华为 IoT 认证课程一

物联网

通信感知技术成就了物联网

1.初识物联网

“特洛伊咖啡壶”  —— 八年后1999年提出物联网概念：指依托RFID（射频识别）技术和设备，按约定的通信协议与互联网结合，使物品信息实现智能化识别和管理，实现物品信息互联、可交换和共享而形成的网络。

• 21世纪：
• 2005年国际电信联盟在WSIS上发布了物联网新的定义和范围，不再只是基于RFID技术
• 2008年IBM提出“智慧地球”
• 2009年8月“感知中国”，推动中国物联网发展
• 2013年4月，德国政府在汉诺威工业博览会上正式提出“工业4.0”战略
• 2015年5月8日，“中国制造2025”发布

云-管-端的逻辑体系

• 感知层：负责信息收集和信号处理
• 网络层：负责终端接入和数据传输
• 平台层：负责设备通信管理、数据存储、业务规划等
• 应用层：负责数据呈现及客户交互

垂直行业应用划分：

公共事业物联网、车联网、工业物联网、智慧家庭物联网

稳定可靠的有线通信

物联网发展离不开通信技术的发展

有线通信技术：以太网、RS-232、RS-485、M-Bus、PLC

无线通信技术：Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、Z-Wave、NB-IoT、2G3G4G等

以太网：现有局域网采用的最通用的通信协议标准

RS-232：个人计算机上的通讯接口之一，EIA指定的异步传输标准接口，DB-9或DB-25

RS-485：解决RS-232能实现点对点通信却不能联网的问题而发展起来的

RS-232与RS-485区别：

• 传输方式不同，RS-232采取不平衡传输方式，单端通讯；RS-485采用平衡传输，差分传输方式
• 传输距离不同，RS-232不超过20m，RS-485几十米到上千米
• 通信数量，RS-232一对一通信，RS-485总线上允许连接128个收发器

M-Bus——Meter Bus——户用仪表总线，用于非电力户用仪表传输的欧洲总线标准

基于OSI参考模型，但不是真正意义上的网络，只对物理层、链路层、网络层、应用层进行了定义，在七层模型之外增加管理层，可不遵守OSI模型对任一层次管理。

M-Bus串行通信的方式的总线型拓扑结构图适合公用事业仪表的可靠、低成本的组网要求

PLC——Power Line Communication，电力线通信，利用电力线传输数据和媒体信号，该技术是把载有信息的高频加载于电流，然后用电线传输接受信息的适配器，再把高频从电流中分离出来并传送到计算机或电话已实现信息传递。

PLC非常便于在传统数据处理设备与计算机外设之间交换数据。

百家争鸣的无线通信

蜂窝移动通信：GPRS属于2G

短距无线通信技术：蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、Z-wave等

蓝牙：大容量、近距离、无线数字通信技术标准，爱立信公司创制，作为RS-232数据线的替代方案

• 2.4-2.485GHZ的ISM波段的无线电波
• 最高数据传输速率1Mbps
• 最大传输距离为10厘米~10米的数据传输（通过增加发射功率传输距离可达100米）

优点：速率快、低功耗、安全性高

缺点：网络节点少，不适合多点布控

Wi-Fi：

优点：范围覆盖广、数据传输速率快

缺点：传输安全性不好，稳定性差，功耗略高

ZigBee：基于IEEE802.15标准的低功耗局域网协议，特点：近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率，缺点：物体阻挡信号衰减、不同芯片兼容性较差，网络较灵活，不易维护

Z-Wave：优点：网络结构简单，低功耗，低成本，可靠性高；缺点：速率较低，标准不开放，芯片只能通过Sigma Designs这唯一来源获取

万物互联的LPWA

LPWA通信技术：低功耗广域网，SigFox，LoRa，NB-IoT

SigFox采用UNB（超窄带）技术，传输功耗水平非常低，且能维持一个稳定的数据连接，传输速率100bps，使用免授权的Sub-G的ISM射频频段。

LoRa基于开源的MAC层协议的低功耗广域网标准，同时基于Sub-GHz的频段使其更易以较低功耗远距离通信。

采用扩频技术的超远距离无线传输方案，改变了以往的传输距离与功耗的折衷考虑方式，实现远距离、长电池寿命、大容量的系统、进而扩展传感网络。

NB-IoT：构建于蜂窝网络的窄带物联网，只消耗180kHz的宽带，可直接部署于GSM网络、UMTS网络、LTE网络以降低部署成本，可直接构建在运营商蜂窝网络上，但NB-IoT需要授权。覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点。

