NB-IoT综合项目实战开发背景及平台（NB-IoT项目实战专栏—1）

目录

1、浅谈NB-IoT

1.1、NB-IoT的概念

1.2、NB-IoT的优势

1.3、NB-IoT的发展历程

1.4、NB-IoT的系统架构

1.5、NB-IoT的应用组件

1.5.1、NB-IoT 芯片

1.5.2、NB-IoT 模组

1.5.3、NB-IoT SIM 卡 

1.5.4、物联网嵌入式操作系统 

1.5.5、IoT 平台

1.6、NB-IoT的应用场景

2、项目实验平台

1、浅谈NB-IoT

1.1、NB-IoT的概念

如今物联网技术在行业应用的比例逐年提高，渗透生产制造、交通物流、健康医疗、消费电子、零售、汽车等应用行业。万物互联的时代正以极其迅速的脚步走进我们的生活。

物联网有很多无线通信技术，主要分为两类：一类是Zigbee、WiFi、蓝牙、Z-wave等短距离通信技术；另一类是LPWAN（low-power Wide-Area Network，低功耗广域网），即广域网通信技术。LPWA又可分为两类：一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术；另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。

NB-IoT 全称为 NarrowBand-Internet of Things，窄带物联网。属于物联网范畴的一种技术。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。

1.2、NB-IoT的优势

NB-IoT 具有四大优势：

一、广覆盖，在同样的频段下， NB-IoT比现有的网络增益提升了 20 dB，相当于提升了 100 倍的覆盖面积。

二、低功耗， NB-IoT借助 PSM (Power Saving Mode，节电模式)和 eDRX (Extended Discontinuous Reception，超长非连续接收)可实现更长待机，它的终端模块待机时间可长达 10 年之久。

三、大连接，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，设备成本降低，设备功耗降低，网络架构得到优化。

四、低成本，NB-IOT 和 LoRa 不同，不需要重新建网，射频和天线都是可以复用的，企业预期的模块价格也不会超过 5 美元。

1.3、NB-IoT的发展历程

2013 年初，华为与相关业内厂商、运营商展开窄带蜂窝物联网发展，并起名为 LTE-MLTE for Machine to Machine）。在 LTE-M 的技术方案选择上，当时主要有两种思路：一种是基于现有 GSM 演进思路；另一种是华为提出的新空口思路，当时名称为 NB-M2M。

2014 年 5 月，由沃达丰，中国移动，Orange，Telecom Italy，华为，诺基亚等公司支持的 SI “Cellular System Support for UltraLow Complexity and Low Throughput Internet ofThings” 在 3GPP GERAN 工作组立项，LTE-M 的名字演变为 Cellular IoT，简称 CIoT。

2015年 4 月，PCG（Project Coordination Group）会议上做了一件重要的决定：CIoT 在 GERAN做完 SI 之后，WI 阶段要到 RAN 立项并完成相关协议。

2015 年 5 月，华为和高通在共识的基础上，共同宣布了一种融合的解决方案，即上行采用FDMA多址方式，下行采用OFDM多址方式，融合之后的方案名字叫做NB-CIoT （NarrowBand Cellular IoT）。

2015 年 8 月 10 日，在 GERAN SI 阶段最后一次会议，爱立信联合几家公司提出了 NB-LTE（Narrow Band LTE）的概念。

2015 年 9 月，RAN#69 次会议上经过激烈讨论，各方最终达成了一致，NB-CIoT 和 NB-LTE 两个技术方案进行融合形成了 NB-IoT WID。NB-CIoT 演进到了 NB-IoT（Narrow BandIoT）。

2016 年 6 月 16 日，NB-IoT R 核心协议在 RAN1、RAN2、RAN3、RAN4 四个工作组均已冻结。性能规范在 3GPP RAN4 工作组，计划在 9 月份结束。性能规范 NB-IoT 与 eMTC 同时进行，计划同时完成。

2016 年底，上海联通联合华为在上海迪斯尼完成了智能停车项目，通过 NB-iot 方案实现园区内停车位信息采集与查询。

2017 年初，中国电信宣布与深圳水务集团合作，推出了全球第一个基于 NB-IOT 的水务管理平台；2017 年 6 月，中国电信与 ofo、华为共同发布了基于 NB-IoT 技术的 ofo 智能单车正式商用。

