智能家电产业NBIoT应用及开发指导书.docx
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智能家电产业NBIoT应用及开发指导书
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智能家电产业NB-IoT应用及开发指导书
目录
1智能家电产业分析1
1.1智能家电产业现状1
1.1.1我国家电行业发展分析1
1.1.2智能家电产业发展分析2
1.1.3智能家电的发展瓶颈4
1.1.4WiFi应用痛点4
1.2NB-IOT技术背景6
1.2.1NB-IoT技术简介6
1.2.2NB-IoT与其他无线通信技术的对比7
1.2.3NB-IoT应用于家电行业9
1.2.4NB-IoT产业进展10
1.3基于NB-IOT的智能家电解决方案架构12
1.3.1终端12
1.3.2NB-IoT网络13
1.3.3IoT网关13
1.3.4智能家电应用13
1.4基于NB-IOT的智能家电应用进展14
2基于NB-IOT的智能家电开发指导17
2.1NB-IOT智能家电开发集成流程介绍17
2.1.1智能家电与IoT网关对接开发流程17
2.1.2智能家电与IoT网络对接开发流程18
2.2NB-IOT智能家电物联网卡18
2.2.1NB-IoT物联网卡介绍18
2.2.2NB-IoT智能家电物联网卡选择建议25
2.3NB-IOT智能家电开发资源申请25
2.3.1NB-IoT物联网卡申购25
2.3.2IoT网关测试账号申请26
2.4智能家电与IOT网关对接开发27
2.4.1IoT网关对接27
2.4.2终端网络质量数据上报41
2.4.3终端固件远程升级(FOTA)47
2.5智能家电与NB-IOT网络对接开发52
2.5.1下行控制时延优化(提前寻呼)52
2.5.2终端功耗优化(快速释放连接)55
3智能家电NB-IOT应用测试验证59
3.1终端接入验证59
3.2终端与IOT网关对接验证60
3.2.1IoT网关对接验证60
3.2.2终端网络质量数据上报60
3.2.3终端固件远程升级(FOTA)61
3.3终端与网络对接验证62
3.3.1下行控制时延优化(提前寻呼)62
3.3.2终端功耗优化(快速释放连接)62
4附录63
4.1AT+MLWULDATAEX命令(以海思为例,具体详见对应模组厂家指令
集)63
4.1.1命令语法63
4.1.2命令描述63
4.1.3参数描述63
4.2AT命令返回结果64
4.2.1华为海思芯片64
4.3设备升级能力定义66
4.3.1Profile定义66
4.4FOTA升级与MCU交互67
4.5编解码插件开发指导67
4.5.1Profile模板开发67
4.5.2编解码插件开发69
4.5.3输入数据(码流,JSON结构体)格式定义79
第一册
智能家电NB-IOT技术应用
1智能家电产业分析
1.1智能家电产业现状
1.1.1我国家电行业发展分析
我国家电行业是改革开放以来发展起来的新兴行业,在“十五”、“十一五”期间建立了一批有较高水平的骨干企业。
上个世纪90年代以后随着国有企业的产权改制,民营资本大量涌入,加快了产业结构调整,带动了家电行业的重组和整合,加上外资企业纷纷来到中国,使我国的家电行业进入快速发展时期。
家电行业在提高人民生活水平、繁荣经济、为国家积累资金方面发挥了巨大作用。
依据工信部、中商产业研究院数据,2017年我国家电行业主营业务收入1.51万亿元,同比增长18.7%(2017年统计口径有所调整,调整后,2016年主营业务收入为1.27万亿元,调整前为1.46万亿元),其中:
房间空调器累计生产
18039.8万台,同比增长26.4%;家用电冰箱累计生产8670.3万台,同比增长
13.6%;家用洗衣机累计生产7500.9万台,同比增长3.2%;厨房电器市场表现亮眼,得益于宏观消费环境、产业内部结构升级、新兴品类市场爆发等多方面积极因素的集中释放,零售额规模为794亿元,同比增长14.3%;小家电行业2017年上半年整体实现主营收入218.72亿元,同比增长20.89%。
我国家电行业的发展呈现出以下4个特点:
(1)中国已成为全球家电的生产大国中国大陆已是全球最大的白色家电生产基地,约占全球白电产能的
