基于NB-IoT技術的智能家電開發

鮑建科

松下家電研究開發（杭州）有限公司 浙江杭州 310018

1 引言

窄帶物聯網NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）是IoT領域一個新興的技術，其構建于蜂窩網絡，只消耗大約180kHz的帶寬，因為支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，也被叫作低功耗廣域網(LPWAN)。其主要特征是大容量、高覆蓋、低功耗和高安全。三大運營商正在國內積極推進NB-IoT網絡的基礎設施建設，隨著NB-IoT模組成本的降低，越來越多基于NB-IoT技術應用的落地可拭目以待。目前，NB-IoT由于國家政策扶持等原因被廣泛應用于三表、路燈、井蓋等基礎設施的建設。最近，青島海爾集團也發布了全球首款基于NB-IoT的物聯網空調，這是一款引入了共享概念主題，攜手各大高校、公寓租賃項目的戰略型商品，取得了很高的社會評價。我司作為家電行業中的技術領頭企業，也積極響應家電的智能化轉型，在繼續提高帶Wi-Fi家電產品技術提升的同時，研究開發基于NB-IoT的智能家電，旨在通過NB-IoT技術實現供應鏈管理（SCM）的改革和大數據應用。

2 NB-IoT產業進展和模組價格預測

參考智能家電產業NB-IoT聯合應用中心2018年5月發布的《智能家電產業NB-IoT應用及開發指導書》中關于NBIoT產業進展的報告，做如下總結：從政策面上看中國政府大力支持NB-IoT產業的發展，工業和信息化部《關于全面推進移動物聯網（NB-IoT）建設發展的通知》中指出：到2017年末，覆蓋直轄市、省會城市等主要城市，基站規模40萬個；到2020年，全國普遍覆蓋及深度覆蓋，基站規模達到150萬個；加快NB-IoT在智能家居等消費電子產品中的應用。另外，2017年3GPP國際標準組織已經發布NB-IoT全球化商用標準Release14。從硬件面上看國際大廠引領網絡、芯片和模組的發展，華為、愛立信和諾基亞等通信設備廠商積極投入，推出了支持NB-IoT的軟件版本，通過軟件升級即可在原有的無線通信基站的基礎上快速開通NB-IoT。華為、高通、MTK等均已宣布NB-IoT芯片，華為早在2017年4月份推出了商用芯片。在模組領域，移遠、利爾達、U-blox、Telit、Gemalto和SIERRA等模組廠商均可提供成熟的NB-IoT商用模組。

通過與國內排名前幾位的NB-IoT模組廠商的交流，了解了NB-IoT商用模組的國內出貨量和價格走勢，如圖1所示，NB-IoT模組價格從2017年一季度最初的120RMB以上，到18年二季度已經下降為36RMB。借鑒2G模組的國內出貨量和價格走勢，如圖2所示，我們有理由相信，不久的將來隨著NB-IoT在垂直領域應用的進一步深入，出貨量達到每季度千萬級時，NB-IoT模組價格將下降到15元左右，屆時，其在家電領域的使用將進一步擴大。同時，三大運營商針對NB-IoT模組和通信費用的補貼也出了一系列的利好政策，這極大鼓舞和促進了NB-IoT模組價格的過度階段在家電領域中的使用。

3 與Wi-Fi技術的優劣比較

3.1 Wi-Fi技術痛點

Wi-Fi技術具有傳輸速率高、普及率高、更容易接入到互聯網、芯片模組產業成熟，便于部署到家電產品的優勢。目前國內的智能家電產品大都采用Wi-Fi方式接入家庭網絡。但是，Wi-Fi應用在智能家電時，存在以下無法忽視的痛點：

（1）設備綁定時的接續性問題

用戶購買了搭載Wi-Fi模塊的智能家電后，需要事先對Wi-Fi接入進行配網，目前行業內主流的方式有Smart Config方式和Soft Ap方式。Smart Config方式是智能手機通過UDP廣播方式將路由器SSID和密碼播報出去，實現對設備配置入網，其過程較為便捷。Soft AP方式時，設備本身將成為一個AP，智能手機通過TCP通信與設備進行連接，然后在手機的界面上輸入路由器的SSID和密碼，設備接收到信息的時候會自動嘗試連接路由器，連接成功則自動切換到正常使用的模式。

隨著手機、路由器和網絡的發展，特定的手機和路由器組合或者特殊的網絡環境，Smart Conf i g方式時容易出現廣播包丟失甚至被屏蔽，導致配網失敗的概率極高；Smart Conf i g雖然配網的成功率較高，但是配網的過程有一定的復雜性。因此，無論采用哪種方式，都會造成用戶體驗變差。