2017 年 7 月，中兴通讯全力配合中国电信在河北雄安新区进行网络建设，提供智慧停车、智慧井盖、智慧路灯等 NB-IoT 端到端解决方案。

2017 年，移动、电信、联通三大运营商投资 1.7 亿元，在江西鹰潭共建成开通 962 个NB-IoT 基站，实现鹰潭城区、县城、乡镇全域覆盖，大型自然村覆盖达 100%，基站覆盖率全国最高。

1.4、NB-IoT的系统架构

NB-IoT 终端

NB-IoT 终端是处于整个系统框架的最起点，主要具备的功能为数据采集、处理、存储、NB-IoT 通信等功能。

NB-IoT 基站

基站即公用移动通信基站是无线电台站的一种形式，是指在一定的无线电覆盖区中，通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。移动通信基站的建设是我国移动通信运营商投资的重要部分，移动通信基站的建设一般都是围绕覆盖面、通话质量、投资效益、建设难易、维护方便等要素进行。

随着 NB-IoT 网络的兴起，在传统的移动通信基站上增加了 NB-IoT 功能，由于 NB-IoT带宽较窄，部署的时候可以利用当前已经正在使用的 2G、3G、4G 基站进行部署，只需要对基站进行相应升级即可。另外 NB-IoT 基站也可以自行部署。

NB-IoT 核心网

NB-IoT 核心网承担与终端非接入层交互的功能，并将 NB-IoT 业务相关数据转发到 NB-IoT 平台进行处理。同理，这里可以 NB 独立组网，也可以与 LTE 共用核心网。

IoT 平台

IoT 平台是一种物联网连接管理平台，是面向运营商或企业等领域的统一开放云平台，支持直连设备和非直连设备场景的各种连接和管理，具有设备接入及管理、数据采集管理及分析、各种终端适配及扩展等功能。

IoT 平台为一款开放式的云平台，支持直连设备和非直连设备场景下的各种连接方式，具有跨硬件平台、跨操作系统、高性能、结构标准、易于扩展等特性。为满足各种应用的系统需求，平台提供了专用的北向接口和南向接口，并提供 API 可以使设备及其他平台方便地连接管理。

华为 IoT 平台产品结构图如下：

应用服务器

应用服务器是指通过各种协议把商业逻辑曝露给客户端的程序。它提供了访问商业逻辑的途径以供客户端应用程序使用。应用服务器使用此商业逻辑就像调用对象的一个方法一样。在 NB-IoT 场景中，应用服务器对应的是 IoT 平台北向上层的很多个应用，这些应用服务器实现每个应用对应的数据解析、存储、展示、数据下发等功能。

1.5、NB-IoT的应用组件

1.5.1、NB-IoT 芯片

近来三大运营商纷纷宣布 NB-IoT 的测试和商用时间，与此同时工信部也在推动 NB-IoT标准化，将 NB-IoT 模块从外形、封装以及针脚定义等方面提出新的要求，当前 NB-IoT 芯片厂商主要有：华为海思、高通(Qualcomm)、锐迪科(RDA)、英特尔(Intel)、联发科等。

华为海思主要的 NB-IoT 芯片型号为 Hi2110、Hi2115，超低功耗 SoC 芯片，基于 ARMCortex-M0 内核，会搭载 Huawei LiteOS 嵌入式物联网操作系统。

高通主要的 NB-IoT 芯片型号为 MDM9206，支持 Cat-M（eMTC）和 NB-IoT。

锐迪科主要的 NB-IoT 芯片为 RDA8909，支持 2G、NB-IoT 双模，RDA8909 符合 3GPPR13 NB-IoT 标准，还可以通过软件升级支持最新的 3GPP R14 标准。

英特尔主要的 NB-IoT 芯片为 XMM 7315，支持 LTE Category M 和 NB-IoT 两种标准，单一芯片集成了 LTE 调制解调器和 IA 应用处理器。

联发科主要的 NB-IoT 芯片型号为：MT2625，支持全球网络全频段，支持 NB-IoT R14标准，MT2625 整合一系列丰富的外围输入输出接口，包括安全数字输入输出模块（SDIO）、通用异步收发传输器（UART）、I2C 传输协议、I2S、序列外围接口（SPI）及脉冲宽度调制（PWM），帮助 NB-IoT 设备实现更多的功能。

