窄带物联网(Narrow Band Internet of Things, NB-IoT) 简析共享单车物联网智能锁开锁方式的演变
NB-IoT基础联接技术 | 海思官网 https://www.hisilicon.com/cn/techtalk/nb-iot/
什么是NB-IoT?
NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)是一种基于蜂窝的窄带物联网技术,也是低功耗广域物联(LPWA)的最佳联接技术,承载着智慧家庭、智慧出行、智慧城市等智能世界的基础联接任务,广泛应用于如智能表计、智慧停车、智慧路灯、智慧农业、白色家电等多个方面,是智能时代下的基础联接技术之一。2020年NB-IoT全球连接数超1亿。根据预测,这一技术将在未来五年实现10亿级连接,并持续保持增长趋势,推动物联网设备实现爆发性成长。
城市及工业智能设备
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家用智能设备
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NB-IoT是mMTC的标准技术
NB-IoT 是低功耗及大规模组网场景优选方案
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C-IoT基于3GPP全球技术标准,依托运营商网络,具备接入便利、移动性强、兼容性好等各种优点。随着物联网在各行各业的普及,C-IoT已经成为最主要的广域物联技术。在C-IoT的应用场景中,根据业务对接入速率和终端功耗的要求,可分为低速率(Kbps级别)、中速率(Mbps)和高速率(Gbps)三个等级,其中低速率低功耗的LPWA业务占据60%的连接数量,是物联网的基础。
• C-IoT发展早期,2/3G承载了大多数的连接,但过高功耗也限制了行业的应用,尤其在水气表、跟踪、物流等需要电池供电的大颗粒场景中。2016年以来,NB-IoT技术的诞生大大推进了物联网的发展,其深度覆盖、低功耗、低成本的优势完美契合了电池供电业务场景,迅速发展成为LPWA的主要技术。
• 2/3G网络由于较低的频谱效率和多制式共存带来的高维护成本,将2/3G退网成为运营商的必然选择。同时,随着NB-IoT的协议演进,在保持低功耗的同时,其速率和移动性能力也已经超过了2G的水平,NB-IoT也理所当然的成为承接2G IoT业务的最佳选择。2020年,NB-IoT在广泛应用于表计计量、烟感消防、农业、环境监控、白色家电、位置跟踪等场景的基础上,获得了更强的生命力。
• 未来,NB-IoT将在更多的行业应用需求驱动下,不断保持技术演进,加速全行业数字化智能化改造的进程,成为物联生态的基石。
NB-IoT 技术亮点
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10年电池寿命
支持PSM/eDRX/长周期TAU,水表场景下寿命高达10年
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20dB增益
覆盖等级比GPRS提升20dB,具备更强的信号穿透力
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50K联接数每小区*
单小区最大的接入数量50K,能够支持更多数量设备接入
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高性价比模组
芯片设计简化,外围电路精简,极大程度降低模组成本
海思是NB-IoT技术的引领者,是NB-IoT标准以及产业的主要推动者。海思长期坚持NB-IoT研发投入,推动行业标准落地、推动技术及商用场景应用创新。致力与生态伙伴一起打造一个稳健、开放的NB-IoT生态系统。 2016年随着R13标准冻结, 海思率先推出NB-IoT 商用芯片Boudica120,助力模组厂商和行业客户物联网方案商用。截至当前海思NB-IoT Boudica系列芯片已经在水表、气表、智慧消防、资产跟踪等领域实现千万级商用部署数量,在门锁、白电、物流、路灯等领域实现数百万级商用,同时海思与合作伙伴探索更多的创新商用场景,在农业、穿戴、支付、共享经济等领域创新完成商用落地。
