NB-IoT在电梯物联网应用前景的分析

2018-04-25丁杰

中国特种设备安全 2018年3期

丁杰

（江苏省特种设备安全监督检验研究院无锡分院无锡 214174）

1 电梯物联网的发展现状

电梯物联网即利用物联网技术，通过前端设备采集电梯信息，通过网络将电梯信息上传至监控平台，实现各相关单位对电梯实时有效的监管维护，电梯物联网监控平台架构如图1所示。电梯物联网平台将采集的电梯运行数据、故障信息、报警信息进行存储、分析并结合BI等应用软件将电梯状态直观形象的展示，使电梯企业、政府部门、维保企业、物业公司、电梯乘客能够及时了解电梯基本信息、运行情况，电梯开展的生命周期管理，有效保障电梯的安全可靠运行，为后续电梯按需维保提供数据支撑。

全国多个城市都在试点开发电梯物联网安全运行监管系统与平台，由于缺少业内统一标准，各地平台都存在地方特色，加上数据融合共享困难等问题，未能形成有效的系统建设推广模式。就前端采集设备的信息传输方式，目前电梯物联网系统主要采用移动网络（2G、3G、4G）、自组网（LoRa、ZigBee）和宽带网络。电梯物联网中的传输设备主要工作场景如下：1）电梯工作时，状态发生变化，状态信息实时上报，上报间隔通常是秒级；2）电梯不工作时，状态信息需要定时上报心跳信息，以确保该电梯已接入平台且采集设备工作正常，上报间隔通常是分钟级；3）平台需要查看指定电梯时，通过下达指令，将指定梯的实时状态发送至平台；4）电梯发生故障或者困人等紧急情况时，需要及时上报报警信息和故障信息。在电梯物联网应用中，通过传输协议的优化，单台设备单次传输的数据量通常为几十个字节，传输具有数据量小且有一定的突发性的特点，而现阶段这种低速率业务还没有很好的蜂窝技术来满足，在很多的情况下只能使用2G、3G等技术支撑，造成资源的浪费以及运维成本的增加，这也是电梯物联网推广困难的一个重要因素。

图1 电梯物联网架构图

2 NB-IoT的发展

随着网络的发展，智能终端和传感设备的日趋普及，大数据迅猛发展的大背景下，移动通信已由移动互联向万物互联演变，而60%的物物互联，属于低速率业务。NB-IoT的信道带宽180kHz，采用半双工工作模式，上行速率不超过250kbps，下行速率不超过20kbps，支持低功耗和重传机制，具有海量接入能力。NB-IoT通过电信运营商运营，可以部署在现有GSM网络（2G）、UMTS网络（3G）或LTE网络（4G），网络信号明显增强，可支持10km的长距离传输。NB-IoT的这些技术属性特别适用于像电梯物联网这种无须移动，小数据量，对时延不敏感的实时数据传输业务。NB-IoT解决方案架构如图2所示。

图2 NB-IoT解决方案架构

3 NB-IoT在电梯物联网应用的可行性与优势

3.1 技术先进性

随着科技的发展，越来越多的物联网设备将接入网络，DHL和思科联合发布了一份关注于物联网（IOT）的“趋势报告”，报告显示，到2020年，全球通过互联网连接的设备将由现在的150亿美元增长到500亿美元，在如此巨大的接入量面前，可靠稳定的物联网的通信就显得尤为重要。目前我国大多数城市的电梯物联网平台采用GPRS或者3G通信，随着通信技术的发展，后期2G将普遍退网，而3G模组和通信资费较高，考虑后期升级维护成本，GPRS和3G模式不利于大规模的推广布设。与此同时NB-IoT比2G/3G/4G有50～100倍的上行容量提升，在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50～100倍的接入数，支持接入控制和QoS。NBIoT能够通过独立部署、保护带部署、带内部署三种方式，在现有GSM、LTE上完成新建、复用和升级。现有电梯物联网平台的升级改造，仅需更换前端传输模块，软件平台的数据接口做适应性修改，平台上层应用不需要做任何更改，即可快速、平滑的完成电梯物联网传输协议的转换过渡。

3.2 安全可靠性

电梯物联网平台需要入网电梯与平台之间的数据交互能够持久的安全稳定可靠，不易被窃取。NBIoT继承4G网络安全能力，支持双向鉴权以及空口严格加密，确保用户数据的安全性，且能提供电信级的可靠性接入。同时NB-IoT技术能实现比GSM好20dB以上的覆盖增益，覆盖面积扩大100倍。国内电信运营商已在现有网络800MHz、900MHz频段上开始部署，低频段承载，具有信号穿透能力更强、覆盖能力优的特点，结合运营商的基站使用可以覆盖几乎每一个角落，确保在不同物理环境下通信质量更稳定。图3和图4分别是NB-IoT在不同耦合损耗下上报有效载荷分别是65字节和100字节的紧急数据时，可靠率达到90%和99%情况下的网络延时，由此可见NB-IoT的通信能力基本可以满足现有电梯物联网数据的通信要求。

图3 90%可靠率传输延时

图4 99%可靠率传输延时

3.3 经济性

NB-IoT通过采用180kHz的窄带设计，低采样率，半双工的工作模式，简化了通信协议栈，减少片内FLASH/RAM，单片SoC内置功放等技术手段使得硬件成本下降，终端芯片价格低至$1，模组成本与同类产品相比也是优势明显，如图5所示。在流量资费方面，目前中国电信已推出NB-IoT业务套餐如图6所示，根据电梯物联网数据通信的实际情况，单台电梯的通信费用为40元/年，比现有的GPRS、3G费用低的多。在布网方面，由于环境的特殊性，以往在轿顶或者井道安装传感设备，需要通过无线网桥或者电力载波通讯，造成成本的大幅提高，NB-IoT良好的覆盖性可以很好地解决这个问题。

图5 物联网产品成本

图6 电信NB-IoT套餐

3.4 可扩展性

NB-IoT在R14计划推出定位功能，电梯物联网平台可以动态刷新电梯位置，同时还能减少电梯坐标录入和维护工作，为电梯维护和应急救援业务开展提供便利。

目前电梯物联网采集的是电梯功能性参数，主要包括电梯上下行，开关门等运行数据以及故障报警信息，而缺少对电梯环境以及乘坐舒适性的指标参数监管。NB-IoT支持低功耗，能够5～8年的长待机，可以满足更多使用场景的需求。在轿厢顶部安装测量加速度和震动值传感器设备，通过设置报警阈值，当电梯加速度或者震动超限时，即可唤醒NB-IoT模块将报警信息上传至服务平台，并告知维保人员，实现及时发现问题，快速解决问题的处理机制，减少用户的投诉及抱怨。当因电梯井道的质量问题导致漏水，或机房渗水到井道等异常情况造成底坑积水时，电梯的部分电气元件、机械装置被水浸泡或者由于受潮而出现生锈，都将对电梯造成巨大安全隐患。而在底坑安装积水传感设备，通过NB-IoT信号强大的穿透和覆盖能力，以及便捷的维护，使得底坑环境的监控成为可能。

NB-IoT为电梯运行的全面监控，提供了良好的通信传输，更全面的电梯数据能够为后期基于大数据的电梯安全风险评估提供支持。