60%-70%,其中空调器约占全球80%的产能,电冰箱和洗衣机约占50%左右。
我国空调器、电冰箱、洗衣机、微波炉、电风扇、电饭锅以及众多小家电的产量均已位于世界前列,家电行业已经成为国民经济中的重要组成部分。
(2)我国已成为家电产品的出口大国和全球主要供应商随着全球性产业转移浪潮,由于我国具有的零部件配套支撑和低成本劳动
力等优势,我国家电产品的出口大幅度增加。
产品不仅出口到东南亚等发展中国家,而且大量出口到美国、欧洲等发达国家。
2017年我国空调器、电冰箱、洗衣机的总销量中,出口占比分别为37%、40%和31%。
(3)家电企业逐渐重视开发自主的关键技术家电行业是技术密集型产业,涉及了机械、电子、化工、环保等领域的科
技成果,产品正在向多功能、高品质、节能、静音等方向发展。
网络化、智能化、节能、环保是全球家电行业发展的主题,对于已完全融入全球经济的中国家用电器行业来讲,这些技术理念已逐步贯穿到产品开发、市场营销、企业发展战略等各个环节,并将持续深入。
(4)家电企业综合成本居高不下、经营风险加大,效益下滑人民币的升值加大了家电产品的出口难度,另外,原材料价格波动剧烈和
劳动力成本大幅增加,这些都使得众多家电企业近年来的效益明显下降,家电行业进入微利时代,行业内的重组和整合趋于活跃。
我国家电市场目前仍存在高竞争性、高集中度、规模经济明显、技术壁垒越来越高、产品创新能力较差等特征。
经历了过去30年的高速发展,今后,以技术、质量、服务为代表的非价格竞争方式将成为众多家电企业在竞争中取胜的新的突破口。
1.1.2智能家电产业发展分析
智能家电就是将微处理器、传感器技术、网络通信技术引入家电设备后形成的家电产品,具有自动感知住宅空间状态和家电自身状态、家电服务状态,能够自动控制及接收住宅用户在住宅内或远程的控制指令;同时,智能家电作为智能家居的组成部分,能够与住宅内其它家电和家居、设施互联组成系统,实现智能家电功能。
智能家电与传统家电的不同,在于智能家电实现了拟人智能,产品通过传感器和控制芯片来捕捉和处理信息,除了根据住宅空间环境和用户需求自动设
置和控制,用户可以根据自身的习惯进行个性化设置,另外,当智能家电与互联网连接后,其也就具备了社交网络的属性。
中国家电行业自2013年开始进入智能化阶段,但到目前为止我国智能家电市场的消费观念仍不成熟,市场规模同整个家电行业相比还相对较小,2016年我国智能家电行业销售收入仅为89.07亿元,同比增长77.90%,2015年则增长127.59%。
但是随着智能家居市场推广的进一步落实,消费者将对智能家居有更深层次的了解。
一旦培育出消费者使用智能家电的习惯,那么智能家电市场将会急剧扩张。
预计2017-2022年我国智能家电销售收入将快速增长,至2022
年我国智能家电销售收入将突破千亿,达1015亿元,同比2016年增长10倍。
智能家电迅猛发展将成为必然趋势,主要原因如下:
(1)网络技术和通信技术的成熟和广泛应用;
(2)信息化水平的不断提高,逐渐达到支持智能家电产业大规模发展的水平;
(3)互联网基础设施和技术条件,为智能家电的发展做了必要的准备;
(4)用户对高水平家电的需求。
同传统家电产品相比,智能家电具有如下特点:
•网络化:
各种智能家电可以通过家庭网络、电信网或广电网连接到一起,可以通过网络与制造商的服务平台相连,实现信息共享。
•智能化:
智能家电可以根据周围环境的不同自动做出响应,不需要人为干预。
例如智能空调可以根据不同的季节、气候及用户所在地域,自动调整工作状态以达到最佳效果。
•开放性和兼容性:
由于用户家庭的智能家电可能来自不同的厂商,智能家电服务平台必须具有开放性和兼容性。
•节能化:
智能家电可以根据周围环境自动调整工作时间、工作状态,从而实现节能。
•易用性:
由于复杂的控制操作流程已由内嵌在智能家电中的控制器或网络服务平台解决,因此用户只需了解非常简单的操作。
1.1.3智能家电的发展瓶颈
(1)缺乏统一的行业或者国家标准智能家电发展中遇到的最突出问题就是缺乏统一的行业或者国家标准,尤
其是通信接口标准,导致家电企业开发的智能家电系统较为封闭,无法获得社会化的支持。
生产厂商按照各自企业规范生产的智能产品适用面窄,与其他品牌互不兼容性、无法实现家电之间的联动,难以形成整体的解决方案。
(2)功能华而不实,产品可靠性低整合了多种功能的智能产品其实并没有真正与用户需求相契合,不实用、