伴随NB-IoT技术带来的商用场景广泛部署及物联网设备的成倍增长,行业对NB-IoT也提出了更多的挑战,如典型场景下, 如何有效的通过技术演进降低部署成本、大规模组网下如何解决功耗问题、设备互联后如何保证数据安全等。
*注:基于3GPP话务模型评估
NB-IoT 行业挑战
功耗挑战大
在智慧表计行业,电池不可更换、设备不能反复充电,电池的使用时间制约了整个表计设备的寿命。在电池容量有限的情况下,想达到表计更长的使用寿命,对NB-IoT的综合功耗提出了更高的要求。
近点运维困难
传统智慧表计产品如果出现故障,会导致远程上报和升级无法完成,必须人工拆除返修,维修综合成本高,且影响用户用水用气,急需一个近点的无线维护手段,达到不拆表即可完成诊断、维护和升级的目的。
设备安全等级低
行业对提升设备安全等级的诉求日益急迫。例如在水表、燃气表等涉及计费和支付的领域,一旦出现被劫持、篡改的情况,将会对运营方和终端客户造成不可估量的损失。
终端网络适配性要求高
NB-IoT网络设备厂家众多,且伴随不定时的网络升级改造;户外环境中存在遮挡、干扰等因素,还会恶化无线环境。这些情况对终端设备的网络适配性提出了很高的需求。
高集成度,有效降低成本
器件数量降低50%,集成度提升,模组面积降低
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将PA、PMU、RAM、FLASH、SIM、部分无源RF器件集成到芯片内部,外围器件个数量降低50%,进一步提升芯片集成度。
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NB-IoT提供了完整的OpenCPU解决方案,可为客户节省表计应用中的外部MCU、晶体器件的成本。
芯片级低功耗设计,有效延长电池寿命
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在无数据收发的情况下,
终端会进入省电模式。
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eDRX模式下,只在寻呼窗口内接收信号,其它时间UE进入深度睡眠状态。
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有效减少周期性TAU次数。
海思自研低功耗方案, 典型场景下功耗降低50%
PSM状态下保持RAM刷新
· PSM唤醒速度更快
· 硬件设计更简单,支持串口AT直接唤醒,无需额外开机信号
· 进出PSM时无需频繁读取FLASH,避免影响FLASH使用寿命
内置高效率PMU和PA,降低发射功耗
优化RF接收电路和算法,大幅降低接收电流
优化IDLE态接收和休眠切换机制,达到更低的IDLE电流
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集成BLE 5.0,有效解决NB终端维测问题
· BLE与NB共芯片,兼顾高性能和低成本
· 基于BLE的端到端解决方案提升维测效率
· FOTA差分升级,支持对设备进行软件升级
· 输入AT指令,通过BLE进行参数配置
· 导出维测信息,对设备异常进行诊断
· 低功耗BLE,提升设备电池寿命
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独立安全CPU,提供芯片级安全保障
海量商用验证网络,适配佳、稳定可靠
海思NB-IoT方案已广泛商用,涵盖水表、燃气表、烟感、单车、门锁、地磁、智慧农业等多个行业,在中国、欧洲、日本和韩国等全球范围落地,能够应对世界各类复杂的网络环境,赋能更智能、更稳定的联接体验。
行业应用
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智能表计
智能表计,助力公共设施智慧化
能源是人类社会发展的重要物质基础,以新技术如物联网、大数据和人工智能等应用于传统能源领域而形成的智慧能源,通过对能源设备的感知,联网后,实现对能源的监控和管理,能有效地降低能源损耗、解决能源效率使用低下等问题。以水表、气表为例,通过数字化、网联网改造并使能远程抄表,不但极大的提升了抄表效率和准确度,同时更高频次的抄表数据还可以支持精细化的能源管理手段,比如实施阶梯收费等,将有效促进能源的节约和高效利用。
