智能家電NB-IoT業(yè)務(wù)模型優(yōu)化設(shè)計及應(yīng)用

［任勇強 武曉鴿］

1 引言

智能家電是指將微處理器、傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)引入家電設(shè)備后形成的家電產(chǎn)品，具有自動感知住宅空間狀態(tài)和家電自身狀態(tài)、家電服務(wù)狀態(tài)，能夠自動控制及接收住宅用戶在住宅內(nèi)或遠(yuǎn)程控制指令的特點[1]?；跓o線連接靈活性的考慮，國內(nèi)的智能家電產(chǎn)品大都采用WiFi 方式接入家庭網(wǎng)絡(luò)。相比于ZigBee 和Bluetooth 技術(shù)，WiFi 技術(shù)有著更容易接入到互聯(lián)網(wǎng)中、芯片模組產(chǎn)業(yè)成熟、更便于快速部署到相關(guān)產(chǎn)品中的優(yōu)勢，但同時，WiFi也存在接入成本高、信號覆蓋弱、安全性低、功耗較高等無法忽視的痛點問題[1]。

2016 年，3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃）標(biāo)準(zhǔn)組織發(fā)布首個NB-IoT 標(biāo)準(zhǔn)[2,6～9]，NB-IoT 憑借大連接、低功耗、低成本、廣覆蓋、高安全的特點，越來越多的被應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)[3～5]。在智能家電領(lǐng)域，NB-IoT 具備接入成本低、信號覆蓋強、高安全性、低功耗四方面的優(yōu)勢，可以快速、安全、低成本的實現(xiàn)對智能家電的信息采集、狀態(tài)監(jiān)測和控制指令下發(fā)等遠(yuǎn)程操作，提高智能家電的網(wǎng)絡(luò)接入率，并實現(xiàn)更有針對性的動態(tài)管理[10,11]。

基于NB-IoT 的優(yōu)勢，使用NB-IoT 技術(shù)替代傳統(tǒng)的WiFi技術(shù)已成為家電企業(yè)通信解決方案選擇的重要趨勢，但由于WiFi 與NB-IoT 的網(wǎng)絡(luò)接入情況存在一定的差異，直接套用WiFi 技術(shù)容易造成對NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)的沖擊，如大量終端同時發(fā)出接入請求，同時進(jìn)行業(yè)務(wù)交互等等，最終導(dǎo)致客戶的業(yè)務(wù)體驗較差[12]。

基于上述背景，本文設(shè)計基于NB-IoT 的智能家電業(yè)務(wù)模型，針對關(guān)鍵技術(shù)問題提出工程改進(jìn)方案。實現(xiàn)NBIoT 網(wǎng)絡(luò)與終端無縫配合，從而提高通信效率，節(jié)約客戶成本。

2 智能家電業(yè)務(wù)流程及傳統(tǒng)WiFi 模型問題分析

本文首先介紹傳統(tǒng)智能家電業(yè)務(wù)流程，分析傳統(tǒng)的基于WiFi 的智能家電業(yè)務(wù)模型特點，并對NB-IoT 技術(shù)直接套用WiFi 智能家電業(yè)務(wù)業(yè)務(wù)流程可能造成的問題進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 智能家電業(yè)務(wù)流程

智能家電業(yè)務(wù)流程包含上電注冊流程、心跳報文上報流程、周期型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報流程、觸發(fā)型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報流程和遙控業(yè)務(wù)流程[1]。

2.1.1 上電注冊流程

智能家電上電注冊流程如圖 1 所示，其中：

（1）家電終端初次安裝或重新上電后，計算離散定時器時長，啟動定時器。

（2）定時器超時后終端進(jìn)行注冊消息上報。

（3）網(wǎng)關(guān)透傳注冊消息到應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)用系統(tǒng)回復(fù)注冊確認(rèn)報文。

（4）終端收到注冊確認(rèn)報文后完成注冊流程。

上電注冊流程業(yè)務(wù)特點為：事件觸發(fā)型業(yè)務(wù)，可能出現(xiàn)同時大規(guī)模業(yè)務(wù)交互，需要離散處理。

2.1.2 心跳報文上報流程

智能家電心跳報文上報流程如圖2 所示，其中：

圖1 智能家電上電注冊流程圖

圖2 智能家電心跳報文上報流程圖

圖3 智能家電周期型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報流程圖

圖4 智能家電觸發(fā)型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報流程圖

圖5 智能家電遙控業(yè)務(wù)流程圖

（1）家電終端完成注冊后，根據(jù)心跳上報周期進(jìn)行離散處理，啟動對應(yīng)的離散定時器。

（2）定時器超時后終端進(jìn)行心跳消息上報。

（3）網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)心跳消息到應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)用系統(tǒng)回復(fù)心跳確認(rèn)報文。

