NB-IoT在電梯物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用前景的分析

丁 杰

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院無錫分院 無錫 214174）

1 電梯物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

電梯物聯(lián)網(wǎng)即利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過前端設(shè)備采集電梯信息，通過網(wǎng)絡(luò)將電梯信息上傳至監(jiān)控平臺，實現(xiàn)各相關(guān)單位對電梯實時有效的監(jiān)管維護，電梯物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺架構(gòu)如圖1所示。電梯物聯(lián)網(wǎng)平臺將采集的電梯運行數(shù)據(jù)、故障信息、報警信息進行存儲、分析并結(jié)合BI等應(yīng)用軟件將電梯狀態(tài)直觀形象的展示，使電梯企業(yè)、政府部門、維保企業(yè)、物業(yè)公司、電梯乘客能夠及時了解電梯基本信息、運行情況，電梯開展的生命周期管理，有效保障電梯的安全可靠運行，為后續(xù)電梯按需維保提供數(shù)據(jù)支撐。

全國多個城市都在試點開發(fā)電梯物聯(lián)網(wǎng)安全運行監(jiān)管系統(tǒng)與平臺，由于缺少業(yè)內(nèi)統(tǒng)一標準，各地平臺都存在地方特色，加上數(shù)據(jù)融合共享困難等問題，未能形成有效的系統(tǒng)建設(shè)推廣模式。就前端采集設(shè)備的信息傳輸方式，目前電梯物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要采用移動網(wǎng)絡(luò)（2G、3G、4G）、自組網(wǎng)（LoRa、ZigBee）和寬帶網(wǎng)絡(luò)。電梯物聯(lián)網(wǎng)中的傳輸設(shè)備主要工作場景如下：1）電梯工作時，狀態(tài)發(fā)生變化，狀態(tài)信息實時上報，上報間隔通常是秒級；2）電梯不工作時，狀態(tài)信息需要定時上報心跳信息，以確保該電梯已接入平臺且采集設(shè)備工作正常，上報間隔通常是分鐘級；3）平臺需要查看指定電梯時，通過下達指令，將指定梯的實時狀態(tài)發(fā)送至平臺；4）電梯發(fā)生故障或者困人等緊急情況時，需要及時上報報警信息和故障信息。在電梯物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，通過傳輸協(xié)議的優(yōu)化，單臺設(shè)備單次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量通常為幾十個字節(jié)，傳輸具有數(shù)據(jù)量小且有一定的突發(fā)性的特點，而現(xiàn)階段這種低速率業(yè)務(wù)還沒有很好的蜂窩技術(shù)來滿足，在很多的情況下只能使用2G、3G等技術(shù)支撐，造成資源的浪費以及運維成本的增加，這也是電梯物聯(lián)網(wǎng)推廣困難的一個重要因素。

圖1 電梯物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)圖

2 NB-IoT的發(fā)展

隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，智能終端和傳感設(shè)備的日趨普及，大數(shù)據(jù)迅猛發(fā)展的大背景下，移動通信已由移動互聯(lián)向萬物互聯(lián)演變，而60%的物物互聯(lián)，屬于低速率業(yè)務(wù)。NB-IoT的信道帶寬180kHz，采用半雙工工作模式，上行速率不超過250kbps，下行速率不超過20kbps，支持低功耗和重傳機制，具有海量接入能力。NB-IoT通過電信運營商運營，可以部署在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)（2G）、UMTS網(wǎng)絡(luò)（3G）或LTE網(wǎng)絡(luò)（4G），網(wǎng)絡(luò)信號明顯增強，可支持10km的長距離傳輸。NB-IoT的這些技術(shù)屬性特別適用于像電梯物聯(lián)網(wǎng)這種無須移動，小數(shù)據(jù)量，對時延不敏感的實時數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。NB-IoT解決方案架構(gòu)如圖2所示。

圖2 NB-IoT解決方案架構(gòu)

3 NB-IoT在電梯物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的可行性與優(yōu)勢

3.1 技術(shù)先進性

隨著科技的發(fā)展，越來越多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備將接入網(wǎng)絡(luò)，DHL和思科聯(lián)合發(fā)布了一份關(guān)注于物聯(lián)網(wǎng)（IOT）的“趨勢報告”，報告顯示，到2020年，全球通過互聯(lián)網(wǎng)連接的設(shè)備將由現(xiàn)在的150億美元增長到500億美元，在如此巨大的接入量面前，可靠穩(wěn)定的物聯(lián)網(wǎng)的通信就顯得尤為重要。目前我國大多數(shù)城市的電梯物聯(lián)網(wǎng)平臺采用GPRS或者3G通信，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，后期2G將普遍退網(wǎng)，而3G模組和通信資費較高，考慮后期升級維護成本，GPRS和3G模式不利于大規(guī)模的推廣布設(shè)。與此同時NB-IoT比2G/3G/4G有50～100倍的上行容量提升，在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現(xiàn)有無線技術(shù)提供50～100倍的接入數(shù)，支持接入控制和QoS。NBIoT能夠通過獨立部署、保護帶部署、帶內(nèi)部署三種方式，在現(xiàn)有GSM、LTE上完成新建、復用和升級?，F(xiàn)有電梯物聯(lián)網(wǎng)平臺的升級改造，僅需更換前端傳輸模塊，軟件平臺的數(shù)據(jù)接口做適應(yīng)性修改，平臺上層應(yīng)用不需要做任何更改，即可快速、平滑的完成電梯物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議的轉(zhuǎn)換過渡。