在远程抄表的技术实施上,存在着有线通信、小无线等通信手段。有线方式需要部署信号线,实施难度较高。传统的小无线方式,由于使用unlicensed频谱,信号干扰较大,并且房屋结构对小无线信号的屏蔽作用较大,导致抄表成功率不高。NB-IoT作为低功耗深度覆盖的技术,最大可提升20dB的覆盖,可完美适配水气表抄表场景。同时NB-IoT在3GPP的推动下,长期技术演进也更有保障,是智能抄表的最佳通信解决方案。
海思Boudica 芯片是目前应用广泛的NB-IoT芯片,已经支持众多模组厂商推出标准接口的NB-IoT模组,已稳定应用于数千万智能表计中。
- 自带MCU:Boudica应用核支持OpenCPU方案,并具备丰富的IO接口,可以直接基于NB-IoT芯片和模组开发智能表计,不在需要外接MCU,这将极大降低终端成本和体积,为客户提供更加灵活的智能表计解决方案。
- 端云协同:在软件设计上,Boudica内置了端云协同和安全能力,天然支持与多家运营商的平台对接,并支持固件远程升级和数据安全传输,可有效降低智能表计的开发成本和周期,为运营方提供更多的安全和增值解决方案。
Boudica OpenCPU支持智能水表解决方案
自助点餐时用的触摸一体机,等电梯时看到的液晶广告牌,远程会议用到的智能会议平板,户外看到的液晶拼接屏等这些在生活中常见的“屏”都称之为商用液晶显示器,也称商显。商显已逐渐渗透深入交通、媒体、广告、金融、教育等日常生活的各行各业。随着商显产品与应用的不断延伸,用户对于商显产品差异化需求也愈加明显。基于此,海思推出了商显芯片解决方案,提供多核异构计算能力、超高清音视频信号处理、多种输入输出接口等技术,助力客户灵活定制商显产品。
- 极致音视频体验:海思商业显示芯片内置高性能CPU、GPU、NPU、4K/8K编解码、专业级ISP、高质量音频DSP,适用于各种商业显示领域。强劲的CPU及GPU性能,充沛算力,多任务并发处理,支持4K视频传输及4K UI显示,解码方面,最高支持8K@120hz硬件解码,保证解码效果及速度高效无损,低延时技术,将显示延迟降至20ms以下,同时支持千兆网口和PCIe接口,WiFi/BT/4G/G.hn等多样化网络接入,实现高速低时延网络传输,端到端保证传输质量,满足各种复杂显示场景需求。可广泛应用于电子白板、商业电视、单屏显示器、平板屏接、会议平板、广告机、激光投影等各个领域
- 灵活定制:海思商显方案还支持安装各种应用程序(APP),客户可基于海思的商显平台灵活开发各类应用, 提升开发效率
- 自然交互:语音输入、手写操作、一键分享、自由投屏及各类文档灵活编辑等技术融合,让商显设备从过去的“被动显示”演进成为“主动显示”,打破壁垒真正实现了设备和消费者之间的互动
- 跨设备协同:海思自研的HiStreaming技术可快速识别并连接外围设备,支持外扩算力棒,作为本地算力补充,为消费者提供安全、可靠、低延时的跨设备无缝协同体验
智慧烟感
智能烟感,降低消防隐患
智慧路灯
智慧路灯,有效降低能耗,助力城市绿色化发展
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智慧农业
智慧农业,助力传统农业智慧化转型
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智慧停车
智慧停车,告别 “停车难、缴费难”
人工管理
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- 人工费用高、 效率低
- 无法全天候实时管理
双跳网络
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- 中继网络下,设备部署困难
- 非授权频段易受干扰
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基于NB-IoT的智慧停车方案
智能电动车
智能电动车,便利城市出行
共享单车
共享单车,助力最后“一公里”交通
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共享白电
共享白电,加速新共享经济
基于NB-IoT的共享白电解决方案
共享白电用户,使用APP完成
共享白电预约,使用和付费
白电厂家通过NB-IoT网络,实现远程
紧急控制、生命周期和供应链管理
