《窄带物联网技术基础与应用》第02章-202004011[21页]
窄带物联网技术与应用研究
窄带物联网技术与应用研究
窄带物联网（Narrowband Internet of Things，NB-IoT）是一种新型的无线通信技术，专门为物联网应用而设计。
相比于传统的宽带物联网技术，NB-IoT具有覆盖范围广、能耗低、连接数多、成本低等特点，适用于大规模、低速度、低数据量的物联网应用。
NB-IoT技术采用频分多址技术，利用GSM空余频段实现低功耗、长传输距离的数据传输。
其主要优势包括以下几个方面：
首先，NB-IoT具有广泛的覆盖范围。
该技术利用900MHz带宽实现了广域覆盖，可以穿透建筑物，适应于城市、乡村等各种环境，保证了物联网设备的无处不在。
其次，NB-IoT具有低能耗特性。
由于NB-IoT的数据传输速率较低且连接稳定，无线通信模块可以在低功耗状态下长时间运行，从而延长物联网设备的电池寿命，降低维护成本。
再次，NB-IoT支持大规模连接。
面向物联网场景设计的通信协议使得NB-IoT可以支持数以亿计的设备连接，实现海量设备的管理和控制，满足物联网应用中的大规模、分散式的需求。
此外，NB-IoT技术的应用也非常广泛。
在智慧城市领域，NB-IoT可以用于智能停车、智能垃圾桶等设备的连接和数据传输；在农业领域，NB-IoT可以应用于农业环境监测、水土保持等领域；在工业领域，NB-IoT可以用于工业设备的远程监控和故障诊断等。
总的来说，NB-IoT技术适用于大规模、低速度、低数据量的物联网场景，具有广泛的应用前景。
随着技术的不断发展和成熟，NB-IoT将成为推动物联网普及的重要技术之一。
窄带物联网(NB-IoT)应用与安全
窄带物联网(NB-IoT)应用与安全窄带物联网(NB-IoT)是一种专门设计用于连接大量物体、设备和传感器的低功耗、低成本的无线连接技术。
它能够为物联网设备提供长距离的连接，同时还能够在室内和地下环境中提供良好的覆盖。
由于其低功耗、低成本和广泛的覆盖范围特点，NB-IoT被广泛应用于各种领域，包括智能城市、智能家居、工业自动化、农业和环境监测等。
随着NB-IoT技术的不断普及和应用，相关的安全问题也逐渐凸显出来。
物联网设备的安全问题一直备受关注，因为它们可能成为黑客攻击的目标，导致数据泄露、设备被控制或者服务被中断。
在NB-IoT应用中，安全问题成为了需要重点关注的一个方面。
NB-IoT设备的安全问题主要体现在以下几个方面：1. 数据安全：NB-IoT设备通过传输传感器数据来实现设备控制和监测，因此传感器数据的安全性非常重要。
如果这些数据被黑客获取或篡改，就可能会对设备和相关系统造成严重影响。
2. 设备安全：NB-IoT设备的物理安全问题也是需要考虑的。
如果设备遭受到恶意攻击或者被盗，可能会导致设备被篡改或者破坏，造成损失。
3. 网络安全：NB-IoT设备通过无线网络连接，因此网络安全问题也需要重视。
黑客可以利用网络漏洞或者攻击来获取设备数据或者干扰设备运行。
针对这些安全问题，我们需要采取一系列措施来保障NB-IoT设备的安全。
首先是加强设备和数据的加密保护，确保传感器数据在传输和存储过程中不会被未经授权的访问。
对NB-IoT设备进行严格的访问控制，只允许授权用户或设备进行访问和操作，避免未经授权的访问。
加强设备的物理安全措施，防止设备被盗或者篡改。
完善网络安全措施，包括网络防火墙、入侵检测系统等，及时发现并应对网络攻击。
除了这些技术手段，合规和标准化工作也非常重要。
相关的政府和行业组织应该加强监管和制定相关标准，确保NB-IoT设备的安全性达到一定的标准。
也需要推动企业加强安全意识培训，提高员工对安全问题的认识和应对能力。
【NB-IoT_物联网】_《窄带物联网(NB-IoT)技术与应用解决方案》
物联网 核心网
MME/SGW/PGW PSM/eDRX 简化NAS protocol 及Data Over NAS 基于覆盖水平的寻呼 UE 鉴权认证
物联网 平台
连接管理 (SIM, 业务编排 ，设 备管理，数据收集等) 业务使能(数据分析，能力开 放，应用生命周期管理) Portal/BSS/OSS