甚至是不必要的功能反而降低了消费者对于智能产品的消费和使用欲望;同时,华而不实的功能、繁琐的操作也在不停的考验着本就不高的系统稳定性。
(3)投入过高,令企业望而却步智能家电开发新增了互联网接入软硬件开发、服务器后台开发、智能终端
应用开发等,开发成本相对比较高。
智能产品和市场的成熟又不可能一蹴而就,企业的投入短期内无法得到回报。
(4)安全性得不到保障智能家电会与网络相连,将带来网络安全、信息安全、以及电器安全的风
险。
没有用户愿意将自己暴露在随时会被攻破隐私的危险环境下,尤其是在黑客技术无处不在的今天,这种担忧阻碍着消费者对智能家电的选择。
(5)产品售后与服务体系不完善当智能家电被整合进越来越多的功能,虽然会满足消费者更加多变的使用
需求,但同时增加了维修服务的难度。
智能家电的普及,必须伴随着更加专业的售后服务团队来提供技术保障。
1.1.4WiFi应用痛点
网络通信是家电智能化应用的基础。
在通信方式上,家电企业做过很多尝试,例如有线通信方式有电力线载波、BACnet、CEBUS、RS485、LonWorks、HomePNA等,无线通信方式有Bluetooth、ZigBee、HomeRF、3G、4G以及今
天普及率极高的WiFi。
但这些通信方式在功耗、信息安全、硬件成本、覆盖范围等方面并未实现相对完善的解决方案。
目前我国大部分住宅建设尚未考虑家庭联网的需要,基础设施严重不足,重新布线费时费力,影响推广。
采用无线通信方式相对而言比较灵活,更适合家庭。
国内的智能家电产品大都采用WiFi方式接入家庭网络。
相比于ZigBee和Bluetooth技术,WiFi技术有着更容易接入到互联网中、芯片模组产业成熟、更便于快速部署到相关产品中的优势,但同时,WiFi也存在这相当多的无法忽视的痛点问题。
(1)接入问题
目前已经有大量安装有WiFi模块的家电在市场上销售,但是每台售出的家电,都需要安装人员或消费者对WiFi接入进行设置,由于每家WiFi名称不统一,接入配置无法统一化完成,造成人力安装成本无形上升。
(2)在线问题
带有WiFi模块的家电经过安装后,会出现经过一段时间掉线无法重联的情况,或者由于路由重启、重置等其他问题造成家电再也无法连接到网络上。
(3)信号覆盖问题
WiFi基于高频共有频段,对于房间角落、家居密集摆放区等对高频无线传输影响较大的地方,会出现无法获取信号的情况,导致很多位于该方位的家电无法连接到网络。
(4)安全问题
WiFi采用共有频段进行数据传输,这种非授权频谱的自组网技术,其抗干扰性、数据管理水平良莠不齐,造成数据在传输过程中被破解、盗用的风险极高。
(5)功耗问题
由于WiFi技术的功耗较高,对于越来越多的对功耗要求严格的节能环保型家电,WiFi模块将不能满足其需求。
为满足物联网发展需求,NB-IoT(NarrowBandInternetofThings,窄带物联网)通信随之产生,凭借大连接、低功耗、低成本、广覆盖、高安全的特点,
越来越多的被应用于物联网行业。
在家用电器行业,今年上半年,海尔、美的、长虹、小天鹅、荣事达等家电企业分别与电信运营商在NB-IoT领域签署合作协议,达成战略合作。
1.2NB-IoT技术背景
1.2.1NB-IoT技术简介
NB-IoT是一种基于蜂窝通信3G/4G演进的物联网通信技术,全球移动通信标准组织3GPP负责NB-IoT技术的标准化,首个标准版本Release13已经于2016年6月发布,并持续演进。
NB-IoT工作于专用授权频段,主要应用于低吞吐量、海量连接的场景,未来将承接大量物联网业务接入。
NB-IoT技术的主要特点如下:
•大容量:
在同一基站的情况下,与现有无线技术相比NB-IoT可提供50~100倍的连接数(具体连接容量根据实际业务模型评估)。
•高覆盖:
在同样的频段下,NB-IoT比现有蜂窝网络提升20dB增益,将极大的改进室内覆盖。
•低功耗:
NB–IoT借助PSM(PowerSavingMode,节电模式)和eDRX
(ExtendedDiscontinuousReception,扩展型非连续接收)可实现更长的待机,设备续航时间可以大幅提升到几年,甚至10年以上。
NB-IoT芯片正常待机耗电只需毫瓦(mW)级,而在PSM模式下通信芯片功耗更只需微瓦(μW)级。
•低成本:
