第115期【智造+V課堂】“工業互聯網”主題分享月第四期，邀請蘇州大學計算機科學與技術學院教授、博士生導師王宜懷，王教授從物聯網的概念、窄帶物聯網NB-IoT出現的時機及其特點、給產業轉型帶來的機遇和挑戰、NB-IOT應用架構等方面深度分享“窄帶物聯網NB-IoT應用架構”。

一、分享嘉賓

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蘇州大學計算機科學與技術學院教授   王宜懷

1. 重磅頭銜

• 蘇州大學計算機科學與技術學院教授、博士生導師、網絡工程系主任;
• 蘇州大學嵌入式系統與物聯網研究所所長;
• 江蘇省計算機學會嵌入式系統與物聯網專業委員會主任;
• 中國軟件行業協會嵌入式系統分會理事。

2. 獲得榮譽

• 江蘇省科技進步三等獎，蘇州市科進步二等獎，全國高等學校計算機教學成果一等獎等;
• 福建省八五期間電子信息應用先進個人、福建省南平市政協“優秀委員”、福建省科技進步三等獎。

3. 參與重大項目

• 完成國家自然科學基金3項，省級科研項目6項;
• 完成《基于傳感網技術的城市照明控制系統》、《圖形構件化嵌入式與傳感網開發平臺》、《基于窄帶物聯網NB-IoT燃氣表設計》、《金葫蘆IoT-GEC》等30余項應用開發類科研項目。

4. 著作及擅長領域

• 撰寫《嵌入式實時操作系統MQX應用開發技術》、《汽車電子KEA系列微控制器》等10余部著作。
• 獲得12項發明專利，公開發表論文80余篇。
• 主要研究方向：嵌入式系統與物聯網、嵌入式人工智能系統。

二、分享主題

《窄帶物聯網NB-IoT應用架構》

三、分享大綱

1. 物聯網從概念到落地

2. 窄帶物聯網NB-IoT出現的時機及其特點

3. NB-IOT給產業轉型升級帶來的機遇與挑戰

4. 建立NB-IOT應用架構

5. NB-IOT應用項目各部分開發模板

6. 金葫蘆—“照葫蘆畫瓢”開發方法

四、原文實錄

原文實錄context:

大家好，我交流的題目是《窄帶物聯網NB-IoT應用架構》。主要是從降低開發門檻、節約開發成本、縮短開發時間，這幾個角度來談。

 

這個是本次交流的一些基本信息，通過這些信息，可以獲得有關的資料。我將從6個方面來闡述有關窄帶物聯網的應用開發問題。我們從物聯網概念說起。計算機網絡，把地球連在一起，使地球成為地球村。而物聯網是希望把萬物連接到互聯網上，這樣使得我們通過計算機，通過互聯網能夠得到有關物體的一些信息，并對物體進行操作。

物聯網的概念，在我國熱絡的起點應該是2009年。那么這個時候，我們國家提出了大力發展物聯網的一些產業，但是總體上來說，這個時間點不大成熟。那么實際上，物聯網就是互聯網加上無線傳感器網絡，以及加上了數據采集及控制。實際上，我們應當等待著大規模應用時機的到來，這個大規模的時機是什么時候呢?應當是技術、成本、開發門檻降低到一定的程度，物聯網才能夠落地。

在這段時間內，從2006年開始我們也陸續做了一些工作。這個是我們在2010年左右開始做的水質檢測系統，也獲得了發明專利。

這個是我們蘇州大學在2011-2015年之間做的一個基于物聯網技術的智能路燈系統，這個系統我們在十幾個城市也有使用。從中我們積累了很多這方面的開發經驗和公共技術。

這個是我們做的，基于物聯網技術的農業大棚，持續了幾年時間。主要目的是一個個項目去做，但是從這些項目之中，我們想抽取一些共性的技術。

下邊我們談談，窄帶物聯網出現的時機及其特點。

窄帶物聯網是在2016年左右陸續推出，我們國家真正開始推廣的時候是去年(2017年)，今年基本上逐步開始落地了。為什么在這樣的時間點?或者它有什么樣的一些特點呢?首先從物聯網連接的分類談起，物聯網連接的分類，我們有高速率、中速率和低速率，分別應用于不同的場景。我們絕大多數物聯網的數據采集與控制應用系統，應該是屬于低速率這樣一個應用范疇。比如說用在智能抄表、環境監測、智能家居、物流等等。

物聯網市場發展催生了新型的聯網方式的出現。我們原來是用GPRS加上局部的無線傳感網絡WSN的方法，想來解決低功耗、廣域網的問題，當然具有成本比較高，開發層次多，技術門檻高等缺點。物聯網市場發展就催生了新的聯網方式的出現，比如說Lora、Sigfox等等。窄帶物聯網從2014年3月開始立項，研究目標就是支持更低復雜度、低成本、低功耗，這樣的覆蓋方式。這就是窄帶物聯網的雛形。