第8页
NB-IoT端到端解决方案协议与原理
智能仪表 MCU Application 芯片 CoAP AP UDP/IP
CoAP HTTP UDP/IP TCP/IP
Application CoAP UDP/IP
芯片CP NAS
Uu
Uu
NAS
NB-IoT 终端
NB-IoT
S1-lite
虚拟EPC /控制器 MME HSS PGW SGW
应用场景
• 视频监控 • 智慧城市 • 智慧医疗 • 机器人
业务特征
• 速率＞1Mbps，视 频信息
• 流量高 • 功耗不敏感
• 车联网（LTE V2X）
• 智能家居（需视频）
•
• 智能穿戴（需语音）
• 智能建筑 • M2M，POS
•
数据收集与控制类：
•
• 远程抄表
• 智能停车
• 智能路灯
•
• 环境监测
MME S11
Uu
C-SGN
S6a S6a*
T6a S8*
S5/8
LTE-M
S1-U
eNodeB
MTC/eMTC
E-UTRAN
S-GW CG
大数据
S9
S6t
SCEF Gx Rx
APIs AS Internet
《窄带物联网技术基础与应用》第05章-20200507
是否有数据更新的一些方法，但效果不甚理想。例如当服务器有连续变化的实时数据时
，客户端就无法很好地及时获取。寻找一个好的方法，既能够让客户端及时获取服务器 端的新数据，又不会浪费资源，一直是技术人员努力的目标，这就是WebSocket出现的 历史背景。
1．UECom基本使用步骤 （1）打开通信模组电源，使通信模块处于供电状态。若需重启通信模组，则先关闭 电源，短暂延时后再开启通信模组的电源。 （2）初始化UECom构件。与通讯模组建立串口通信，并获取SIM卡的IMSI。 （3）与网络运营商的基站建立连接。在基站连接成功后，与指定的服务器和端口建 立TCP连接。若连接失败，则返回失败提示，并继续尝试连接。 （4）获取通信模组相关信息、GNSS定位信息、与基站相关的信息，以及金葫芦套件 型号、版本号等信息。 （5）在有发送请求时，开启发送模式，将数据通过已经建立的TCP通道发送出去。 （6）开启UECom串口中断。通过串口中断接收网络发送来的数据，再进行相关数据 处理。
前面一章着重讲解了终端UE与云侦听程序之间的通信过程，有了这些实践基础，相信 读者对终端UE与云侦听程序已经有了一些基本的概念。本章将:
系统给出实例代码分析终端UE框架； 理解终端UE与CS-Monitor通信构件UECom； 给出云侦听程序CS-Monitor框架解析与执行流程； 理解CS-Monitor中通信接口类HCICom类和数据入库过程。
中断接收函数
8
uecom_transparentInterrup t
透明传输中断接收函数
9
uecom_gnssSwitch
设置GNSS的状态
10 uecom_gnssGetInfo
《窄带物联网技术基础与应用》第01章-20200401
通讯技术
NB-IoT
GPRS
LoRa
终端连接数 200k/cell（cell<hub）
1k/hub
200k~300k/hub
最大覆盖范围 22km
成本
5美元/个
终端电池工作 时长
10年
穿透力
链路预算为：164 db
5km 5美元/个 0.25年
链路预算为：144 db
20km 5美元/个 10年
链路预算为：168 db
第二步，在已经下载本书电子资源的前提下，双击运行电子资源中“.. \04-Soft\ch011\Client\bin\Debug\AHL-Iot.exe”文件。
正常情况下，会出现如下图1-6所示的界面，间隔几分钟，可以看到苏大终端的上传的 一条最新实时数据。
图1-6 CS-Client实时数据窗体
3GPP：第三代合作伙伴计划3GPP，成立于1998年12月，是一个有关通信的国际标准 化机构。
蜂窝网络：我们用的手机属于蜂窝网络。“蜂窝”是指传送信号的铁塔布局，像蜂窝 六边型结构，每个顶点布局一个铁塔以便安装无线收发设备，可以实现最大覆盖面。
1.1.1 物联网无线通信连接方式的分类
