km，具体取决于所处的位置和天线特性。

LoRa芯片在整个产业链中处于基础核心地位，重要性不言而喻。值得注意的是，目前美国Semtech公司是LoRa芯片的核心供应商，掌握着LoRa底层技术的核心专利。而Semtech的客户主要有两种，一是获得Semtech LoRa芯片IP授权的半导体公司；二是直接采用Semtech芯片做SIP级芯片的厂商，包括微芯 科技 （Microchip）等。

Wi-Fi

Wi-Fi被广泛用于许多物联网应用案例，最常见的是作为从网关到连接互联网的路由器的链路。然而，它也被用于要求高速和中距离的主要无线链路。

大多数Wi-Fi版本工作在24GHz免许可频段，传输距离长达100米，具体取决于应用环境。流行的80211n速度可达300Mb/s，而更新的、工作在5GHz ISM频段的80211ac，速度甚至可以超过13Gb/s。

一 种被称为HaLow的适合物联网应用的新版Wi-Fi即将推出。这个版本的代号是80211ah，在美国使用902MHz至928MHz的免许可频段， 其它国家使用1GHz以下的类似频段。虽然大多数Wi-Fi设备在理想条件下最大只能达到100米的覆盖范围，但HaLow在使用合适天线的情况下可以远达1km。

80211ah 的调制技术是OFDM，它在1MHz信道中使用24个子载波，在更大带宽的信道中使用52个子载波。它可以是BPSK、QPSK或QAM，因此可以提供宽 范围的数据速率。在大多数情况下100kb/s到数Mb/s的速率足够用了——真正的目标是低功耗。Wi-Fi联盟透露，它将在2018年前完成 80211ah的测试和认证计划。

针对物联网应用的另外一种新的Wi-Fi标准是80211af。它旨在使用从54MHz到698MHz范围内的电视空白频段或未使用的电视频道。这些频道 很适合长距离和非视距传输。调制技术是采用BPSK、QPSK或QAM的OFDM。每个6MHz信道的最大数据速率大约为24Mb/s，不过在更低的 VHF电视频段有望实现更长的距离。
ZigBee

ZigBee，也称紫蜂，是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用IEEE 802154标准规范的媒体访问层与物理层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee是物联网的理想选择之一。

虽然ZigBee一般工作在24GHz ISM频段，但它也可以在902MHz到928MHz和868MHz频段中使用。在24GHz频段中数据速率是250kb/s。它可以用在点到点、星形和网格配置中，支持多达254个节点。与其它技术一样，安全性是通过AES-128加密来保证的。ZigBee的一个主要优势是有预先开发好的软件应用配 置文件供具体应用(包括物联网)使用。最终产品必须得到许可。

ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事？举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，每人持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。这就是自组织网。

NB-IoT

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说NB-IoT设备电池寿命可以提高至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。

蓝牙50

蓝牙是一种无线传输技术，理论上能够在最远 100 米左右的设备之间进行短距离连线，但实际使用时大约只有 10 米。其最大特色在于能让轻易携带的移动通讯设备和电脑，在不借助电缆的情况下联网，并传输资料和讯息，目前普遍被应用在智能手机和智慧穿戴设备的连结以及智慧家庭、车用物联网等领域中。新到来的蓝牙 50 不仅可以向下相容旧版本产品，且能带来更高速、更远传输距离的优势。

随着经济和 社会 的发展，城市公共照明已经成为城市现代化水平的重要标志之一，城市照明设施规模日益增大，用电量节节攀升， 社会 各方对城市公共照明的要求和希望越来越高。而目前国内城市照明的监控和管理方式相对简单、粗放，服务质量和节能水平有待提高，难以满足现代化城市照明的需要，主要表现在以下几个方面：

监控管理方式相对粗放。传统“三遥”系统只能实现回路级别的采集和控制，对单灯运行情况无法实时、准确监控，不能实现智能化监控和精细化管理；部分城市仍停留在“时控”时代，缺少基本的信息化管理手段。

运行维护效率低、成本高。现有的照明设施故障发现机制主要采用人工巡查模式，工作量巨大，需要投入大量的人力物力，并且还可能留有盲区，运维效率低、成本高，难以实现主动服务、保障服务质量。

照明能耗偏大。缺少灵活有效的节能控制手段，过度照明和照明不足的矛盾难以调和，无法实现按需照明，从而在保障照明质量的前提下有效降低照明能耗设施安全难以保障。缺少实时监管措施，设施被盗时有发生，给照明管理部门造成直接的经济损失，严重影响城市照明的正常运行，同时带来安全隐患。

1 设计与实现

本系统由3大部分组成：NB-IoT通信模块、云端控制系统、手机端APP。

图1

11 NB-IoT通信模块

基于高通MDM9206平台高性能、低功耗的CAT-M1/CAT-NB1/GSM三模无线通信模块，支持全球各主流定位系统GNSS，不仅支持当前运营商的主流物联网频段，对未来可能会部署的频段也最大可能性的支持 ，其尺寸仅 为 225mm265mm27mm，能最大限度地满足终端设备对小尺寸模块产品的需求，

通过该模块实现路灯信息传输、调光、降功率、按需开关灯等管理方式，减少过度照明节约电能，真正实现节能、环保、安全、舒适的照明，减少对大气的污染，建设资源节约型、环境友好型 社会 。

12 云端控制中心

是根据路灯管控开发的一款远程 *** 作与监控管理平台，方便了管理人员的管理与维护。通过灯联网集中监控管理平台可以远程控制每一个回路的开、关状态，也可以实时监测每个设备的当前信息，并根据采集到的参数的情况，实时判断线路情况，给用户直观的解析。系统同时还具备短消息报警和声音报警的功能。