窄帶物聯網的標準制定基本上從2014年3月開始，陸續在2014年的5月，華為開始和沃達豐聯合研究。2015年5月，沃達豐聯合高通共同研制了上下行的技術標準。2015年7月，愛立信、華為分別向3GPP提出了標準提案。到了2016年5月核心工作基本制定完成。

如果講窄帶物聯網我們要簡要的了解一下，物聯網體系中的局域網、廣域網、寬帶、窄帶的術語。實際上我們低功耗局域網中的每個節點的傳輸，比如說百米級低功耗的局域網，而廣域網應當是在千米級。當然通信，就像大路一樣的，我用寬帶和窄帶無非是通信量的大小或者是需求量的大小。

窄帶物聯網基本的特點具有五個：

• 第一個是大連接，按照目前的設計，一個基站是希望能夠連到10萬個終端。
• 第二個是廣覆蓋，希望一個基站可以覆蓋幾平方千米的范圍。
• 第三個是深穿透，希望在陰井蓋底下的信號也能傳上來(終端放在陰井蓋下面)。
• 第四個是低成本，指建設、運營和終端的成本都要低。
• 第五個是低功耗，能夠實現超長時間的待機。

 

那么窄帶物聯網為什么會流行呢?

• 第一點，市場需要。原來的技術成本過高，原來的技術方案基本上我們是用GPRS加上WSN，去解決低功耗廣域網的問題，成本偏高。
• 第二點，運營商介入。現在三大運營商都在發展窄帶物聯網。
• 第三點，產業設備商介入。比如華為、中興、高通等等，都在介入有關的設備。
• 第四點，國際研發同步。
• 第五點，政府推動。

2017年6月6日，國家公信部辦公廳發出了《關于全面推進移動物聯網(NB-IoT)建設發展的通知》戰略文件，表明了政府發展窄帶物聯網的實際行動。

窄帶物聯網為什么是產業轉型升級的一次機遇?

• 第一點，物聯網的概念從2009年開始到現在已經有相當一段時間了，也應該到了落地的時候了，萬物互聯是個大趨勢。
• 第二點，物聯網聚焦的是數據采集，應當是大數據、人工智能、云計算的基礎。
• 第三點，物聯網是信息產業的又一次革命性的發展。
• 第四點，現代化的高速發展使得公共服務領域逐漸擴大，城市管理、環境等方面都為物聯網發展提供了契機。
• 第五點，物聯網的研發成本會大大下降，這一點特別重要。

 

我們如何抓住窄帶物聯網促進產業轉型的機遇呢?分為五點：

• 第一點，充分認識到它是一個機遇。
• 第二點，要選好示范領域。
• 第三點，項目先導，人才是關鍵。
• 第四點，邊實施、邊總結、邊提高。
• 第五點，把物聯網、大數據、云計算、人工智能作為一個整體來推動。

那么窄帶物聯網可以對轉型升級帶來那些機遇，當然，同時是機遇應該也是挑戰。應該說窄帶物聯網，它具有技術門檻高，高在哪里?主要表現在需要軟硬件協同設計。涉及到軟件、硬件及行業領域的知識。這一些系統，具有較高的實時性。許多物聯網的智能產品，必須有較強的抗干擾性和穩定性。開發過程需要軟件、硬件不斷地聯合測試等等。因此開發物聯網智能產品具有成本高、周期長、穩定性難以保證等特征。對技術的綜合開發能力提出了更高的要求，這個問題應該是許多中小型終端產品企業技術轉型的重要瓶頸之一。

大多數具體的物聯網智能系統都是針對特定的應用而開發的，許多終端企業的技術人員往往是從零做起。對移植和復用重視不夠，新項目的大多數工作必須重新開發。不同的開發組之間也難以共用技術積累。通常，系統的設計、開發、維護都由不同的人負責。由于設計思想的不統一，會使人員分工不明確，開發效率低下。給系統開發與維護帶來諸多的困難。我遇到很多這種情況，很多中小企業，組織幾個人，一個小組在開發。但是開發了相當長時間，進展緩慢，而且穩定性和各個方面都存在問題。這就是我們窄帶物聯網要應用開發、普及的話所面臨的難題。

那么解決這個難題有沒有方法呢?解決這個難題應該是我們做為一線公共的技術研究人員。而不是說某一個工廠的研究人員去處理的，我們應當從什么入手呢?我們應該從技術科學的層面，研究、抽象物聯網應用系統的技術共性。加以凝練分析，形成可復用、可移植的構件、類與框架。