（4）終端收到心跳確認(rèn)報文后完成心跳上報流程。

（5）終端啟動下一輪心跳上報定時器。心跳報文上報流程業(yè)務(wù)特點為：周期性業(yè)務(wù)，可能出現(xiàn)同時大規(guī)模業(yè)務(wù)交互，需要進(jìn)行上報時間離散處理。

2.1.3 周期型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報流程

智能家電周期型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報流程如圖 3 所示，其中：

（1）家電終端完成注冊后（注冊時需要進(jìn)行離散處理），在本地暫存需要上報的數(shù)據(jù)。

（2）多個本地存儲的數(shù)據(jù)合并后統(tǒng)一由一個報文上報。

（3）網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)消息到應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)用系統(tǒng)回復(fù)確認(rèn)報文。

（4）終端收到確認(rèn)報文后完成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報流程。

周期型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報流程業(yè)務(wù)特點為：周期型業(yè)務(wù)，一般無實時性要求，可能出現(xiàn)同時大規(guī)模業(yè)務(wù)交互，需要進(jìn)行離散。

2.1.4 觸發(fā)型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報流程

智能家電觸發(fā)型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報流程如圖 4 所示，其中：

（1）觸發(fā)數(shù)據(jù)上報的事件發(fā)生。

（2）終端上報業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)報文。

（3）網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)消息到應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)用系統(tǒng)回復(fù)確認(rèn)報文。

（4）終端收到確認(rèn)報文后完成業(yè)務(wù)上報流程。

觸發(fā)型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報流程業(yè)務(wù)特點為：觸發(fā)型業(yè)務(wù)，有一定實時性要求，大規(guī)模業(yè)務(wù)并發(fā)可能性較小。

2.1.5 遙控業(yè)務(wù)流程

智能家電遙控業(yè)務(wù)流程如圖 5 所示，其中：

（1）手機用戶啟動智能應(yīng)用程序（Application，APP），下發(fā)控制指令。

（2）應(yīng)用系統(tǒng)和網(wǎng)關(guān)將控制指令下發(fā)到終端（其中涉及網(wǎng)絡(luò)尋呼等延時，可以參考提前尋呼處理降低用戶時延體驗）。

（3）終端收到控制指令后進(jìn)行相應(yīng)操作，并上報命令執(zhí)行結(jié)果。

（4）網(wǎng)關(guān)將執(zhí)行結(jié)果推送到應(yīng)用系統(tǒng)，完成遠(yuǎn)程控制業(yè)務(wù)流程。

遙控業(yè)務(wù)流程業(yè)務(wù)特點為：操作類業(yè)務(wù)，有實時性要求，大規(guī)模業(yè)務(wù)并發(fā)可能性較小，需要控制報文大小。

2.2 傳統(tǒng)基于WiFi 的家電業(yè)務(wù)模型特點及問題分析

基于以上業(yè)務(wù)流程，本文對傳統(tǒng)基于WiFi 的家電業(yè)務(wù)模型特點進(jìn)行分析，同時指出WiFi 接入方式下通用業(yè)務(wù)模型在NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)中可能遇到的問題。

具體來說，傳統(tǒng)智能家電產(chǎn)品主要通過WiFi 接入網(wǎng)絡(luò)，與智能家電應(yīng)用進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。在這種情況下，智能家電終端接入不同家庭/學(xué)校的WiFi 網(wǎng)絡(luò)，且一般采用TCP 協(xié)議進(jìn)行通訊，通過固網(wǎng)回傳的方式完成數(shù)據(jù)交互。WiFi 是局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備數(shù)量較少，出現(xiàn)業(yè)務(wù)沖突的概率相對較低；而NB 是廣域網(wǎng)/宏站，網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備數(shù)量和業(yè)務(wù)類型和WiFi 完全不是一個等級，需要考慮自身業(yè)務(wù)和其他業(yè)務(wù)如何共處。由于兩個網(wǎng)絡(luò)接入情況差異，導(dǎo)致兩者模型不可直接套用。否則可能會出現(xiàn)同一基站下的終端同時（例如市電恢復(fù)供電、定時上報數(shù)據(jù)等）進(jìn)行業(yè)務(wù)超出網(wǎng)絡(luò)容量，導(dǎo)致業(yè)務(wù)體驗差等問題。

