基于物联网和NB-IOT技术的新型数据采集与通信系统

发表时间：2018-05-18T17:20:10.050Z 来源：《基层建设》2018年第1期 作者： 水少青

[导读] 摘要：根据物联网的三种应用架构和基于蜂窝的窄带物联网NB-IOT技术相结合结合新型数据采集与通信系统的体系结构，设计了一种新型数据采集与通信系统方案，该系统将有线通信与无线通信、无线传感网络短距离通信与GPRS/CDMA/3G远距离通信有机地结合起来，提出了通信中心应用软件网络功能的需求、提出了远程数据采集终端现场传感器与终端之间无线组网的方式。 万马科技股份有限公司 311306

摘要：根据物联网的三种应用架构和基于蜂窝的窄带物联网NB-IOT技术相结合结合新型数据采集与通信系统的体系结构，设计了一种新型数据采集与通信系统方案，该系统将有线通信与无线通信、无线传感网络短距离通信与GPRS/CDMA/3G远距离通信有机地结合起来，提出了通信中心应用软件网络功能的需求、提出了远程数据采集终端现场传感器与终端之间无线组网的方式。该系统与传统的实现方案相比，该方案的通信组网有明显的优势。

关键词：RFID、物联网、数据采集与通信、无线传感器网络、NB-IOT通信组网 1 引言

物联网（The Internet of things）即通过射频识别（RFID）、传感器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、通信和管理的一种网络，通俗地说就是可实现“感知世界”的网络，而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。

数据采集与通信系统是以计算机为基础的数据自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能，也就是实现在具体应用领域的“感知”。

因此可以说物联网技术对自动化工程师而言并不是一个陌生的概念。因为，无论工厂的现场设备，还是电网、自来水管网、燃气管道、铁路、桥梁、隧道、水文水利系统，甚至我们的飞船、卫星运行监测，无不是通过将物物相联的这个“物联”网络来实现的，只不过我们传统上将这些专业领域的“物联”应用称之物联网。当然从定义上来看，物联网是一个更广泛意义上的“感知”网络，通过物联网我们可将“感知”扩展到每台设备、每件商品，甚至每个人，实现对静态物的通信与管理、对动态物的定位与跟踪、对商品的识别，以真正达到 “感知中国”、“智慧地球”的目标。因此，严格意义上说物联网既是这一传统“感知”技术在概念与应用的延伸，又是对类似像NB-IOT低功耗广域网技术通信覆盖。

随着网络与通信技术的发展，物联网技术必将促进新型感知和通信技术体系结构的变革与升级，使基于物联网和NB-IOT技术的新型数据采集与通信系统的应用领域越来越广，除了在传统的供水、供气、环保、能源、轨道交通、机场、铁路、电力、石油、石化等行业外，在大众的日常工作生活及其它各种领域中也将得到广泛应用，最终使基于物联网和NB-IOT技术的新型数据采集与通信系统这一物联网的垂直具体应用系统，真正发展成为“感知世界”的人工智慧网。 2物联网体系的三层架构

综合国内各权威物联网专家的分析，将物联网系统划分为三个层次：感知层、网络层、应用层，并依此概括地描绘物联网的系统架构。把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，把物理世界与信息世界相联结，物联网应用有三种架构：

1）感知层解决的是人类世界和物理世界的数据获取问题，由各种传感器以及传感器网关构成。该层被认为是物联网的核心层，主要是物品标识和信息的智能采集，它由基本的感应器件（例如RFID标签和读写器、各类传感器、摄像头、GPS、二维码标签和识读器等基本标识和传感器件组成）以及感应器组成的网络（例如RFID网络、传感器网络等）两大部分组成。该层的核心技术包括射频技术、新兴传感技术、无线网络组网技术、现场总线控制技术（FCS）等，涉及的核心产品包括传感器、电子标签、传感器节点、无线路由器、无线网关等，电子标签可能是三类技术体系中最灵活的能够把“物”改变成为智能物件的，它的主要应用是把移动和非移动资产贴上标签，实现各种跟踪和管理。