實現整體建模，合理分層，達到軟硬件可以復用、移植的目的。因此技術科學這個層面的主要任務是什么呢?就是提出物聯網智能系統的技術架構及應用方法。給出軟硬件模板，我們把它叫做“葫蘆”。以便使技術人員可以在此基礎上，進行特定應用產品的開發，我把它叫做“照葫蘆畫瓢”。這個架構應當是抽象物聯網智能系統的共性技術。合理分解知識要素，應該理清共性與個性的銜接關系，封裝軟硬件構件，實現軟件分層以便復用。因此可以有效降低技術門檻，希望能把原來要研究生開發的，降到本科生或者說是專科生就能開發。我們要理清共性和個性的銜接關系，封裝軟硬件構件，實現這個軟件分層與復用，當然這個是中間件。但是有了中間件，它能夠為終端產品服務，有了它就可以大大降低技術成本。那么我們把這個整個的架構變成一個模型。

我們把整個窄帶物聯網的應用分成三個小框圖，第一個(左)叫終端;第二個(中)叫信息郵局;第三個(右)叫人機交互系統，這三個組成部分。我們要做的工作是終端和人機交互系統，那么信息郵局這件事，將由三大運營商負責去處理。

終端就是我們做的實際產品，應該說絕大多數的工業互聯網，工廠里面的一些設備，只要能采集、控制和無線通信的都叫終端。我們把微控制器，通信功能以及有關的其他功能全部集中在這個終端上。那么終端具有數據采集、控制、運算與通信功能。

當然就是各種各樣的產品，而且這個應該說是開發難點。因為軟硬件結合又要跟通信結合起來，所以需要比較多的技術。涉及到整個嵌入式開發體系，這個實物圖就是一個終端的例子，是我們在2017年3月份左右做的一個基于窄帶物聯網的燃氣表。

這里我們要談一下信息郵局的事情，目前市面上所出現的窄帶物聯網的書，絕大多數都是從通信這個角度來看待的。對一般的技術開發人員，做應用的開發人員，這些書關聯度不大。因為它是如何去做基站，如何做信息的傳輸。也就是說，相當于郵電局內部它是怎么工作的，所以我們把這它起個名字，叫信息郵局。那么信息郵局，我們把它定義成一種基于窄帶物聯網協議的信息傳輸系統，它是由基站以及管理服務器組成。在終端跟人機交互系統之間起到信息橋梁的作用。它是由信息運營商負責建立維護的。也就是說，我們做應用的開發者，只管把信息寄出去，或者寄信。我們不管它里面是怎么運作的，但是我們要知道，它是如何跟我們接口。

在這個窄帶物聯網開發體系中，我們把計算機端以及手機端，平板電腦端都把它定義成人機交互系統。人機交互系統當然是實現人與信息郵局之間的信息交互、信息處理、信息服務的軟硬件系統。這個就使得我們可以通過通用計算機、平板電腦、手機等設備，通過這個信息郵局實現獲取終端的數據，并可以實現對終端的控制功能。

這幾個定義看起來有點文縐縐的，但是稍微理解它，就知道整個架構的著眼點。這樣我們把開發點就會定下來，定在兩頭。我們看到應用開發者，主要是把重點放在終端上，放在人機交互系統的編程上。那么信息郵局由運營商負責，我們只要能夠封裝好與這個運營商的通信接口就行了。

下邊我們談一談窄帶物聯網應用開發各個部分的開發模板。

為了能夠實現降低技術開發門檻，我們做了一系列工作。

首先我們把微控制器，也就是終端的核心部分。一般來說，我們把它叫單片機也行，微控制也可以，那么微控制器硬件最小系統，我們把通信模組、電子卡等放在一個芯片內或者一塊小板子上。我們把它定義成面向窄帶物聯網開發的通用嵌入式計算機。同時我們可以融合GPS、北斗、ZIGBEE、傳感器接口。它會形成面向物聯網應用的整個通用嵌入式計算機系列。當然還要提供一些云轉發、流量套餐等業務服務，才能滿足。

如果我只是做這樣一個片子，或者這樣一個芯片，還不足于能夠進行窄帶物聯應用開發。我們應當把它實例化，然后把里面的封裝好，使得我們的開發不在從零開發，而是像一般的計算機那樣去調用底層的函數。

所以就要提供一些開發套件，我們在此基礎上進行基本的開發。實際上所有的終端都可以變成一個模型。也就是以微控制器核心，以輸入輸出為基礎，進行相應的軟硬件設計。

我們一直有這樣一種思想，就是如何使得我們的應用工程師，不再接觸非常底層的計算機，而是能夠把它封裝好，封裝成構件，而后來使用，那么這個就源于這樣一個抽象的思想。就使得不再具有各個芯片的概念，而是有通用嵌入式計算機的概念。這樣就可以使得終端的開發門檻，大大的降低。