（2）設備在線率低的問題

帶Wi-Fi的智能家電經過配網后，使用一段時間后，由于智能家電系統（智能終端、APP、云服務器和網絡）的可靠性、兼容性等原因經常出現各種掉線，無法重聯的問題。其次，由于路由器的重啟、重置等問題也使得家電無法再次連接到網絡。另外，家庭路由器同時接入設備的數量也是有限的，受限于帶寬，僅開放8～16個接入口，隨著家庭中智能設備數量日益增長，這個痛點將更加顯現。

（3）Wi-Fi信號覆蓋弱的問題

圖1 NB-IoT模組國內出貨量和價格走勢

圖2 2G模組國內出貨量和價格走勢

圖3 基于NB-IoT的智能家電的系統框架示意圖

圖4 通過NB-IoT技術自制定符合實際的生產計劃和物流計劃

圖5 通過NB-IoT技術實現有效的營銷投資

圖6 通過NB-IoT技術實現不同區域的家電使用信息的大數據分析

根據波速公式V=λf，在同種介質中，波的傳播速度相同，即波長和頻率的乘積不變，λ=V/f，波長和頻率成反比，即頻率越高，波長越短，信號的穿透能力就越弱。實際使用中，Wi-Fi信號還要穿越承重墻體、玻璃和家具等的時候還會造成信號的大幅度衰減，而且頻率越高衰減越明顯。因此，廚房空間、洗浴空間等家居擺放密集的區域，對高頻共用段的Wi-Fi信號的傳輸影響巨大，智能家電將無法獲取信號。

（4）產品信息安全的問題

隨著智能化技術的引入，家電在接入網絡之后，除了“傳統”的電器安全（Safety）之外，又多了一個產品信息安全(Security)問題。Wi-Fi采用的是公用頻段進行數據傳輸，這種非授權頻譜的自組網技術，對于智能家電廠商而言，信息安全對策的門檻較高。目前，市場銷售的智能家電普遍存在產品信息安全的問題，數據在傳輸過程中，將造成產品使用者個人信息的泄露，妨礙產品的正常功能等威脅。

最后，Wi-Fi技術功耗高，對功耗嚴格的節能環保型家電，Wi-Fi模塊將不能滿足要求。

3.2 NB-IoT技術的優勢

NB-IoT工作在專用授權頻段，有專門的運營商運營和維護，具有網絡可靠性高、安全性高、信號覆蓋廣的優勢。主要應用于低吞吐量，海量連接的場景，未來將承接大量的物聯網業務的接入。對比Wi-Fi技術應用于智能家電的場景特點，NB-IoT技術主要具有以下4大方面優勢：

（1）接入方面

搭載了NB-IoT通信模組的智能家電，在商品出售時只需經用戶同意開通通信服務，就可以直接經電信運營商網絡接入家電廠商云服務器，類似于我們利用SIM卡進行電話通信和上網。這種方便用戶接入網絡的方法，大大提高了智能家電的接入率，也為之后的用戶大數據分析提供了可能性。

在同一基站的情況下，與現有無線通信技術相比，NBIoT具有50至100倍的上行容量提升，200kHz帶寬下單基站小區可支持5萬用戶。因此，與現有無線技術相比，NB-IoT可以提升50至100倍的接入數。

（2）信號方面

NB-IoT比現有的無線網絡增益20dB，相當于提升了100倍覆蓋區域的能力，可穿透地下、墻壁，有效解決了部分家電安裝位置無法被網絡覆蓋的課題。另外，像工廠倉庫這種信號強度弱的區域也能夠接收到信號，因此，商品出售前若安裝了提供NB-IoT工作的干電池，就可以實現出入庫管理、物流跟蹤，開展更高效便捷的供應鏈管理活動。

（3）安全方面

NB-IoT的電信網絡是基于收費頻譜組建，具有雙向通信鑒權和加密能力的網絡。其抗干擾能力、數據安全性、技術服務等方面有高安全保障。NB-IoT可協助確保家電合法接入，并保障數據傳輸的完整性和安全性。

（4）能耗方面

NB-IoT正常功耗低于Wi-Fi，擁有多種網絡在線模式：DRX（待機模式）、eDRX模式（省電模式）、PSM（節電模式），智能家電在軟件開發時，可依據自身功耗選擇和轉換家電的在線模式以滿足智能家電越來越嚴苛的節能、環保要求。