低速率、低带宽等带来的简化设计同样给NB-IoT芯片以及模块带来低成本优势,通信模组成本可以达到$5以下。
相比其它通信技术,NB-IoT可以使得大量物联网设备直接通过成熟稳定可靠的运营商网络接入,消费者、家电厂商无需自组网,也有望降低运营和维护成本。
•高安全:
NB-IoT基于专用频谱、空口双向鉴权及严格加密,提供电信级别的安全可靠能力,保障用户数据的传输安全性。
正因为NB-IoT具备的低功耗、广覆盖、低成本、大容量等优势,使其可以广泛应用于多种垂直行业,如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业、智能安防、共享单车、智能家居等领域。
1.2.2NB-IoT与其他无线通信技术的对比
物联网通信从传输距离上可分为低功耗广域网通信和局域网通信(见表1)。
针对于智能家电不同的应用场景,不同类型的通信技术各有优势。
相对于局域网通信技术,低功耗广域网技术代表着新的一类趋势。
表1几种常用的无线通信技术对比
指标通信方式
类型
通信距离
理论速度
优点
缺点
NB-IoT
低功耗广域网
2.5-5Km
200Kbps
广覆盖大容量低功耗低成本
高安全性
低速率
eMTC
2.5-5Km
1Mbps
广覆盖移动性强应用多元化
高安全性
速率仍低于
WiFi
Sigfox
30-50Km
1Kbps
极广覆盖极大容量极低功耗
极低速率,国内组网困难
Lora
10-15Km
180-37.5Kbps
广覆盖大容量低功耗
低成本
低速率,国内组网困难
指标通信方式
类型
通信距离
理论速度
优点
缺点
WiFi
无线局域网
-100m
54-300Mbps
速度快普及率高
移动能力弱连接数量少接入配置复杂高功耗
安全性差
Bluetooth
-10m
100Kbps
低功耗
不依赖外部网络
组网能力弱
短距离高成本
ZigBee
-30m
10Kbps
低功耗组网能力强
短距离极低速率普及率低高成本
易受干扰
NFC
-1m
100Kbps
高安全性
极短距离低速率
普及率低
广域网通信技术一般定义为LPWA(LowPowerWideArea,低功耗广域技术),是一种大跨越地域性的网络,具有分布域广、可移动性、广接入数大等特性。
广域网通信技术可以分为如下两类:
(1)工作在非授权频谱的技术:
如LoRa、SIGFOX,具有低速率、低功耗、低成本等特性;这类技术大多是非标准的,自定义实现,因此抗扰性、安全性和接入数量受自建网络的性能的影响较大。
(2)工作在授权频谱的技术:
如我们所熟悉的移动通信网络GSM、LTE等蜂窝通信技术,以及NB-IoT技术及eMTC技术;由于工作在授权频谱,有运营商运营和维护,因此具有网络可靠性高、安全性高、信号覆盖广的优势;
LTE及其演进是对应于高速大流量、低时延数据应用;NB-IoT技术对应于低速率、低功耗、低成本、网络信号穿透性强、海量连接数、时延不敏感(秒级)的数据应用;eMTC技术则是介于NB-IoT技术与LTE技术两者之间,属于中速应用。
局域网通信技术,如WiFi、蓝牙、ZigBee等,是应用在某一个区域内的网络,具有传输速度比较高、传输距离短、功耗不低的特性,适用于数据的短距离、高速传输,不适于广泛分布、大量连接、低功耗的场景。
NB-IoT技术与其他技术相比,在低速率、广分布、低成本应用的场合具有明显的技术优势(如表2所示)。
表2广域网通信技术对标
通信技术对标项目
NB-IoT
eMTC
Sigfox
Lora
标准
国际标准
国际标准
私有标准
私有标准
频谱
授权
授权
非授权
非授权
峰值速率
UL:
204.8kbpsDL:
234.7kbps
UL:
1MbpsDL:
800Kbps
UL:
100bpsDL:
600bps
180bps-37.5kbps
最大发射功率
23dBm
23dBm
14dBm
14dBm
安全性
高
高
低
低
通信可靠性
高
高
低
低
1.2.3NB-IoT应用于家电行业
在智能家电领域,NB-IoT可以快速、安全、低成本的实现对智能家电的信息采集、状态监测和控制指令下发等远程操作,提高智能家电的网络接入率,并实现更有针对性的动态管理,从而为消费者提供更加智能的场景应用服务,也有望让家电厂商提供更智能、更高效的产品售前、售中、售后服务。
NB-IoT对智能家电领域应用的利好,具体体现在以下4个方面。