根據(jù)WiFi 接入方式下通用業(yè)務(wù)模型在NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)中可能遇到的問題如表 1 所示。

3 基于NB-IoT 的智能家電解決方案

本文針對上述問題，設(shè)計基于NB-IoT 的智能家電解決方案。具體來說，本節(jié)首先介紹解決方案整體架構(gòu)，其次提出基于NB-IoT 業(yè)務(wù)模型的設(shè)計方案，最后對基于NB-IoT 的智能家電各業(yè)務(wù)流程進(jìn)行設(shè)計。

3.1 基于NB-IoT 的智能家電解決方案整體架構(gòu)

基于NB-IoT 的智能家電解決方案按照云管端的系統(tǒng)架構(gòu)來建設(shè)，可滿足未來的演進(jìn)需求。如圖6 所示，智能家電解決方案整體架構(gòu)包括智能家電終端（如空調(diào)、洗衣機等）、網(wǎng)絡(luò)、IoT 網(wǎng)關(guān)和智能家電應(yīng)用4 個部分。通過物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)將各個層面整合統(tǒng)一為有機的整體，支撐智能家電業(yè)務(wù)的構(gòu)建和快速上線。

圖6 智能家電解決方案整體架構(gòu)

圖7 智能家電遙控業(yè)務(wù)流程優(yōu)化方案示意圖

表1 WiFi 接入方式下通用業(yè)務(wù)模型在NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)中可能遇到的問題

3.2 基于NB-IoT 的業(yè)務(wù)模型設(shè)計方案

NB-IoT 本身具有帶寬小，覆蓋深等特點，與傳統(tǒng)的WiFi 網(wǎng)絡(luò)有較大的差異，因此，如表 2 和表 3 所示，基于NB-IoT 技術(shù)的智能家電業(yè)務(wù)流程設(shè)計基于NB-IoT 的特點，分別對時延敏感性業(yè)務(wù)、時延不敏感型業(yè)務(wù)進(jìn)行優(yōu)化，以提升整體的業(yè)務(wù)體驗。

表2 基于NB-IoT 的時延敏感型業(yè)務(wù)模型優(yōu)化設(shè)計

表3 基于NB-IoT 的時延不敏感型業(yè)務(wù)模型優(yōu)化設(shè)計

3.3 基于NB-IoT 的智能家電業(yè)務(wù)流程優(yōu)化方案

基于2.2 節(jié)分析的問題及3.1～3.2 節(jié)設(shè)計思路，本節(jié)提出基于NB-IoT 的智能家電各業(yè)務(wù)流程的優(yōu)化方案。

3.3.1 上電注冊流程

NB-IoT 信道帶寬為200 kHz，若同一區(qū)域內(nèi)大量終端同時上線/上報數(shù)據(jù)，則相互之間會產(chǎn)生碰撞，造成接入的時間較長，接入失敗的可能性變大，功耗增加。因此，需要盡量避免大量終端同時接入/上報，采用錯峰接入/上報的方式。

具體來說，本方案設(shè)計終端生成0～15 的隨機數(shù)X 和0～29 的隨機數(shù)Y，在上電后第X*30+Y 秒進(jìn)行接入。

3.3.2 心跳上報流程

根據(jù)每天上報的次數(shù)確定。以終端每天上報1 次為例，可以設(shè)置終端在每天的0 點～24 點之間上報數(shù)據(jù)，每個終端上報的時間點T 在0 點到24 點之間隨機離散，Th 可由公式（1）計算：

其中，Th 為從0 點開始的秒數(shù)，SN 為終端的序列號，SN mod 2 880 是SN 除以2 880 的余數(shù)（2 880=24 小時*3 600/30 s），X 是0～29 的隨機數(shù)。

值得注意的是：對于需要每天上報兩次的，則將24小時分為0～12，12～24 兩個時間段，在每個時間段內(nèi)進(jìn)行離散處理。

對于有周期業(yè)務(wù)交互的終端，本方案設(shè)計以業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)代替心跳用于判定終端是否在線。

3.3.3 周期型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)上報流程

本方案中，上報的數(shù)據(jù)只包含必須的信息，刪減無效信息，適量增大業(yè)務(wù)上報周期，可對周期數(shù)進(jìn)行合并后統(tǒng)一發(fā)送。以6 小時上報一次周期性數(shù)據(jù)為例，終端周期性數(shù)據(jù)上報的時間點Tc 遵循錯峰離散原則，Tc 可由公式（2）計算：

其中，Tc 為從0 點開始的秒數(shù)，SN mod 720 是SN除以7 200 的余數(shù)（720=6 小時*3 600/30 s），X 是0～29的隨機數(shù)。

