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NB-IoT是物联网的一个新兴通信技术，是在 2016年由中国华为科技和中国电信、中国移动、中国联通联合推出的。2017年开始投入商用。天网互联在 2017年开始接触NB-IoT技术，后来几年也一直在从事NB-IoT系列产品的研发。2020年 7月，国际电信联盟宣布，含NB-IoT的 3GPP 5G技术正式被接受为ITU IMT-20205G技术标准。这也意味着，由中国产业链主导的NB-IoT不仅在实践中获得了全球产业链的广泛认可与支持，而且正式纳入全球 5G标准体系。
NB-IoT成为万物互联网络的一个重要分支，聚焦于低功耗广覆盖的物联网市场，是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。具有覆盖广、连接多、成本低、功耗少、架构优等特点。NB-IoT使用授权频段，可采取频带内、保护频带或独立载波等三种部署方式，与现有网络共存。其优势表现在：
NB-IoT在物联网应用中的优势比较显著，是蓝牙、WiFi、LoRa、ZigBee等传统的物联网短距离传输技术所无法比拟的。首先其覆盖更广，在同样的频段下，NB-IoT比现有网络增益 20dB，覆盖面积扩大 100倍，而GSM基站目前理想状况下能覆盖 35km；其次，能覆盖到深层地下GSM网络无法覆盖到的地方。其原理主要依靠缩小带宽，提升功率谱密度；重复发送，获得时间分集增益。
NB-IoT的一个扇区能够支持 10万个连接。全球有约 500万个物理站点，假设全部部署NB-IoT、每个站点三个扇区，那么可以接入的物联网终端数将高达 1500亿个，真是实现万物互联所必需的海量连接。其原理在于：基于时延不敏感的特点，采用话务模型，保存更多接入设备的上下文，在休眠态和激活态之间切换；窄带物联网的上行调度颗粒小，资源利用率更高；减少空口信令交互，提升频谱密度。
经过实战测试，NB-IoT的待机功耗可以做到 4uA，终端在 99％的时间内均处在休眠态，并集成多种节电技术，功耗大概是 2G的 1／10，NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接，据说基于AA（5000mAh）电池的NB-IoT设备正常使用寿命可超过 10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。但和蓝牙、LoRa、ZigBee等相比，数据发送时，需要的电流更大，数据通信的电流大概是 70～120mA。
NB-IoT构建于蜂窝网络，无需重新建网，射频和天线基本上都是复用，只消耗大约180kHz的带宽，可以直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，即可以通过电信公司的基站直接和云平台连接通讯，只要手机有信号，NB-IoT节点就有信号。而传统的蓝牙、WiFi、LoRa、ZigBee等通讯方式，需要和网关连接，再通过网关和平台通讯。
硬件可剪裁，软件按需简化，确保NB-IoT成本低廉，基于大规模量产之后芯片价格为 7～14元，其通信单模块成本不足 35元。
NB-IoT网络架构可分为三部分：传感器组成的网络、云平台和用户终端，如图3.1所示。
（1）传感器组成的网络。
传感器组成的网络又分为传感器终端、无线网和核心网三部分。
传感器终端主要是通过空口连接到基站。终端主要包含行业终端与NB-IoT模块。行业终端包括：芯片、模组、传感器接口、终端等；NB-IoT模块包括无线传输接口、软SIM装置等。
无线网包括两种组网方式：一种是整体式无线接入网，其中包括 2G／3G／4G／5G以及NB-IoT无线网；另一种是NB-IoT新建，主要承担空口接入处理，小区管理等相关功能，并通过S1-Lite接口与物联网核心网进行连接，将非接入层数据转发给高层核心网处理。
图3.1 典型NB-IoT网络架构
核心网包括两种组网方式：一种是整体式的演进分组核心网网元，包括 2G／3G／4G／5G核心网；另外一种是物联网核心网。核心网通过IoT EPC网元，以及GSM、通用电信无线接入网（UITRAN）、LTE共用的EPC，来支持NB-IoT和eMTC用户接入。