(1)接入方面
NB-IoT是一种由电信运营商提供统一网络接入的技术,是全球标准通信技术,支持全球漫游使用。
每台安装NB-IoT通信模组的家电,在售出时只需经用户授权开通,就可以直接经电信运营商网络接入家电厂家自有或其它第三方的业务云。
同时,NB-IoT大容量能力支持海量设备接入,避免类似由于家庭路由器接入数量限制而导致智能家电无法接入问题。
因此,NB-IoT使得智能家电接入配置统一化成为可能,简化安装接入配置流程,可有效降低人力安装成本。
(2)信号方面
NB-IoT网络是由专业电信网络运营商建设并提供服务的物联网专用通信网络,使用有别于WiFi共用频段的专用授权频段;同时,NB-IoT技术本身具备更高覆盖能力,相比现有移动通信网络增加20dB覆盖,可提供更佳的室内覆盖。
可解决家电安装分散、安装位置条件复杂等网络覆盖问题,更易实现接入并保持长久在线。
NB-IoT是基于蜂窝移动通信网络的广域覆盖技术,如果家电配备电池供电,则可在售前物流、家电回收等环节实现智能家电的状态和位置跟踪,进而可协助厂商开展更高效便捷的供应链管理和家电回收管理。
(3)安全方面
NB-IoT的电信网络是基于授权频谱组建、具有双向通信鉴权和加密能力的网络,其抗干扰能力、数据安全性、技术服务等方面有高安全保障。
NB-IoT可协助确保家电合法接入、并保障数据传输的完整与安全性。
(4)能耗方面
NB-IoT正常功耗低于WiFi,同时提供多种网络在线模式——类似手机的待机模式(DRX模式)、省电待机(eDRX模式)、节电模式(PSM模式),智能家电可依据自身功耗需求选择和转换在线模式以满足智能家电未来越来越严苛的节能、环保要求。
1.2.4NB-IoT产业进展
(1)NB-IoT全球化商用标准已发布
NB-IoT首个版本Release13于2016年6月冻结。
3GPP国际标准组织以市场业务应用为导向,在兼容现有功能的基础上对协议功能进行持续增强,2017年Release14标准也已冻结发布,其引入广播功能(适用于批量终端设备以广播方式同时进行软件升级)、并对性能做了增强,包括更高吞吐率(达到100Kbps以上)、更低功耗和更低时延等。
(2)NB-IoT芯片和模组已经成熟
当前华为、高通、RDA、MTK、Nordic等均已宣布其NB-IoT芯片计划,其中起步最早的华为已于2017年一季度推出了商用芯片,并于4月份开始支持大规模发货。
在模组领域,移远、利尔达、u-blox、Telit、Gemalto、SIERRA等模组厂商都可提供成熟的NB-IoT商用模组。
(3)国际大厂引领网络发展
NB-IoT技术的最大优势是众多国际巨头厂商的投入和支持。
华为、爱立信、诺基亚等通信设备厂商均已推出了支持NB-IoT的软件版本,通过软件升级即可在2G/3G/4G网络基础上快速开通NB-IoT。
(4)NB-IoT大网正在全球快速部署
2017年全球已将部署39张NB-IoT商用网络,覆盖28个国家。
目前中国、
韩国、德国、荷兰、西班牙等国已经启动了商用部署,其中中国电信2017年上半年全网商用NB-IoT,中国联通、中国移动也将在18年中实现全网商用。
(5)中国政府大力支持NB-IoT产业的发展
工业和信息化部今年6月发布了《关于全面推进移动物联网(NB-IoT)建设发展的通知》,指出:
基础电信企业要加大NB-IoT网络部署力度,提供良好的网络覆盖和服务质量,全面增强NB-IoT接入支撑能力;到2017年末,实现NB-IoT网络覆盖直辖市、省会城市等主要城市,基站规模达到40万个;到2020年,NB-IoT网络实现全国普遍覆盖,面向室内、交通路网、地下管网等应用场景实现深度覆盖,基站规模达到150万个;推动NB-IoT在个人生活领域的应用,促进信息消费发展,加快NB-IoT技术在智能家居、可穿戴设备、儿童及老人照看、宠物追踪及消费电子等产品中的应用,加强商业模式创新,增强消费类NB-IoT产品供给能力,服务人民多彩生活,促进信息消费。
1.3基于NB-IoT的智能家电解决方案架构
基于NB-IoT的智能家电解决方案按照云管端的系统架构来建设,以满足未来的演进需求,方案包括终端、网络、IoT网关和智能家电应用4个部分。
通过物联网、云计算、
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