2.IoT平台，能力开放

解锁物联网平台，与OceanConnect相识

MQTT和CoAP协议

MQTT基于TCP/IP，优点：协议简单、轻量级、消息可以短至2个字节、对终端的硬件配置要求低，有助于降低终端成本。

CoAP基于UDP/IP，有消息重传机制，优点：数据报长度的最优化，提供可靠通信，节省电量

物联网平台根据服务层次分类：

设备管理平台、连接管理平台、应用使能平台、业务分析平台

OceanConnect功能架构

平台层分为

• 业务使能层：API开放管理、数据管理、规则引擎等功能；
• 设备连接层：统一的接入能力、资产和设备管理、SIM卡连接管理等功能。

设备管理

OceanConnect平台特点：接入无关、可靠性、安全性、弹性伸缩、能力开放

OceanConnect平台逻辑架构

• IoCM：IoT联接管理模块，平台最重要的模块，支持联接状态管理和控制命令转发。
• DM Server：支持物联网设备信息管理、升级等
• Rule Engine：用户可以通过设置规则来满足一些业务需求
• MongoDB：用户信息数据库，存储所有物联网设备的信息
• CIG：云网关，提供终端接入协议适配功能，支持不同类型的物联网设备接入OceanConnect
• 南向的终端设备可以通过CIG的协议适配连接平台
• 平台通过API Server接入北向的IoT应用服务器

OceanConnect的业务流程：

1. 北向注册流程：登录SP Portal，通过平台对SP用户的鉴权，在SP Portal上创建APP应用，选择应用的行业和API接口管理，记录应用的账号密码，以及南向、北向接入OceanConnect的IP和端口号，上传物联网设备的profile文件，使OceanConnect记录这一款设备的型号以及对应的功能、能力，上传物联网设备对应编解码插件，使CIG网关具备对这一款设备准确的编码、解码能力。
2. 业务发放流程：应用服务器通过申请的APP ID和密码，登录OceanConnect平台，然后应用服务器进行设备开户，设置IoT设备的关键标识到平台侧，为IoT设备开户，并且更新IoT设备的详细信息、设备类型、制造商、型号、协议等，最后，IoCM把IoT设备的信息存入Mongo DB，需要注意的是，必须先为IoT设备在OceanConnect开户，否则设备是非法的，不能进入到平台中。
3. 南向注册流程：IoT设备上电连网后，带着设备的关键标识到OceanConnect发起注册，OceanConnect发现应用服务器已经为设备开户，注册成功，IoT设备根据鉴权算法计算出鉴权码，用鉴权码去OceanConnect鉴权，IoCM在Mongo DB更新IoT设备状态信息，IoCM通知IoT应用服务器设备已经上线，在南向注册流程中，注册只需要执行一次，成功后就不用注册了，为了数据安全，鉴权需要执行多次，一般IoT设备主动跟平台发消息时需要先鉴权。
4. 南向消息上报：当IoT设备发现满足消息上报条件时，主动发消息给OceanConnect，根据收到的消息，IoCM判断是否需要存入数据库，如果需要存入数据库，则把消息保存到Mongo DB中，根据收到的消息，IoCM判断是否需要上报给应用服务器，如果需要，则把消息转发给应用服务器。                    不同IoT设备消息上报机制不同：周期性上报和事件性上报。
5. 控制消息下发：应用服务器主动向IoT设备下发控制消息，OceanConnect把消息转发给IoT终端，IoT设备收到消息后，执行控制消息的内容，并判断是否需要回复消息，如果需要，则回复消息，根据收到的消息，IoCM判断是否需要上报给应用服务器，如果需要，则把消息转发给应用服务器。                   为了省电，很多IoT设备不是一直在线的，比如水表，这类设备的控制消息往往不是实时转发的，OceanConnect收到这类控制消息后，会把消息存储起来，等到IoT设备主动跟平台发消息时，再把控制消息转发下去。

3.窄带无线，海量物联

NB——Narrow Band：基于窄带的通信技术

NB-IoT构建于电信运营商的蜂窝移动网络

NB-IoT网络架构

NB-IoT终端属于感知层，负责数据信息的采集处理，并且通过NB-IoT通信模组进行无线连接，发送数据

NB-IoT基站与EPC核心网属于网络层，负责数据信息的接入、传输、转发，其中，NB-IoT的eNodeB基站是低成本站点解决方案，可以在原有的2G或者4G的基站上通过软件或更换基带板进行升级，并且相比之前，支持更大容量的连接。

