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王宜怀:窄带物联网NB-IoT应用架构|V课堂第115期

第115期【智造+V课堂】“工业互联网”主题分享月第四期,王教授从物联网的概念、窄带物联网NB-IoT出现的时机及其特点、给产业转型带来的机遇和挑战、NB-IOT应用架构等方面深度分享“窄带物联网NB-IoT应用架构”。

作者:苏小静|2018-06-12 15:04

技术沙龙 | 6月30日与多位专家探讨技术高速发展下如何应对运维新挑战!


第115期【智造+V课堂】“工业互联网”主题分享月第四期,邀请苏州大学计算机科学与技术学院教授、博士生导师王宜怀,王教授从物联网的概念、窄带物联网NB-IoT出现的时机及其特点、给产业转型带来的机遇和挑战、NB-IOT应用架构等方面深度分享“窄带物联网NB-IoT应用架构”。

一、分享嘉宾

苏州大学计算机科学与技术学院教授   王宜怀

苏州大学计算机科学与技术学院教授   王宜怀

1. 重磅头衔

  • 苏州大学计算机科学与技术学院教授、博士生导师、网络工程系主任;
  • 苏州大学嵌入式系统与物联网研究所所长;
  • 江苏省计算机学会嵌入式系统与物联网专业委员会主任;
  • 中国软件行业协会嵌入式系统分会理事。

2. 获得荣誉

  • 江苏省科技进步三等奖,苏州市科进步二等奖,全国高等学校计算机教学成果一等奖等;
  • 福建省八五期间电子信息应用先进个人、福建省南平市政协“优秀委员”、福建省科技进步三等奖。

3. 参与重大项目

  • 完成国家自然科学基金3项,省级科研项目6项;
  • 完成《基于传感网技术的城市照明控制系统》、《图形构件化嵌入式与传感网开发平台》、《基于窄带物联网NB-IoT燃气表设计》、《金葫芦IoT-GEC》等30余项应用开发类科研项目。

4. 著作及擅长领域

  • 撰写《嵌入式实时操作系统MQX应用开发技术》、《汽车电子KEA系列微控制器》等10余部著作。
  • 获得12项发明专利,公开发表论文80余篇。
  • 主要研究方向:嵌入式系统与物联网、嵌入式人工智能系统。

二、分享主题

《窄带物联网NB-IoT应用架构》

三、分享大纲

1. 物联网从概念到落地

2. 窄带物联网NB-IoT出现的时机及其特点

3. NB-IOT给产业转型升级带来的机遇与挑战

4. 建立NB-IOT应用架构

5. NB-IOT应用项目各部分开发模板

6. 金葫芦—“照葫芦画瓢”开发方法

四、原文实录

原文实录context:

窄带物联网NB-IoT

大家好,我交流的题目是《窄带物联网NB-IoT应用架构》。主要是从降低开发门槛、节约开发成本、缩短开发时间,这几个角度来谈。

窄带物联网NB-IoT

这个是本次交流的一些基本信息,通过这些信息,可以获得有关的资料。我将从6个方面来阐述有关窄带物联网的应用开发问题。我们从物联网概念说起。计算机网络,把地球连在一起,使地球成为地球村。而物联网是希望把万物连接到互联网上,这样使得我们通过计算机,通过互联网能够得到有关物体的一些信息,并对物体进行操作。

物联网概念

物联网概念

物联网的概念,在我国热络的起点应该是2009年。那么这个时候,我们国家提出了大力发展物联网的一些产业,但是总体上来说,这个时间点不大成熟。那么实际上,物联网就是互联网加上无线传感器网络,以及加上了数据采集及控制。实际上,我们应当等待着大规模应用时机的到来,这个大规模的时机是什么时候呢?应当是技术、成本、开发门槛降低到一定的程度,物联网才能够落地。

物联网概念

在这段时间内,从2006年开始我们也陆续做了一些工作。这个是我们在2010年左右开始做的水质检测系统,也获得了发明专利。

物联网概念

这个是我们苏州大学在2011-2015年之间做的一个基于物联网技术的智能路灯系统,这个系统我们在十几个城市也有使用。从中我们积累了很多这方面的开发经验和公共技术。

物联网概念

这个是我们做的,基于物联网技术的农业大棚,持续了几年时间。主要目的是一个个项目去做,但是从这些项目之中,我们想抽取一些共性的技术。

下边我们谈谈,窄带物联网出现的时机及其特点。

窄带物联网

窄带物联网是在2016年左右陆续推出,我们国家真正开始推广的时候是去年(2017年),今年基本上逐步开始落地了。为什么在这样的时间点?或者它有什么样的一些特点呢?首先从物联网连接的分类谈起,物联网连接的分类,我们有高速率、中速率和低速率,分别应用于不同的场景。我们绝大多数物联网的数据采集与控制应用系统,应该是属于低速率这样一个应用范畴。比如说用在智能抄表、环境监测、智能家居、物流等等。