2）传输层也被称为网络层，解决的是感知层所获得的数据在一定范围内，通常是长距离的传输问题，主要完成接入和传输功能，是进行信息交换、传递的数据通路，包括接入网与传输网两种。传输网由公网与专网组成，典型传输网络包电信网（固网、移动网）、广电网、互联网、电力通信网、专用网（数字集群）。接入网包括光纤接入、无线接入、以太网接入、卫星接入等各类接入方式，实现底层的传感器网络、RFID网络的最后一公里的接入。基于传感网络的物联网应用架构：主要是指无线传感网络（NB-IOT、WSN, Wireless

Sensor Networks），WSN由分布在自由空间里的一组“自治的”无线传感器组成，共同协作完成对特定周边环境状况，包括温度、湿度、化学成分、压力、声音、位移、振动、污染颗粒等的通信。WSN中的一个节点（或叫Mote）一般由一个无线收发器、一个微控制器和一个电源组成。WSN一般是自治重构（Ad-Hoc或Self-Configuring）网络，包括无线网状网（Mesh Networks）和移动自重构网（MANET）等。 3）基应用层也可称为处理层，解决的是信息处理和人机界面的问题。网络层传输而来的数据在这一层里进入各类信息系统进行处理，并通过各种设备与人进行交互。处理层由业务支撑平台（中间件平台）、网络管理平台（例如M2M管理平台）、信息处理平台、信息安全平台、服务支撑平台等组成，完成协同、管理、计算、存储、分析、挖掘、以及提供面向行业和大众用户的服务等功能，典型技术包括中间件技术、虚拟技术、高可信技术，云计算服务模式、SOA系统架构方法等先进技术和服务模式可被广泛采用。

在各层之间，信息不是单向传递的，可有交互、控制等，所传递的信息多种多样，包括在特定应用系统范围内能唯一标识物品的识别码和物品的静态与动态信息。尽管物联网在智能工业、智能交通、环境保护、公共管理、智能家庭、医疗保健等经济和社会各个领域的应用特点千差万别，但是每个应用的基本架构都包括感知、传输和应用三个层次，各种行业和各种领域的专业应用子网都是基于三层基本架构构建的。

3NB-IOT技术优势

“万物互联”实现的基础之一在于数据的传输，不同的物联网业务对数据传输能力和实时性都有着不同要求，根据传输速率的不同，可讲物联网业务进行高、中、低速的区分： 高速率业务：主要使用3G、4G技术，例如车载物联网设备和监控摄像头，对应的业务特点要求实时的数据传输；中等速率业务：主要使用GPRS技术，例如居民小区或超市的储物柜，使用频率高但并非实时使用，对网络传输速度的

要求远不及高速率业务；低速率业务：业界将低速率业务市场归纳为LPWAN（Low Power WideArea Network）市场，即低功耗广域网到目前还没有对应的蜂窝技术，多数情况下通过GPRS技术勉力支撑，从而带来了成本高、影响低速率业务普及度低的问题。2016年6月16日，NB-IoT获批，正式宣告了NB-IoT标准的核心协议即将冻结，也标志着NB-IoT即将进入规模商用阶段。一方面，NB-IoT凭借覆盖广、海量链接、低功耗、低成本和稳定性高的突出优点，抢滩之前标准不一的低速率业务（LPWAN）物联网市场；另一方面，中国企业华为成为NB-IoT 的主要推动企业，中国市场有望深度参与，助力LPWAN 物联网市场的快速成长。芯片厂商卡位NB-IOT 新机遇，分享物联网市场盛宴芯片是物联网的核心设备，物联网芯片主要包括：MCU、FPGA、Memory、Sensor、连接芯片等。随着NB-IoT 的商业化，物联网有望得到快速发展，相伴而来物联网芯片市场将会彻底打开。根据分析机构MarketsandMarkets预测，2016- 2022 年全球物联网芯片市场复合成长率将高达11.5%，2022全球物联网芯片市场规模或将超100 亿美元。全球包括高通、因特尔、华为在内的各大主流芯片厂商也都纷纷推出NB-IoT 布局计划，国内芯片厂商有望卡位NB-IoT 新机遇，分享物联网市场盛宴。 MEMS：感知时代，小器件有大未来受益于MEMS 器件功能多元化发展和消费电子产品市场驱动，MEMS行业的市场规模逐年攀升。随着MEMS产品价格下降、功能多元化、性能高端化，将逐渐成为传感器