NB-IoT核心网包含4个网元，这四个网元也是LTE的网元：

• MME，是LTE接入网络的关键控制节点，负责空闲模式的终端设备的定位，传呼过程，包括中继。简单地说MME是负责信令处理部分
• HSS，用户归属网络中存储用户信息的核心数据库，用于在归属网络中保存用户的签约信息
• SGW，负责和无线建立连接，把用户的数据包转发至PGW
• PGW，PDN网关，是3GPP与non-3GPP网络间的用户面数据链路的锚点，负责管理3GPP和non-3GPP间的数据路由，还负责策略执行、计费等功能。

物联网平台属于平台层，负责数据存储、数据管理，并且负责应用层协议栈的适配、终端设备管理，提供API的能力开发、大数据分析等。

第三方应用属于应用层，负责数据呈现于用户界面的交互，例如APP软件、Web界面

Niubility

NB-IoT的系统带宽为180kHz，上行技术采用SC-FDMA，是子载波连续的调制解调技术，也是用于LTE上行链路的主流技术。

单载波：表示终端设备上行数据传输仅占用一个子载波；多载波：表示可以占用多个子载波进行上行数据传输。在相同功率前提下，单载波比多载波拥有更高的功率谱密度增益

NB-IoT下行技术采用OFDMA，是OFDM技术的演进，将OFDM和FDMA技术结合，OFDMA在利用OFDM对信道进行子载波化后，再在部分子载波上加载传输数据。

NB-IoT对比LTE，精简了不必要的物理信道，在下行只有三种物理信道和两种参考信号，在上行只有两种物理信道和一种参考信号。

NB-IoT的物理信道通过降低目标速率、多次传输、采用低阶调制方式等措施，已达到增加覆盖，降低成本，降低功耗的目的。

NB-IoT支持3种部署方式，独立部署，保护带部署与带内部署

• 独立部署模式，可以利用单独的频带，适合用于GSM频段的重耕
• 保护带部署模式，可以利用LTE系统中边缘无用频带
• 带内部署模式，可以利用LTE载波中间的任意资源块

NB-IoT关键技术

四大关键特性：超低功耗、超低成本、超强覆盖、超大连接

超低成本：NB-IoT芯片专为物联网设计，窄带、低速率；单天线、半双工方式；另外，简化信令处理，大幅降低芯片价格。

超低功耗：物联网设备一般只会上行发送数据包，而且发不发数据包自己决定，不需要随时standby等待其他终端的呼叫，针对小包、偶发的物联网应用场景，NB-IoT设计两种独特的省电模式PSM与eDRX：

• PSM模式下，终端处于激活态时发送数据包，随后进入寻呼监控态，监控网络侧有无消息下发，此外，为了降低功耗，增加寻呼监控的时长，PSM模式在寻呼监控态中插入了空闲态，在寻呼监控态之后，终端会进入休眠状态，不再进行任何通信活动，等到它有上报数据的请求的时刻，它会唤醒它自己，随后发送数据。处于PSM模式的休眠态时，终端仍旧注册在网，但此时信令不可达。所以终端处于PSM省电模式下时，业务平台下发的控制指令并不能都实时到达终端，下行的控制指令要先缓存在IoT平台中，按照物联网平台的行为习惯，终端将会达到99%的时间在休眠状态，使得功耗会非常低，实现了设备超低功耗。
• eDRX，扩展非连续接收，对应的还有DRX，非连续接收，DRX技术指的是不连续接收寻呼消息，因为解码寻呼信道的消息会耗费大量的能量，因而DRX也是无线通信终端节省电量的重要方法，而eDRX是在DRX基础上进行扩展，进一步延长终端在空闲模式下的休眠周期，减少接收单元不必要的启动。相对于PSM而言，则大幅度增加了下行可达性。

对于PSM和eDRX两种模式，NB-IoT终端可以分别独立使用，它们的应用场景也有所不同，例如，在智慧水表的业务，带有NB-IoT的水表会采用PSM模式工作，再例如，共享单车、物流跟踪的业务，NB-IoT的终端则会采用eDRX模式工作。

超强覆盖：通过时域重传技术和提升功率谱密度，相比GSM与LTE网络的MCL有20dB增益的提升。

• MCL：最大耦合损耗，数值越大，覆盖范围越大
• 使用15kHz的子载波，可以比180kHz提升11dB的增益
• 重复发送，9dB下行增益和12dB上行增益