窄带物联网

物联网市场发展催生了新型的联网方式的出现。我们原来是用GPRS加上局部的无线传感网络WSN的方法,想来解决低功耗、广域网的问题,当然具有成本比较高,开发层次多,技术门槛高等缺点。物联网市场发展就催生了新的联网方式的出现,比如说Lora、Sigfox等等。窄带物联网从2014年3月开始立项,研究目标就是支持更低复杂度、低成本、低功耗,这样的覆盖方式。这就是窄带物联网的雏形。

窄带物联网

窄带物联网的标准制定基本上从2014年3月开始,陆续在2014年的5月,华为开始和沃达丰联合研究。2015年5月,沃达丰联合高通共同研制了上下行的技术标准。2015年7月,爱立信、华为分别向3GPP提出了标准提案。到了2016年5月核心工作基本制定完成。

窄带物联网

如果讲窄带物联网我们要简要的了解一下,物联网体系中的局域网、广域网、宽带、窄带的术语。实际上我们低功耗局域网中的每个节点的传输,比如说百米级低功耗的局域网,而广域网应当是在千米级。当然通信,就像大路一样的,我用宽带和窄带无非是通信量的大小或者是需求量的大小。

窄带物联网

窄带物联网基本的特点具有五个:

  • 第一个是大连接,按照目前的设计,一个基站是希望能够连到10万个终端。
  • 第二个是广覆盖,希望一个基站可以覆盖几平方千米的范围。
  • 第三个是深穿透,希望在阴井盖底下的信号也能传上来(终端放在阴井盖下面)。
  • 第四个是低成本,指建设、运营和终端的成本都要低。
  • 第五个是低功耗,能够实现超长时间的待机。

窄带物联网

那么窄带物联网为什么会流行呢?

  • 第一点,市场需要。原来的技术成本过高,原来的技术方案基本上我们是用GPRS加上WSN,去解决低功耗广域网的问题,成本偏高。
  • 第二点,运营商介入。现在三大运营商都在发展窄带物联网。
  • 第三点,产业设备商介入。比如华为、中兴、高通等等,都在介入有关的设备。
  • 第四点,国际研发同步。
  • 第五点,政府推动。

2017年6月6日,国家公信部办公厅发出了《关于全面推进移动物联网(NB-IoT)建设发展的通知》战略文件,表明了政府发展窄带物联网的实际行动。

窄带物联网

窄带物联网为什么是产业转型升级的一次机遇?

  • 第一点,物联网的概念从2009年开始到现在已经有相当一段时间了,也应该到了落地的时候了,万物互联是个大趋势。
  • 第二点,物联网聚焦的是数据采集,应当是大数据、人工智能、云计算的基础。
  • 第三点,物联网是信息产业的又一次革命性的发展。
  • 第四点,现代化的高速发展使得公共服务领域逐渐扩大,城市管理、环境等方面都为物联网发展提供了契机。
  • 第五点,物联网的研发成本会大大下降,这一点特别重要。

窄带物联网

我们如何抓住窄带物联网促进产业转型的机遇呢?分为五点:

  • 第一点,充分认识到它是一个机遇。
  • 第二点,要选好示范领域。
  • 第三点,项目先导,人才是关键。
  • 第四点,边实施、边总结、边提高。
  • 第五点,把物联网、大数据、云计算、人工智能作为一个整体来推动。

窄带物联网

那么窄带物联网可以对转型升级带来那些机遇,当然,同时是机遇应该也是挑战。应该说窄带物联网,它具有技术门槛高,高在哪里?主要表现在需要软硬件协同设计。涉及到软件、硬件及行业领域的知识。这一些系统,具有较高的实时性。许多物联网的智能产品,必须有较强的抗干扰性和稳定性。开发过程需要软件、硬件不断地联合测试等等。因此开发物联网智能产品具有成本高、周期长、稳定性难以保证等特征。对技术的综合开发能力提出了更高的要求,这个问题应该是许多中小型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都是针对特定的应用而开发的,许多终端企业的技术人员往往是从零做起。对移植和复用重视不够,新项目的大多数工作必须重新开发。不同的开发组之间也难以共用技术积累。通常,系统的设计、开发、维护都由不同的人负责。由于设计思想的不统一,会使人员分工不明确,开发效率低下。给系统开发与维护带来诸多的困难。我遇到很多这种情况,很多中小企业,组织几个人,一个小组在开发。但是开发了相当长时间,进展缓慢,而且稳定性和各个方面都存在问题。这就是我们窄带物联网要应用开发、普及的话所面临的难题。