从通信速率角度划分，可以将物联网连接分为高速率、中速率与低速率三种类型。高 速率（速率>1Mbps），以视频信息为特征；中速率（100Kbps<速率<1Mbps），以语音 及图片信息为特征；低速率（速率<100Kbps），以文本信息为特征。针对不同的应用场 景，需要选择合适的通信模式。
1.5 实践平台—金葫芦NB-IoT开发套件简介
物联网是软/硬件综合体，没有终端UE硬件，物联网的开发一定是纸上谈兵。为了能够 实现“照葫芦画瓢”这个核心理念，首先要设计好“葫芦”。为此设计了金葫芦NB-IoT 开发套件。该套件不同于一般评估系统，它根据软件工程的基本原则设计了各类的标准 模板（“葫芦”），为“照葫芦画瓢”打下坚实基础，该套件由文档、硬件、软件三个 部分组成，详细情况见“附录一 AHL-NB-IoT实践平台硬件资源”。
浅谈窄带物联网及应用
浅谈窄带物联网及应用随着物联网技术的不断发展，窄带物联网（Narrowband Internet of Things，NB-IoT）逐渐成为了物联网的一个重要组成部分，适用于一些对网络延迟和成本要求较低的场景。
本文将从以下几个方面浅谈窄带物联网及应用：概述、技术特点、应用案例和发展前景。
一、概述窄带物联网是指利用现有的4G/5G移动通信网络，通过对信道占用、接入延迟、安全性等方面进行优化，来实现窄带物联网的数据传输与通信的一种技术。
而在物联网领域，窄带物联网则通常指的是低功耗广域的物联网通信系统。
NB-IoT技术作为一种新型的物联网技术，其设计目标是满足广覆盖、低功耗、延迟低、可靠性高等多种要求。
二、技术特点1.低功耗：窄带物联网可应用于长期使用、经济实惠的设备，其耗电量低于蜂窝网络，并且能够有效延长电池寿命。
2.广覆盖：窄带物联网通过对无线信道进行优化来实现以上述低功耗为基础的广覆盖。
而广覆盖的实现则极大地增强了NB-IoT技术的优势，在各类环境下都可使用。
3.连接性能强：NB-IoT技术可以作为4G/5G标准中的一部分，使得它的连接性能强大，并且具有更好的抗干扰能力。
4.较低的网络延迟：窄带物联网还具有较低的网络延迟，而这也是适用于很多IoT应用的重要特点。
窄带物联网的运营商因此可以提供更快的服务，而此种物联网的应用也因此能够有效地与现有业务相结合。
三、应用案例1.智慧城市在城市管理领域，NB-IoT技术可以应用在基础设施的监控和管理，通过分析数据来实现城市管理的更加智能化。
对于整个城市的一些需要监测的设施（如红绿灯、公共设施、路灯等），可以利用窄带物联网技术来实现数据的收集和传输，从而实现智慧城市管理。
2.智能家居窄带物联网技术也可以应用在智能家居的控制上，使得家电如冰箱、电视、空调等能够被连接互联，形成一个完整的智能生态系统。
这能够解决人们在日常生活中的许多问题，同时降低日常生活的成本，让生活更加智慧便利。
窄带物联网(NB-IoT)技术开发及应用研究
窄带物联网（NB-IoT）技术开发及应用研究
窄带物联网（NB-IoT）是一种低功耗、宽覆盖、低成本的无线通信技术，专门用于物联网领域。
该技术在传输数据时采用窄带调制方式，能够实现物联网设备的长期低功耗运行。
NB-IoT技术的开发主要包括硬件设计和软件开发两个方面。
在硬件设计方面，需要设计能够与NB-IoT网络通信的模块或芯片，这些模块或芯片需要具备低功耗、低成本和小尺寸的特点。
还需要设计配套的天线、电源管理等硬件组件，以保障设备的正常运行。
在软件开发方面，需要开发适用于NB-IoT设备的通信协议栈和网络层协议。
通信协议栈是指用于设备与网络之间进行通信的软件模块，包括物理层、数据链路层、网络层和传输层等。
网络层协议是指设备与设备之间互相通信时使用的协议，如IP协议等。
开发者需要根据NB-IoT技术的特点，对这些协议进行优化和适配。
NB-IoT技术的应用涉及多个领域，包括智能家居、智能交通、智慧城市等。
在智能家居方面，NB-IoT可以实现家庭设备的远程监控和控制，如智能门锁、智能温控器等。
在智能交通方面，NB-IoT可以应用于车辆追踪、停车管理等场景，帮助提升交通管理的效率和便利性。
在智慧城市方面，NB-IoT可以应用于垃圾桶智能管理、环境监测等领域，为城市管理部门提供精准的数据支持。