超大连接：基于物联网的话务模型，可以设计更多的用户接入，保存更多的用户上下文。

eLTE-IoT的技术

eLTE-IoT基于1GHz一下的非授权ISM频谱，采用灵活易部署的轻量化设备，并支持标准物联网协议与企业现有应用平台进行对接

关键技术：基于ISM频谱可靠连接、更大容量海量物联、最长10年更低功耗、最大10KM更广覆盖

• 采用跳频技术避免外部干扰提高可靠性，并具备强大的收发机制保证可靠连接。
• 海量物联主要通过小包数据快传技术实现
• 引入了NB-IoT中采用的节能技术PSM模式和DRX模式
• 通过提升功率谱密度提升覆盖，最大覆盖半径可达10km，也采用时域重传技术来提升覆盖。

eLTE-IoT网络架构

eLTE-IoT是一个开放被集成的架构，向上可以与第三方行业应用和平台集成，向下eLTE-IoT模组可以通过串口实现与第三方终端设备集成，构筑端到端的生态系统。

eLTE-IoT的网元设备包含业务引擎、IoT一体化基站AirNode、用户接入终端CPE、IoT模组与网管设备。

• 业务引擎是eLTE-IoT网络的核心汇聚节点，主要提供终端设备管理，终端和AirNode接入认证鉴权，网络协议处理，数据转发等功能，并且与第三方的物联网应用或平台对接。
• AirNode是轻量化设计的基站，支持挂墙安装和抱杆安装，支持有限传输与业务引擎直连，也可通过外置3G、4G无线回传模块通过无线网络回传，实现与业务引擎的数据回传。

4.物联网管，汇聚回传

工业物联网关功能

物联网关属于物联网架构中的网络层，负责下行汇聚、上行回传

边缘计算：在靠近终端设备或数据源头的边缘节点，融合联接、计算、存储、控制和应用等核心能力的开放平台，满足用户实时、智能、数据聚合和安全需求。

工业物联网关关键技术：

宽带电力线载波技术，通过通信频段选择和自适应技术，有效避开2MHz以下的主要噪声区间

RF Mesh技术：Mesh不仅能中继信号、扩展无线覆盖范围，而且网络自组织、自修复、流量自平衡，并且可以提升带宽、降低发射功率。传输层使用UDP协议，接入认证由PANA和EAP协议保证，网络层采用IPv6协议，基于距离矢量的RPL路由协议实现Mesh组网，基于Neighbor Discovery协议实现邻居发现，基于6LoWPAN做报文压缩和分片，RF Mesh的物理层与我们熟知的ZigBee物理层一样，都是采用IEEE 802.15.4的标准。

华为电力物联网解决方案

智能电网的发展趋势：集中部署与云化架构、软件定义智能电网、配用电一体化、微网应用与互动、家庭能源管理。

输        变        配        用        四个环节，用电环节最重要，华为电力物联网主要采用的抄表协议包括：DLMS、Modbus

Billing计费、Prepay预付费、MDM电表数据管理、CRM客户关系管理等

华为照明物联网解决方案

感知层：使用外置型路灯控制器AR501L 1Rc，符合ANSI C136.4标准接口，通过路灯控制器对路灯进行开关、调光、制定计划、采集数据等。在部署路灯控制器之后，可以通过移动端APP扫码方式安装，通过手机的GPS功能自动获取和上报设备的经纬度信息，以及设备ID、设备安装道路信息等。

网络层：通过RF Mesh技术或ZigBee技术连接到工业物联网关，网关汇聚通过3G或LTE进行回传。

平台层：使用EEM作为物联网平台后台软件，EEM基于华为Agile Controller平台开发，上行提供标准的REST等接口给第三方应用系统，主要提供的四大核心功能：设备管理，计划、策略管理，远程升级管理，数据存储。

应用层：使用基于GIS的路灯管理应用软件CityConnect平台，平台的主要功能包括设备运维管理：负责设备安装、更换、拆除等功能；设备告警：实时监测设备运行情况，如出现异常，则产生告警；GIS地图监控：精确定位设备位置，并通过GIS标注设备运行状况，做到实时监测功能；数据统计：定期统计设备的用电情况，自动生成各类用户所需报表，支持定制化，寿命管理，对所有的路灯进行使用寿命统计和管理，达到使用年限的设备，提前产生告警替换。

智慧家庭网络

家庭外接入运营商的宽带网络，而家庭里的网络包括了基础的宽带网络与智能互联网络。

家庭物联网关：智能提速、家庭Wi-Fi无缝覆盖、智能互联与智能业务、智能运维

5.操作系统，轻量开源

自行查阅关于LiteOS的资料