NB-IoT 共享单车解决方案 | 海思官网 https://www.hisilicon.com/cn/techtalk/nb-iot/bicycle-sharing
共享单车业务诉求
FOTA升级:800辆/天/小区15 km/h
NB-IoT_百度百科 https://baike.baidu.com/item/NB-IoT/19420464
简析共享单车物联网智能锁开锁方式的演变 - 知乎 https://zhuanlan.zhihu.com/p/27581134
近期由马化腾与朱啸虎的互怼,把ofo和摩拜两家共享单车公司推向了风口浪尖,首先关于车锁的问题,ofo此前宣布将使用与电信和华为联合研发的NB-IoT“物联网智能锁”,此举被认为是向摩拜看齐。而摩拜已经形成“北斗+GPS+格洛纳斯”多模卫星定位芯片和物联网芯片的移动物联网系统。
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小编之前也有看过相关报道,“技术实现手段也不难:在电动车锁里加上传感器、GPS、3G网络和芯片……”,首先,我们要搞清楚智能锁的核心问题:用户是怎么通过手机扫码开锁的,原理是什么?共享单车上的智能锁从上线之处到现今,其实开锁的方式已经经历了三次优化。
短信解锁:
我们都体验过共享单车的开锁方式:用手机扫描车上的二维码,APP 上出现解锁进度的读条,10秒内就会听到电机带动和锁鞘“啪”的一声,解锁成功。我们可以直接把锁内的 GSM 模块当成是当年的插了SIM卡的黑白功能手机,10秒内的时间,GSM 搜索网络时间没有这么短,更何况在解锁的过程中,我们仅仅是用手机扫码,没有任何激活单车的操作,所以可以肯定锁是始终与网络保持长连接的,就是说这个手机始终是开机的状态,时刻要接收信号。
一开始以摩拜为代表的共享单车的开锁过程比现在慢多了,每次开锁大概在6~10秒,但极少开锁失败。笔者很早就注册使用共享单车,对此深有体会。原因其实是最开始的共享单车,开锁并不是使用GPRS流量来控制的,而是服务器通过给自行车发短信(对,就是手机短信),响应然后开锁。6至10秒的延时也正正是短信投递的时间。
短信开锁的方式有其优势:开锁比较稳定,开锁不需要通过GPRS/3G流量,比较省电。省电是非常重要的,前期由于共享出行尚未普及,而单车是需要使用者发电维持的(相信大家都知道摩拜初代用的是轴承不是链条,靠我们骑车来发电),如果某辆车一直没人骑,等到它的电量耗尽变成一辆“僵尸车”,一旦这种情况多起来,线下维护的成本就非常高。
没想到最开始的共享单车是以短信作为开锁信号!
GPRS开锁:
接下来共享单车开锁方式就直接由服务器通过GPRS/3G流量传达指令开锁。不再担心电量的问题,这种变化是可预见的,因为骑车的人多起来了嘛!通过流量直接开锁,开锁速度也大大提升,从原来靠短信,等待时间有时候要30秒、1分钟(短信收发有时候还不止这么久)变成了3秒内开锁,照顾到很多人的用户体验。但问题随之而来:开锁时间,开锁成功率依赖信号,在信号不强的地区开锁也是十分痛苦的。
GPRS + 蓝牙开锁:
我想你们也猜到了,现在的智能锁采用的开锁方式普遍使用的是流量+ 蓝牙辅助开锁,开锁不稳定、开锁时间慢、耗电等所有问题得以一次性解决。蓝牙辅助开锁,原理是使用用户的手机蓝牙通过加密,与锁内的蓝牙配对后开锁。
服务器只需用流量连接用户手机,再由手机蓝牙发送开锁指令到智能锁。这样一来,开锁功耗大大降低,也不需要依赖锁中模块的信号强度,提高稳定性。4G手机的流量速度也保证了开锁时间,这种流量蓝牙“二合一”的开锁方式可谓终极方法。
窄带物联网(NB-IoT)开锁:
窄带物联网(NB-IoT)作为IoT领域的一项新兴技术,随着产业链尤其是芯片技术的逐步成熟,同时在运营商的广泛支持下,将其应用于共享单车领域获得了越来越多的共识。早在去年,中国移动和摩拜科技就在上海完成了基于窄带物联网现网的端到端测试,今年,ofo也与中国电信签署了窄带物联网共享单车应用合作协议。
相比2G,窄带物联网具有广覆盖、多连接、低功耗、低成本等诸多特点。窄带物联网低功耗的特点,使得共享单车不需要安装人力发电装置,仅用太阳能电池板或自带电池就可以满足车辆用电需求;窄带物联网覆盖范围更广的特点,使得地下车库、地下室等偏僻位置的单车可接收到信号,保证车辆持续在线;窄带物联网方案具有低成本优势,可大大降低整车设计成本。
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