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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 YIHUAIW@SUDA.EDU.CN,13338655038
苏州大学计算机科学与技术学院
2018年8月20日
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
一、 物联网从概念到落地一、 物联网从概念到落地
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物联网概念的热络起点(我国)——2009年
一、 物联网从概念到落地一、 物联网从概念到落地
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
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苏州大学嵌入式系统与物联网研究所研发实例1
一、 物联网从概念到落地一、 物联网从概念到落地
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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苏州大学嵌入式系统与物联网研究所研发实例2
一、 物联网从概念到落地一、 物联网从概念到落地
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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苏州大学嵌入式系统与物联网研究所研发实例3
一、 物联网从概念到落地一、 物联网从概念到落地
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。
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
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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
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
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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。
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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。
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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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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
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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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
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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四、建立NB-IOT应用架构四、建立NB-IOT应用架构
NB-IoT终端UE
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四、建立NB-IOT应用架构四、建立NB-IOT应用架构
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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四、建立NB-IOT应用架构四、建立NB-IOT应用架构
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
四、建立NB-IOT应用架构四、建立NB-IOT应用架构
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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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
难不难:难难在何处?硬件、软件、协同
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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
如何办?
把难度将下来!
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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
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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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
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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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
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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
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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
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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
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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
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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
把HCI软件难度降下来!
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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
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
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冷链物流
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实验室管家
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—PLC传输
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—TE六个传感器
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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可以画很多很多瓢
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
谢谢