窄带物联网

那么解决这个难题有没有方法呢?解决这个难题应该是我们做为一线公共的技术研究人员。而不是说某一个工厂的研究人员去处理的,我们应当从什么入手呢?我们应该从技术科学的层面,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、类与框架。

实现整体建模,合理分层,达到软硬件可以复用、移植的目的。因此技术科学这个层面的主要任务是什么呢?就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,我们把它叫做“葫芦”。以便使技术人员可以在此基础上,进行特定应用产品的开发,我把它叫做“照葫芦画瓢”。这个架构应当是抽象物联网智能系统的共性技术。合理分解知识要素,应该理清共性与个性的衔接关系,封装软硬件构件,实现软件分层以便复用。因此可以有效降低技术门槛,希望能把原来要研究生开发的,降到本科生或者说是专科生就能开发。我们要理清共性和个性的衔接关系,封装软硬件构件,实现这个软件分层与复用,当然这个是中间件。但是有了中间件,它能够为终端产品服务,有了它就可以大大降低技术成本。那么我们把这个整个的架构变成一个模型。

窄带物联网

我们把整个窄带物联网的应用分成三个小框图,第一个(左)叫终端;第二个(中)叫信息邮局;第三个(右)叫人机交互系统,这三个组成部分。我们要做的工作是终端和人机交互系统,那么信息邮局这件事,将由三大运营商负责去处理。

窄带物联网

终端就是我们做的实际产品,应该说绝大多数的工业互联网,工厂里面的一些设备,只要能采集、控制和无线通信的都叫终端。我们把微控制器,通信功能以及有关的其他功能全部集中在这个终端上。那么终端具有数据采集、控制、运算与通信功能。

窄带物联网

当然就是各种各样的产品,而且这个应该说是开发难点。因为软硬件结合又要跟通信结合起来,所以需要比较多的技术。涉及到整个嵌入式开发体系,这个实物图就是一个终端的例子,是我们在2017年3月份左右做的一个基于窄带物联网的燃气表。

窄带物联网

这里我们要谈一下信息邮局的事情,目前市面上所出现的窄带物联网的书,绝大多数都是从通信这个角度来看待的。对一般的技术开发人员,做应用的开发人员,这些书关联度不大。因为它是如何去做基站,如何做信息的传输。也就是说,相当于邮电局内部它是怎么工作的,所以我们把这它起个名字,叫信息邮局。那么信息邮局,我们把它定义成一种基于窄带物联网协议的信息传输系统,它是由基站以及管理服务器组成。在终端跟人机交互系统之间起到信息桥梁的作用。它是由信息运营商负责建立维护的。也就是说,我们做应用的开发者,只管把信息寄出去,或者寄信。我们不管它里面是怎么运作的,但是我们要知道,它是如何跟我们接口。

窄带物联网

在这个窄带物联网开发体系中,我们把计算机端以及手机端,平板电脑端都把它定义成人机交互系统。人机交互系统当然是实现人与信息邮局之间的信息交互、信息处理、信息服务的软硬件系统。这个就使得我们可以通过通用计算机、平板电脑、手机等设备,通过这个信息邮局实现获取终端的数据,并可以实现对终端的控制功能。

窄带物联网

这几个定义看起来有点文绉绉的,但是稍微理解它,就知道整个架构的着眼点。这样我们把开发点就会定下来,定在两头。我们看到应用开发者,主要是把重点放在终端上,放在人机交互系统的编程上。那么信息邮局由运营商负责,我们只要能够封装好与这个运营商的通信接口就行了。

窄带物联网

下边我们谈一谈窄带物联网应用开发各个部分的开发模板。

为了能够实现降低技术开发门槛,我们做了一系列工作。

首先我们把微控制器,也就是终端的核心部分。一般来说,我们把它叫单片机也行,微控制也可以,那么微控制器硬件最小系统,我们把通信模组、电子卡等放在一个芯片内或者一块小板子上。我们把它定义成面向窄带物联网开发的通用嵌入式计算机。同时我们可以融合GPS、北斗、ZIGBEE、传感器接口。它会形成面向物联网应用的整个通用嵌入式计算机系列。当然还要提供一些云转发、流量套餐等业务服务,才能满足。

窄带物联网

如果我只是做这样一个片子,或者这样一个芯片,还不足于能够进行窄带物联应用开发。我们应当把它实例化,然后把里面的封装好,使得我们的开发不在从零开发,而是像一般的计算机那样去调用底层的函数。