為此，我們要把終端的軟件做成模板，然后把所有底層的東西，全部給它做好，封裝好。然后以一個通用嵌入式計算機的面目出現在應用開發的層面。也就是說，最終端應用開發者，只要編兩個程序，一個是應用的主程序，另一個是中斷服務例程。這兩個程序就能夠完成應用的基本開發，特別要強調的是，這種架構使得我們應用開發者不再去關注底層，而只在應用層面去工作，這樣，整個結構清晰，開發時間大大縮短，而且穩定性會大大提高。

如果我們開發好了終端這樣一個軟硬件系統，但是終端的信息如何能夠實現送向服務器，送到我們計算機上，手機上呢?

我們要給出一個模型。這就是終端數據通過云平臺送到我們的人機交互系統，這個是一個基本模型。通過這個模型下來，數據就可以到任何一臺聯網的計算機上。當然這里邊要有基本的管理服務器(云數據的轉發)。

這是我們提出的一個用戶服務器的整體軟件模板，基于這個模板我們的終端數據可以直接到我們任何一臺具有聯網的功能的計算機上。我們把這個程序完全的規劃下來，給它分層，分層以后提交給應用開發者。中間有關通信的部分做成類。

使用我們底層的通信構件、高層的通信類就能夠完成終端系統跟我們用戶服務器，或者說我們自己現在用的一臺計算機進行數據通信。同時一些系統需要在微信、網頁上看數據，當然我們也提供了Web網頁模板。

現在微信小程序，已經成為了一個常用的軟件體系。為了適應這個發展，我們特地發了大概有一年的時間，來做了一個微信小程序的模板，也把它規范成各個目錄結構，把應用的接口，應用層，留出來，留給我們進行二次開發。在這樣的基礎上，也許一個本科生可能在一個禮拜內就會開發出一個基于面向窄帶物聯網的微信小程序，基本功能就會實現。

手機APP也是物聯網應用的重要典型之一，為了能夠使得在人機交互系統這方面能夠更加全面，體現物聯網的各種應用。我們也做了手機APP的模板，也使得一個本科生可能在幾天之內就能夠完成一個面向窄帶物聯網終端的手機APP的通信。當然，需要這樣一個模板和基本架構，也就是說，它所有共性技術要被提煉出來。

上面的一些工作，都是基于我們一個基本思想，這個基本思想就叫做“照葫蘆畫瓢”。那么“照葫蘆畫瓢”就是比喻照著樣子模仿，表示簡單易行之含義。實際上，古希臘哲學家亞里士多德就說過：“人從兒童時期就有模仿本能，他們用模仿而獲得了最初的知識，模仿就是學習。”孟子則曰：“大匠誨人必以規矩,學者亦必以規矩”。意思就是說，你必須有模板，這樣別人才能夠在這個基礎上去做。

我們希望借此，通過建立符合軟件工程基本原理的葫蘆，為“照葫蘆畫瓢”提供堅實的基礎。達到降低窄帶物聯網應用開發難度這個目標。有了上邊的模板，或者叫“葫蘆”，我們就可以在這個基礎上，可以畫很多很多瓢，這是其中之一。這個是一個PLC的遠程監控系統，我們給它起了個名字叫“金葫蘆”，然后在這個“金葫蘆”的基礎上去“畫瓢”。

這是我們照葫蘆畫的另外一個瓢，這個叫無線透傳系統，也就是說一些單位需要串口數據過來，就無縫轉成窄帶物聯網的信號，傳出去，或者是GPRS信號，就是說它是在無線透傳。這樣的編程，有些地方是需要的。我們也可以在這樣一個葫蘆的基礎上很快畫出這樣一個瓢。

這個也是在葫蘆的基礎上畫的瓢，這個是基于窄帶物聯網的燃氣表，當然你用它再去畫水表、電表等等都可以。

這是一個冷鏈物流系統，就是在運輸過程中溫度要低，有帶一些制冷系統的。利用窄帶物聯網可以跟蹤、定位，實現遠程開啟和關閉運輸的箱子等等。我們同樣是用這樣一個葫蘆來畫出，很快就畫出這樣一個瓢。

這個我們是想用這樣一個葫蘆畫出一個什么呢?是實驗室管家，比如說當實驗室放上這樣一個終端物聯網的系統，我們可以知道實驗室一切基本的狀況，可以對有關的一些設備進行干預。

我今天的分享就到這里，主要的目的，就是能夠降低窄帶物聯網的開發難度，方法就是“照葫蘆畫瓢”。

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