13 手机端APP

一种基于智能手机APP应用的城市路灯控制方法，包括将智能手机APP应用与路灯管理系统相关联，形成APP调节城市路灯的架构，构建智能手机 APP 节点，每个 APP 节点代表一个APP 注册用户；当用户登录 APP 应用时，APP 应用将包含用户地理位置、行进方式的 APP 应用信息传送到路灯管理系统；路灯管理系统根据APP应用信息，查询用户所属路段的路灯实时状态，并对路灯进行调节控制。采用NB-IoT物联网概念，通过手机 APP 应用按照用户实际需求开启路灯、调节路灯亮度，合理分配路灯照明资源，降低了路灯能耗、节约了路灯使用成本。

2 测试与分析

硬件调试：分为电源电路、通信链路、LED驱动电路调试。

21 电源电路

图2 电源电路

图 2 中，EUP3420 是一款恒定频率，采用电流模脉宽调制（PWM）架构的降压型变换器。芯片集成了主开关和同步整流开关，可以获得更高的效率。本系统采取5V适配器输入，转化给NB-IoT无线通讯模块VBAT网络33V供电。

C1000：适配器的输入端，用万用表或者示波器测试该点电压是否为5V。

L1000：开关电源 buck 电感输出端，用万用表或者示波器测试该点电压是否为33V，通过调整R1000和R1007阻值调整VBAT输出的大小。

22 通信链路

NB-IoT模块上电后sim卡状态测试。

图3 NB-IoT模块Sim卡状态查询

23 LED驱动电路

图4 LED驱动电路

上图中，三极管驱动电路由Q11、R128、D30、J26（焊接LED模组）组成，NB-IoT通信模块通过GPIO口控制三极管的基集，使三极管Q11工作在开关状态，实现对LED的开断。

3 软件测试

安卓手机端可以控制指定路灯的亮与灭以及全开全灭。

图5 手机控制端界面

PC端实现对各个端口的控制。

图6 云端控制端界面

4 控制系统特性

41 管道NB-IoT设计

一是广覆盖：NB-IoT 覆盖能力强，在同样的频段下，NB-IoT 比现有的网络增益 20dB，覆盖面积扩大 100 倍。它不仅可以满足广覆盖需求，对于厂区、地下车库、井盖这类对深度覆盖有要求的应用同样适用。因此不只是道路照明，在室内、工业照明领域的应用前景也十分广阔。

二是强链接：在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50-100倍的接入数。一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。这将意味着，基于 NB-IoT 通信技术的照明控制系统，将能够管控更多的终端设备，满足未来智慧城市中大量设备联网需求。

三是低功耗：低功耗特性是智慧照明应用一项重要指标，NB-IoT聚焦小数据量、小速率应用，因此NB-IoT设备功耗可以做到非常小，终端模块的待机时间可长达10年，特别适用于智能家居的应用。

四是低成本：低速率、低功耗、低带宽同样给 NB-IoT 芯片以及模块带来低成本优势。单个接连模块预期价格不超过 5美元，最终低至 1 美元，这对降低智慧照明应用的成本起到关键性作用。

42 云端智能管理

采用单灯控制技术，构建路灯物联网，精准控制每一盏路灯，在保证照明需求的前提下，根据季节、路段、天气、特殊场合等条件设定路灯运行方案，真正实现“按需照明”，深化节能减排。因本项目范围内 LED 路灯电源不具备调光接口，单灯节能方式采用开关灯控制方式。

通过单灯“在线巡测”，及时发现路灯故障并在地图上进行精准定位，转变“人工巡检、热线报修”的传统运维方式，实现定向运维、主动服务，减轻劳动强度，提高路灯运维效率，降低运维成本。

43 客户端APP

智慧公共照明管理平台具有全面和优化的路灯智能控制功能，为路灯管理人员提供更高效的管理和维护手段，主要体现为：实时监控：可以对任意一盏、一路或任意自定义组的路灯进行开关灯、调光。同时支持多终端，支持基于 Android *** 作系统的移动终端远程控制，可采用平板电脑、手机等终端下发开关灯、调光等控制命令等。

5 应用前景分析

对于 NB-IoT 产业的发展，中国移动、中国联通、中国电信三大运营商皆就NB-IOT发布了各自的发展计划。工信部也发文要求加快 NB-IoT 在国内落地，到今年年底建成基站规模 40万个，到 2020 年建成基站规模 150 万个。中国 NB-IoT 产业加速布局，将是全球 NB-IoT 产业领跑者。目前在上海、广州、江

门、鹰潭、长沙落地了NB-IoT智慧路灯项目，实现了到处开花、处处结果。

6 结束语

城市智慧照明是智慧能源的开端，以 NB-IoT 新一代通信技术为支撑，实现整个城市一张网，对城市道路每盏灯实现全面的感知、智能的控制、广泛的交互和深度的融合，在满足市民正常照明需求的前提下，通过智能调光、降功率、按需开关灯等管理方式，减少过度照明，电能节约率可达30% 60%，真正实现节能减排，减少对大气的污染，建设资源节约型、环境友好型 社会 。同时通过对城市照明设施实现精细化管理，通过对城市道路每个灯具的运行状态进行准确分析和故障报警，并根据故障等级启动相应的处置流程，将被动巡检改为定点维护，反应更加敏捷处置效率更高，将使城市的灯光管理水平与现代化的大都市相适应，提高亮灯率，减少各种故障，合理照明，美化照明，安全照明，营造出现代城市科学和艺术完美结合的照明效果，树立和提升城市的品牌形象。

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