3.2 安全可靠性

電梯物聯(lián)網(wǎng)平臺需要入網(wǎng)電梯與平臺之間的數(shù)據(jù)交互能夠持久的安全穩(wěn)定可靠，不易被竊取。NBIoT繼承4G網(wǎng)絡(luò)安全能力，支持雙向鑒權(quán)以及空口嚴格加密，確保用戶數(shù)據(jù)的安全性，且能提供電信級的可靠性接入。同時NB-IoT技術(shù)能實現(xiàn)比GSM好20dB以上的覆蓋增益，覆蓋面積擴大100倍。國內(nèi)電信運營商已在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)800MHz、900MHz頻段上開始部署，低頻段承載，具有信號穿透能力更強、覆蓋能力優(yōu)的特點，結(jié)合運營商的基站使用可以覆蓋幾乎每一個角落，確保在不同物理環(huán)境下通信質(zhì)量更穩(wěn)定。圖3和圖4分別是NB-IoT在不同耦合損耗下上報有效載荷分別是65字節(jié)和100字節(jié)的緊急數(shù)據(jù)時，可靠率達到90%和99%情況下的網(wǎng)絡(luò)延時，由此可見NB-IoT的通信能力基本可以滿足現(xiàn)有電梯物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的通信要求。

圖3 90%可靠率傳輸延時

圖4 99%可靠率傳輸延時

3.3 經(jīng)濟性

NB-IoT通過采用180kHz的窄帶設(shè)計，低采樣率，半雙工的工作模式，簡化了通信協(xié)議棧，減少片內(nèi)FLASH/RAM，單片SoC內(nèi)置功放等技術(shù)手段使得硬件成本下降，終端芯片價格低至$1，模組成本與同類產(chǎn)品相比也是優(yōu)勢明顯，如圖5所示。在流量資費方面，目前中國電信已推出NB-IoT業(yè)務(wù)套餐如圖6所示，根據(jù)電梯物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信的實際情況，單臺電梯的通信費用為40元/年，比現(xiàn)有的GPRS、3G費用低的多。在布網(wǎng)方面，由于環(huán)境的特殊性，以往在轎頂或者井道安裝傳感設(shè)備，需要通過無線網(wǎng)橋或者電力載波通訊，造成成本的大幅提高，NB-IoT良好的覆蓋性可以很好地解決這個問題。

圖5 物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品成本

圖6 電信NB-IoT套餐

3.4 可擴展性

NB-IoT在R14計劃推出定位功能，電梯物聯(lián)網(wǎng)平臺可以動態(tài)刷新電梯位置，同時還能減少電梯坐標錄入和維護工作，為電梯維護和應(yīng)急救援業(yè)務(wù)開展提供便利。

目前電梯物聯(lián)網(wǎng)采集的是電梯功能性參數(shù)，主要包括電梯上下行，開關(guān)門等運行數(shù)據(jù)以及故障報警信息，而缺少對電梯環(huán)境以及乘坐舒適性的指標參數(shù)監(jiān)管。NB-IoT支持低功耗，能夠5～8年的長待機，可以滿足更多使用場景的需求。在轎廂頂部安裝測量加速度和震動值傳感器設(shè)備，通過設(shè)置報警閾值，當電梯加速度或者震動超限時，即可喚醒NB-IoT模塊將報警信息上傳至服務(wù)平臺，并告知維保人員，實現(xiàn)及時發(fā)現(xiàn)問題，快速解決問題的處理機制，減少用戶的投訴及抱怨。當因電梯井道的質(zhì)量問題導致漏水，或機房滲水到井道等異常情況造成底坑積水時，電梯的部分電氣元件、機械裝置被水浸泡或者由于受潮而出現(xiàn)生銹，都將對電梯造成巨大安全隱患。而在底坑安裝積水傳感設(shè)備，通過NB-IoT信號強大的穿透和覆蓋能力，以及便捷的維護，使得底坑環(huán)境的監(jiān)控成為可能。

NB-IoT為電梯運行的全面監(jiān)控，提供了良好的通信傳輸，更全面的電梯數(shù)據(jù)能夠為后期基于大數(shù)據(jù)的電梯安全風險評估提供支持。

4 結(jié)束語

無線通信技術(shù)是物物相連的紐帶，也是電梯物聯(lián)網(wǎng)亟待突破的關(guān)鍵技術(shù)，只有感知層、傳輸層、應(yīng)用層都有了穩(wěn)定可靠的技術(shù)支撐，且經(jīng)濟性獲得市場的認可，整個產(chǎn)業(yè)才能發(fā)展起來，才能讓電梯物聯(lián)網(wǎng)真正為政府、電梯企業(yè)、維保企業(yè)、物業(yè)單位、電梯用戶帶來利益和便利。

[1] GB/T 24476—2017 電梯、自動扶梯和自動人行道物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 劉傳清，劉化君.無線傳感網(wǎng)技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社， 2015.

[3] 戴博，袁弋非，余媛芳.窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)標準與關(guān)鍵技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2016.