4 NB-IoT智能家電的系統構架

基于NB-IoT的智能家電的系統構架同基于Wi-Fi的智能家電的系統框架，如圖3所示。也是按照云管端的系統框架來建設。所不同的是搭載在商品主控基板的是NB-IoT模組，使用的是NB-IoT網絡。另外，采用華為海思芯片的NBIoT模組同時支持基于UDP協議和CoAP協議傳輸。采用CoAP傳輸協議接入運營商提供的IoT聯接管理平臺后，可實現IoT聯接管理平臺開放的NB-IoT通信業務的連接管理、設備管理、數據管理和分析等基礎功能，滿足智能家電應用的快速開發需求。

5 基于NB-IoT智能家電的供應鏈改革

在使用NB-IoT技術前，一般是利用二維碼或者更有效的方法是利用RFID技術實現供應鏈的各個環節的管理，難免還需要人為進行掃描并統計，也難以實現對商品定位來反映真實的供應鏈的信息。如前所述，我們可利用NB-IoT信號高滲透的能力，在出售前安裝提供NB-IoT工作的干電池，就能夠實現對每臺設備在倉庫停留和物流過程中就實現定位和數量統計，可節省工時并有效避免人工統計工作中的錯誤，進而制定出符合實際情況的生產計劃。其次，工場因為使用NB-IoT定位技術能夠及時得到各個代理店鋪的在庫信息，從而得到哪個店鋪哪種型號商品銷售情況好壞的信息，進而可制定出符合實際的出貨和物流計劃。通過以上，工場就可以實現合理的安排庫存，取得更多的銷售機會。如圖4所示。

因為不能確定哪些區域的用戶對哪種型號商品的喜愛，而投入了大量的資金進行販賣、廣告戰略，這種盲目的投資將對公司造成極大的經濟損失。即使事先進行了用戶調查，也會因為樣本數量的不足或者調查方案的不完備而得不到用戶真實需求的反映。而通過NB-IoT技術，就可以自動取得特定區域內用戶使用商品型號的真實分布，有的放矢，實施有效的營銷投資，促進公司的利益增長。如圖5所示。

6 基于NB-IoT智能家電的大數據分析的應用

由于基于Wi-Fi的智能家電網絡連接不便，在線率不足10%的現實情況，而無法實現智能家電的初衷：利用用戶對家電的使用信息進行大數據分析，為企業創造新的商業模式和為用戶提供真正需求的商品。而基于NB-IoT技術的智能家電因為極高的設備在線率，企業能夠收集足夠的用戶使用數據，而且結合設備所在區域的特定信息，創造出新的顧客價值，如圖6所示。

因為我國地理幅員遼闊，氣候特征分布鮮明，使得家電的故障模式、發生機理和使用習慣與地理位置密切相關。通過對地理位置、季節和故障信息的數據分析，可實現區域間的故障對策的技術開發，例如針對北方水質硬度高，家電用銅管因為通水而造成堵塞的故障率高，而開發新的材料和新的技術，并在此區域銷售時對此痛點投放專門的廣告。通過對地理位置、季節和使用習慣的數據分析，可針對特定區域進行專門功能的開發和營銷，例如針對南方梅雨季節而開發除菌除霉功能產品并展開營銷活動。其次，可通過對家電相關耗材使用程度的監測，提醒用戶及時購買并一鍵下單，提高用戶使用粘性，例如可提醒洗衣液、護衣液的購買、空調的清洗、冷媒的追加和上門服務等。通過對家電使用過程、故障數據的監測，還可實現便捷高效的維修服務，例如開發人員可在后臺根據故障前后家電的使用信息，遠程助力維修人員，提高維修的效率。

7 結論

隨著基于Wi-Fi的智能家電的發展，應用于智能家電的云服務器、大數據分析和低成本傳感器等核心技術進一步提高，當前Wi-Fi的網絡連接技術越來越表現出固有的缺陷。今后在低吞吐量、海量連接的場景，NB-IoT勢必將全面代替Wi-Fi承接大量的物聯網業務接入，絕大部分家電將基于NB-IoT開發。而對于時延要求高、高速傳輸的場景，將由5G技術負責實現，部分家電也會使用5G技術。智能家電需要實現把傳統家電和服務業的完美結合，為用戶提供真正需求的生活方式，而利用NB-IoT的技術特點可以很好的實現先獲取用戶數據、再分析用戶數據、進而根據用戶數據開發出用戶真正需求的商品。