1.5.2、NB-IoT 模组

NB-IoT 厂商和模组相关信息如下表：

1.5.3、NB-IoT SIM 卡 

SIM 卡的作用是鉴权使用，NB 设备接入核心网需要核心网认证，SIM 卡里存放认证的信息和密钥等，因此每台设备都需要一个 SIM 卡，这些 SIM 卡需要专用的 NB SIM 卡。

目前市面上 NB SIM 卡主要有三大厂家的：中国电信、中国移动、中国联通，目前使用最多的是中国电信的 10649 段号的 NB SIM 卡。电信 NB SIM 卡在 2017 年推出了一个业务，可以将自己的服务器 IP 地址添加到电信核心网的白名单中，NB SIM 卡和该 IP 地址绑定，终端 NB 模组使用该 SIM 卡就能直接发到该服务器中。但是在 2018 年初取消了该业务，仅让NB 终端设备接入电信 IOT 平台和华为 OceanConnect，以前加入白名单的 IP 还可以使用。

1.5.4、物联网嵌入式操作系统 

2015 年，华为在 HNC 网络大会上，正式推出了“ 1+2+1 ”物联网战略，即“一个物联网平台，两种接入方式，一个轻量级物联网操作系统”。

自发布以来，Huawei LiteOS 以 1 个轻量级、低功耗，快速启动内核为基础，增加 N 个框架：通过支持多传感协同，使得终端数据采集更智能，数据处理更精准；通过支持长短距连接，实现全连接覆盖，提供多 Profile 支持与共享支撑更多业务场景，同时可伸缩连接能力有显著提升；通过支持基于 JavaScript 的应用开发框架，统一应用开发平台，使得产品开发更“敏捷”；Huawei LiteOS 为开发者提供设备智能化使能平台，有效降低开发门槛、缩短开发周期。

Huawei LiteOS 为开发者提供“一站式”完整软件平台，使物联网终端开发更简单、互联更容易、业务更智能、体验更顺畅、数据更安全。Huawei LiteOS 基础内核是最精简的 Huawei LiteOS 操作系统代码，包括任务管理、内存管理、时间管理、通信机制、中断管理、队列管理、事件管理、定时器、异常管理等操作系统基础组件，可以单独运行，向上提供标准的 API 接口。

1.5.5、IoT 平台

OceanConnect 是华为公司基于物联网、云计算和大数据等技术打造的开放生态环境。OceanConnect 围绕着华为 IoT 联接管理平台，提供了 170 多种开放 API 和系列化 Agent 帮助伙伴加速应用上线，简化终端接入，保障网络联接，实现与上下游伙伴产品的无缝联接，同时提供面向合作伙伴的一站式服务，包括各类技术支持、营销支持和商业合作。

1.6、NB-IoT的应用场景

根据工信部发布《关于全面推进移动物联网（NB-IoT）建设发展的通知》，到2020年，NB-IoT网络实现全国普遍覆盖，面向室内、交通路网、地下管网等应用场景实现深度覆盖，基站规模达到150万个。同时，要求推广NB-IoT在细分领域的应用，逐步形成规模应用体系。

 现阶段，NB-IoT垂直行业主要集中交通行业、物流行业、卫生医疗、商品零售行业、智能抄表、公共设施、智能家居、智能农业、工业制造、企业能耗管理、企业安全防护，常见案例场景如下：

智慧社区

泊位管理

智能设备管理

更多NB-IoT知识技能见：NB-IoT技术发展史漫谈 

2、项目实验平台

本项目实验使用华为 IoT 认证培训指定用板，该产品资源十分丰富，并参考不同应用场景设计，NB-IoT 相关的方案都可以在此开发板上验证，同时扩充丰富的接口和功能模块，整个开发板显得十分大气。

实验板参数指标：

• CPU:STM32L431RCT6，LQFP64，FLASH：128K，SRAM：64K
• 1 个电源指示灯(红色)
• 2 个充电状态指示灯（充电中：红色，满电：绿色）
• 1 个调试指示灯(绿色)
• 1 个 USB 串口，可用于单片机 log 打印及 NB-IoT 模组调试
• 1 个 OLED，可用于显示调试信息
• 2 个复位按键，分别用于复位单片机及 NB-IoT 模组
• 4 个功能按键，用于人机交互
• 1 个电源开关，控制整板的电源
• 1 个扩展接口，用于扩展不同传感器
• 1 个 10440 锂电池座，并带电池

实验板布局设计：

实验板PCB设计：

环境搭建：Keil5简介、下载、安装及破解（NB-IoT项目实战专栏—2）