NB-IoT技术的开发及应用研究对于推动物联网的发展具有重要意义。
随着NB-IoT技术的不断进步和应用领域的拓宽，相信未来物联网将为人们的生活和工作带来更多的便利和创新。
《窄带物联网技术基础与应用》第09章-20200604
图9-3 实时数据窗体执行流程
3．WebSocket服务器与客户端通信流程 WebSocket服务器与客户端通信流程如图9-4所示，下面来解析WebSocket服务端与 客户端之间数据的通信细节。
（1）服务器推送通知：recv。在服务器CS-Monitor中，当终端实时数据到来时触 发HCICom的数据接收事件，执行函数IoT_recv（该函数位于FrmRealtimeData.cs中 ），然后服务器以广播的方式将实时数据到来的通知推送出去。
时数据窗体中可编辑的文本框内容，并单击“回发”按钮就可将数据发往终端。如果终 端（UE）收到该数据，则会更新LCD屏幕上的信息，表示数据已经成功回传到终端（ UE），此为下行数据过程。读者也可以在终端（UE）的触摸键TSI上触摸3次（或3的倍 数），则会触发终端（UE）再次上传数据到客户端，如果在客户端的实时数据窗体中更
（4）客户端回发数据：send。当客户端CS-Client收到服务器发来的实时数据时， 会将该数据显示在实时数据窗体中，客户端可以修改这些数据，并单击“回发”按 钮，将数据发给终端。
CS-Client
CS-Monitor
终端UE
1.收到UE的数据
2.广播ISMI号（cmd=recv）
3.查询list控件当前IMSI号 4.读取实时数据帧（cmd=ask）
2．历史数据窗体最新一帧按键
以请求最新一帧为例，历史数据请求代码如下所示，该代码段位于历史数据窗体 的BtnNewFrm_Click函数中，其余数据库操作按键事件的实现与最新一帧按键事件 实现基本类似，因此该事件的实现细节可作其他按键事件的参考。
最新一帧按键事件执行内容包括：创建JsonCommand对象，该对象内容为向 WebSocket服务器请求第CurrentRow帧数据。这里的CurrentRow的值等于 frmMain.NewestCount的值，frmMain.NewestCount在每次接收到WebSocket服务器 的JSON数据后会进行更新，该值大小等于数据库当前最新一帧数据的行号；最后置 frmMain.cmd =1，表示历史数据窗体在请求数据。
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（Ultimate-Equipment，UE） 终端的英文是Ultimate-Equipment，简写为UE，人们 也称为User-Equipment，简写仍为UE，是一种巧合。因此UE可以代表终端设备，也可 以代表用户设备，含义一致。
从应用层面来说，NB-IoT应用架构可以抽象为NB-IoT终端UE、NB-IoT信息邮局MPO、NB-IoT人 机交互系统HCI三个组成部分，如下图所示，这种抽象为深入理解NB-IoT的应用层面开发共性提供理 论基础。
NB-IoT终端UE
NB-IoT信息邮局MPO
上行（1）
人机交互系统HCI
上行（2）
第2章 NB-IoT应用架构及通信基本过程
2.1 建立NB-IoT应用架构的基本原则 2.2 终端UE、信息邮局MPO与人机交互系统HCI的基本定义 2.3 NB-IoT通信过程与应用开发相关的基本概念 2.4 基于信息邮局初略了解基本通信过程 2.5 实验二 了解信息邮局MPO的基本参数
本章从NB-IoT应用开发共性技术的角度，把NB-IoT应用架构抽象为NB-IoT的终端UE 、信息邮局MPO、人机交互系统HCI三个组成部分，分别给出其定义，并给出由此延伸 的基本概念。理解这些概念，NB-IoT应用开发技术的基本要素也就一目了然。