值得注意的是，實際分布的時間段可根據(jù)業(yè)務(wù)需求確定。

3.3.4 觸發(fā)型業(yè)務(wù)上報流程（例如告警）

告警上報需要避免重復(fù)告警持續(xù)上報，因此，本方案只上報告警的狀態(tài)變化信息。

3.3.5 遙控業(yè)務(wù)流程

智能家電控制場景一般有低時延要求，本方案設(shè)計應(yīng)用側(cè)采用提前尋呼的方式，降低用戶下發(fā)命令的整體時延，提升用戶感受。并對報文進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，報文不大于100字節(jié)。

值得注意的是，在本方案中，如圖 7 所示，每次尋呼終端后，有效時間目前為20 秒鐘。如果20 秒鐘之內(nèi)終端沒有上行/下行數(shù)據(jù)，則再次下發(fā)命令仍然需要進(jìn)行尋呼。

4 智能家電業(yè)務(wù)模型優(yōu)化實例

基于上述設(shè)計方案，本文以基于NB-IoT 的智能空調(diào)、智能洗衣機、智能門鎖、智能小家電為例，體現(xiàn)本方案有效性。

4.1 基于NB-IoT 的智能空調(diào)

智能空調(diào)依托NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)廣覆蓋、海量連接、成本低等優(yōu)勢，進(jìn)行新一代智能空調(diào)器的研發(fā)、推廣，以實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、定位、預(yù)測性維護(hù)等功能。智能空調(diào)在硬件上增加NB-IoT 通信模組，通過NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)和IoT 網(wǎng)關(guān)接入到后端智慧云平臺，并通過智慧云平臺實現(xiàn)對空調(diào)器的遠(yuǎn)程控制和狀態(tài)采集。

該方案在2017 年上海家電博覽會上進(jìn)行演示，為消費者提供五大功能：開關(guān)機、切換空調(diào)模式、調(diào)整溫度、調(diào)整轉(zhuǎn)速、溫度數(shù)據(jù)上報。

4.2 基于NB-IoT 的智能洗衣機

自助洗衣平臺以微信公眾號作為用戶操作平臺，實現(xiàn)遠(yuǎn)程機位查詢、提前預(yù)約、在線支付、完工提醒等服務(wù)。NB-IoT 通信模塊安裝在商用智能洗衣機的控制板上，通過NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)智能洗衣機與自助洗衣平臺間的雙向數(shù)據(jù)交互，解決了高校洗衣房網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)碾y題，能夠以最快最準(zhǔn)確的方式為用戶找到便捷的洗衣房。

4.3 基于NB-IoT 的智能門鎖

門鎖使用了NB-IoT 技術(shù)，具備“不需外接網(wǎng)關(guān)，永久連接，更長的待機時間，長達(dá)10 年的電池使用壽命”等優(yōu)勢，并與其他智能家居產(chǎn)品實現(xiàn)了互聯(lián)互通、場景聯(lián)動。用戶通過指紋、密碼、門卡、鑰匙等方式開鎖時，用戶的手機App 可以收到開鎖信息。

4.4 基于NB-IoT 的智能小家電

目前很多智能小家電也開始采用NB-IoT 技術(shù)構(gòu)建自己的優(yōu)勢，如智能豆?jié){機通過NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)將使用信息上報到業(yè)務(wù)端，通知廠家更換豆?jié){包；智能咖啡機通過NBIoT 網(wǎng)絡(luò)，自動告知店家原材料的使用情況，及時備貨；智能空氣凈化器及時通知商家配件使用快到期，幫助顧客自動下單，方便快捷。NB-IoT 技術(shù)將會為越來越多的小家電插上“智能的翅膀”，助力家電企業(yè)越飛越高。

5 總結(jié)

本文對智能家電業(yè)務(wù)流程進(jìn)行了分析，基于NB-IoT技術(shù)接入成本低、信號覆蓋強、高安全性、低功耗的優(yōu)勢，針對傳統(tǒng)基于WiFi 的家電業(yè)務(wù)模型在NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)中可能遇到的問題，設(shè)計了基于NB-IoT 的智能家電業(yè)務(wù)模型，對相應(yīng)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。應(yīng)用實例證明，基于NB-IoT 的智能家電業(yè)務(wù)模型方案可有效實現(xiàn)NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)與終端無縫配合，從而為消費者提供更加智能的場景應(yīng)用服務(wù)，也有望讓家電廠商提供更智能、更高效的產(chǎn)品售前、售中、售后服務(wù)。