主流，其终端应用领域也会越来越广泛。随着包括智能汽车、无人机和机器人和可穿戴设备在内的物联网领域快速发展，MEMS作为感知层重要器件，也将迎来快速发展。 4RFID和NB-IOT技术的应用举例

医疗器材出入库联网管理系统，是通过联网与仓储有效结合，对于进入存储单元的每个医疗器材追踪和报警，并且实时采集存储单元的温度湿度最大限度的保证了这些医疗器材的安全性和时间有效性。基于物联网实现了医疗器材云平台一体化管理系统，最大限度实现了医疗器材的可追溯性，系统采用了物联技术，RFID射频技术，网络传输，服务器云平台。

以上是管理系统示意图

第一.首先仓库分多个存储单元，我们可以理解这些存储单元是一个冰箱也可以理解是一个小区域，总之是需要独立划分的一个区域，可以独立进行管理定位。

2.再者控制板主机：该主机包括三大部分，控制板，无线模组，RFID读卡器，体积大小约10×20cm,其中RFID读头可以做为模块采购成品，最后集成到产品上。

3.控制板主机通过MCU 把全部部件连接在一起，设置一个按键：取出/存入（类似商场的储物箱） 4.网关将整个仓库区域的全部单元信号发送到服务器 5.医疗器材RFID标签，该标签贴在被管理设备上。 服务器包括后台管理平台和数据显示平台

其中后台管理主要提供医疗器材登记入库，选择进入仓库--存储单元，以及增加、删除、修改显示平台主要实时显示全部器材的信息 第二：业务逻辑

1.在控制面板中的存入按键，在RFID读卡器上读取一次，并且放在该区域，系统会自动加入一条记录，并且时间、位置都会自动上报。

2.实时采集环境数据到服务器，动态跟踪产品的时间是否过期。

3.如果要取出该器材，按下取出按键，全部数据会自动发送到服务器，系统会更加操作对该记录删除，表示出库 第四：业务逻辑

NB-IoT频率部署方案可按其分配频段与LTE频段的关系分为In-band、Guard-band、Stand-alone模式，具体如图1所示。

（1）In-band是指NB-IoT占用LTE载波的任意一个PRB（Physical Resource block，物理资源块），但逻辑上仍是独立系统。In-band模式能够较为灵活地通过增加NB-IoT载波进行载波扩展，但是会占用LTE的频率资源，使得LTE系统容量降低，同时LTE系统的RS

（Reference Signal，参考信号）、PDCCH（Physical Downlink Control Channel，物理下行控制信道）开销也会导致NB-IoT容量降低。此外，In-band模式还需控制下行发射功率以降低对LTE的干扰，因此会降低NB-IoT的覆盖，并且NB-IoT载波不应放置于LTE频段中间，以免影响LTE单用户上行峰值速率。

（2）Guard-band是在LTE保护带中部署，需要预留和LTE之间的100 kHz以上的保护带。利用保护带可提升频谱利用效率，但是依然需要考虑下行发射功率对LTE系统的干扰，因此Guard-band与In-band模式一样会降低NB-IoT的覆盖。

（3）Stand-alone是指在LTE载波外选择一段超过180 kHz以上的空闲频谱独立部署。由于与LTE工作频率相互独立，因此相比其他两种部署方式，无需考虑对LTE系统的影响，与带内部署相比Stand-alone模式可以增加下行发射功率13 dB左右，能够有效增大系统下行能力。但是，独立部署方案需额外占用频谱资源，并需要留出一定的频率保护间隔，而实际上真正可用于部署的频率资源并不丰富。 参考文献:

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