2．其他需要了解的基本概念 1）国际移动设备身份码IMEI 国际移动设备身份码IMEI（International Mobile Equipment Identity，IMEI），也是国际 移动设备辨识码，是由15位数字组成的“电子串号”，它与每台移动设备一一对应，每一台移 动设备在产品生产过程后都将拥有一个全球唯一IMEI。在NB-IoT系统中，它是通信模组的唯 一标识，由通信模组生产商写入通信模组，开发者可以通过AT指令获取通信模组的IMEI号， 是通信模组标识，也可把把它作为UE的标识 2）基站号 当终端UE射频信号打开时，终端UE会与附近的基站连接。终端UE可以通过AT指令获取连 接的基站号，再根据基站号即可分析终端UE的地址。
从物理角度来看，NB-IoT基站由户外的铁塔与NB-IoT基站路由器构成。铁塔是基站 路由器支撑机构，其作用是把NB-IoT基站路由器高高地挂起，提高NB-IoT基站路由器 的无线覆盖范围。
从应用开发用户编程角度来看，NB-IoT基站路由器是个中间过渡，编程者可以忽略它 。
eNB：evolved Node B，演进型基站。
2.2.2 NB-IoT信息邮局MPO
NB-IoT信息邮局（Mssage Post Office，MPO）是一种基于NB-IoT协议的信息传送系 统，由NB-IoT基站eNodeB（eNB）与NB-IoT云服务器组成。在NB-IoT终端UE与NBIoT人机交互系统HCI之间起信息传送的桥梁作用，由信息运行商负责建立与维护。
2.2.3 NB-IoT人机交互系统HCI
NB-IoT人机交互系统（Human-computer interaction，HCI）是实现人与NB-IoT信息 邮局（NB-IoT云服务器）之间信息交互、信息处理与信息服务的软硬件系统。
目标是：使人们能够利用个人计算机、笔记本电脑、平板电脑、手机等设备，通过 NB-IoT信息邮局MPO，实现获取NB-IoT终端UE的数据，并可实现对终端UE的控制等 功能。
下行（2）
特征：IMSI号 例如：460042189101966
Hale Waihona Puke NB-IoT基站 NB-IoT云服务器
特征：固定IP地址 例如：116.62.63.164
下行（1） 特征：联网计算机、手机
2.2.1 NB-IoT终端UE
NB-IoT终端（Ultimate-Equipment，UE）是一种以微控制器MCU为核心，具有数据 采集、控制、运算等功能，带有NB-IoT通信功能，甚至包含机械结构，用于实现特定功 能的软硬件实体。
3）信号强度 信号强度表示基站与终端UE之间通信能力的好坏。信号强度的度量单位dBm，这是一个表 示功率绝对值的物理量，也可以认为是以1mW功率为基准的一个比值，计算公式为：10log （功率值/1mw）。 实际应用时，信号强度可以标准化为用0～100相对值表示，以便于理解，正如手机信号强 度用“刻度”表达一样。
从一般到个别，就是要厘清共性与个性的关系，充分利用模板（“葫芦”），依据“ 照葫芦画瓢”方法，快速实现具体应用的开发。
2.2 终端UE、信息邮局MPO与人机交互系统HCI的基本定义
NB-IoT应用架构（Application Architecture）是从技术科学角度整体描述NB-IoT应用开发所涉及的 基本知识结构，主要体现开发过程所涉及的微控制器MCU、NB-IoT通信、人机交互系统等层次。
本章还给出从信息邮局MPO角度理解终端UE与人机交互系统HCI的基本通信过程。
2.1 建立NB-IoT应用架构的基本原则
从个别到一般，就是要把NB-IoT应用开发所涉及的软件硬件体系的共性抽象出来，概 括好、梳理好，建立与其知识要素相适应的抽象模型，为具体的NB-IoT应用开发提供模 板（“葫芦”），为“照葫芦画瓢”提供技术基础。
从应用开发角度来看，人机交互系统HCI就是与信息邮局MPO的固定IP地址与端口打 交道，通过这个固定IP地址与端口，实现与终端UE的信息传输。
2.3 NB-IoT通信过程与应用开发相关的基本概念
2.3.1 与终端UE相关的基本概念
1．使用IMSI作为终端UE的唯一标识 终端UE需要一个唯一的标识，以便区别不同的终端UE，可使用国际移动用户识别码IMSI 来作为终端UE的唯一标识，这也是向信息邮局MPO缴纳费用的标识。 通常的手机需要一个SIM卡，在手机中就被称为“手机卡”，NB-IoT终端UE也需要一个 SIM卡，一般情况下它被直接封装在芯片内部，被称为eSIM卡。