窄带物联网

所以就要提供一些开发套件,我们在此基础上进行基本的开发。实际上所有的终端都可以变成一个模型。也就是以微控制器核心,以输入输出为基础,进行相应的软硬件设计。

我们一直有这样一种思想,就是如何使得我们的应用工程师,不再接触非常底层的计算机,而是能够把它封装好,封装成构件,而后来使用,那么这个就源于这样一个抽象的思想。就使得不再具有各个芯片的概念,而是有通用嵌入式计算机的概念。这样就可以使得终端的开发门槛,大大的降低。

窄带物联网

为此,我们要把终端的软件做成模板,然后把所有底层的东西,全部给它做好,封装好。然后以一个通用嵌入式计算机的面目出现在应用开发的层面。也就是说,最终端应用开发者,只要编两个程序,一个是应用的主程序,另一个是中断服务例程。这两个程序就能够完成应用的基本开发,特别要强调的是,这种架构使得我们应用开发者不再去关注底层,而只在应用层面去工作,这样,整个结构清晰,开发时间大大缩短,而且稳定性会大大提高。

窄带物联网

如果我们开发好了终端这样一个软硬件系统,但是终端的信息如何能够实现送向服务器,送到我们计算机上,手机上呢?

窄带物联网

我们要给出一个模型。这就是终端数据通过云平台送到我们的人机交互系统,这个是一个基本模型。通过这个模型下来,数据就可以到任何一台联网的计算机上。当然这里边要有基本的管理服务器(云数据的转发)。

这是我们提出的一个用户服务器的整体软件模板,基于这个模板我们的终端数据可以直接到我们任何一台具有联网的功能的计算机上。我们把这个程序完全的规划下来,给它分层,分层以后提交给应用开发者。中间有关通信的部分做成类。

窄带物联网

使用我们底层的通信构件、高层的通信类就能够完成终端系统跟我们用户服务器,或者说我们自己现在用的一台计算机进行数据通信。同时一些系统需要在微信、网页上看数据,当然我们也提供了Web网页模板。

窄带物联网

现在微信小程序,已经成为了一个常用的软件体系。为了适应这个发展,我们特地发了大概有一年的时间,来做了一个微信小程序的模板,也把它规范成各个目录结构,把应用的接口,应用层,留出来,留给我们进行二次开发。在这样的基础上,也许一个本科生可能在一个礼拜内就会开发出一个基于面向窄带物联网的微信小程序,基本功能就会实现。

窄带物联网

手机APP也是物联网应用的重要典型之一,为了能够使得在人机交互系统这方面能够更加全面,体现物联网的各种应用。我们也做了手机APP的模板,也使得一个本科生可能在几天之内就能够完成一个面向窄带物联网终端的手机APP的通信。当然,需要这样一个模板和基本架构,也就是说,它所有共性技术要被提炼出来。

窄带物联网

上面的一些工作,都是基于我们一个基本思想,这个基本思想就叫做“照葫芦画瓢”。那么“照葫芦画瓢”就是比喻照着样子模仿,表示简单易行之含义。实际上,古希腊哲学家亚里士多德就说过:“人从儿童时期就有模仿本能,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”。意思就是说,你必须有模板,这样别人才能够在这个基础上去做。

窄带物联网

我们希望借此,通过建立符合软件工程基本原理的葫芦,为“照葫芦画瓢”提供坚实的基础。达到降低窄带物联网应用开发难度这个目标。有了上边的模板,或者叫“葫芦”,我们就可以在这个基础上,可以画很多很多瓢,这是其中之一。这个是一个PLC的远程监控系统,我们给它起了个名字叫“金葫芦”,然后在这个“金葫芦”的基础上去“画瓢”。

窄带物联网

这是我们照葫芦画的另外一个瓢,这个叫无线透传系统,也就是说一些单位需要串口数据过来,就无缝转成窄带物联网的信号,传出去,或者是GPRS信号,就是说它是在无线透传。这样的编程,有些地方是需要的。我们也可以在这样一个葫芦的基础上很快画出这样一个瓢。

窄带物联网

这个也是在葫芦的基础上画的瓢,这个是基于窄带物联网的燃气表,当然你用它再去画水表、电表等等都可以。

窄带物联网

这是一个冷链物流系统,就是在运输过程中温度要低,有带一些制冷系统的。利用窄带物联网可以跟踪、定位,实现远程开启和关闭运输的箱子等等。我们同样是用这样一个葫芦来画出,很快就画出这样一个瓢。

窄带物联网

这个我们是想用这样一个葫芦画出一个什么呢?是实验室管家,比如说当实验室放上这样一个终端物联网的系统,我们可以知道实验室一切基本的状况,可以对有关的一些设备进行干预。

我今天的分享就到这里,主要的目的,就是能够降低窄带物联网的开发难度,方法就是“照葫芦画瓢”。

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【责任编辑:赵宁宁 TEL:(010)68476606】

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