（2）云平台。
云平台分为物联网支撑平台和应用服务器：前者包括归属位置寄存器、策略控制和计费规则功能单元、M2M物联网平台等；后者是物联网数据的最终汇聚点，根据客户的需求进行数据处理等操作。
（3）用户终端。
用户终端分为Web端和手机App，终端数据通过运营商基站接入核心网，汇入运营商的物联网专网，经物联网平台与用户的平台进行数据交互，方便用户与NB-IoT平台进行交互，比如查看数据或付费。
NB-IoT默认状态下存在三种工作状态，三种状态会根据不同的配置参数进行切换。
（1）连接态Connected。
模块注册入网后或终端发送数据完毕就处于该状态，并启动“不活动计时器”，可以发送和接收数据，无数据交互超过一段时间后会进入ldle模式，时间可配置，默认 20秒，可配置范围为 1～3600秒。
（2）空闲态Idle。
“不活动计时器”超时，终端进入Idle态，并启动激活定时器Active-Timer，该状态可收发数据，且接收下行数据会进入Connected状态，无数据交互超过一段时会进入PSM模式，时间可配置，超时时间配置范围为 2秒～186分钟。
（3）节能模式PSM（Power Saving Mode）。
Active-Timer超时，终端进入PSM状态，此模式下终端关闭收发信号机，不监听无线端的寻呼，因此虽然依旧注册在网络，但信令不可达，无法收到下行数据，功率很小。持续时间由核心网配置，有上行数据需要传输或TAU周期结束时会进入Connected态，TAU周期配置范围为 54分钟～310小时。这里，TAU周期指的是从Idle开始到PSM模式结束。
（1）非连续接收模式（Discontinuous Reception，DRX）。
DRX是指终端仅在必要的时间段打开接收机进入激活态，用以接收下行数据；而在剩余时间段关闭接收机进入休眠态，停止接收下行数据的一种节省终端电力消耗的工作模式。
（2）扩展非连续接收模式（extended Discontinuous Reception，eDRX）。
为了节省终端功耗，同时满足一定下行业务时延的要求，3GPP引入扩展DRX的概念，即在每个eDRX周期内，有一个寻呼时间窗口（Paging Time Window，PTW），终端只在PTW内按DRX周期监听寻呼信道，以便接收下行业务：PTW外的时间处于睡眠态，不监听寻呼信道，不能接收下行业务。eDRX周期长度、PTW窗口长度可配置，终端和运营商之间进行协商，以运营商下发给用户终端的值为准。
（3）节能模式PSM。
PSM的技术原理非常简单，在PSM状态下，终端射频关闭，相当于关机状态，终端非业务期间深度休眠，不接收下行数据；只有终端主动发送上行数据时可接收物联网平台缓存的下行数据。终端何时进入PSM状态，以及在PSM状态驻留的时长由核心网和终端协商。进入PSM模式，虽然终端不再进行接收寻呼消息，看起来设备和网络失联，但设备仍然注册在网络中，这样当终端从休眠唤醒后就不需重新注册网络就可以进行数据收发。PSM唤醒可通过外部唤醒或者周期自身唤醒，外部唤醒常用的是RTC中断唤醒，周期唤醒的周期是核心网运营商配置给NB-IoT物联卡，周期性地唤醒。
国内的NB-IoT主要运行在B5和B8频段，如表3.1所示。
表3.1 国内的NB-IoT频段
（1）华为作为国内最大的NB-IoT芯片原厂，推出了Boudica 120／Hi2110物联网芯片，搭载Huawei LiteOS嵌入式物联网操作系统。
（2）美国高通公司推出了型号为MDM9206的物联网芯片，支持全球所有Cat-M1和Cat-NB1标准的频段，具备GSM／NB-IoT／eMTC多模支持，还支持GPS、格纳洛斯、北斗、伽利略全球导航卫星定位。
（3）中兴微电子研发了“朱雀”（又名RoseFinch 7100）NB-IoT物联网芯片，专为低功耗物联网设计，在睡眠功耗、截止电压和外围接口数量等和物联网应用关联的核心指标上都在业界处于领先水平。
（4）英特尔推出的XMM 7X15系列物联网芯片。
（1）AT＋NBAND？：查看当前频段信息，确定是否和模块型号对应。
（2）AT＋NBAND＝5：电信模块，设置频段为 850MHZ。
（3）AT＋NRB：重启模块。
（4）AT＋NBAND？：再次查询模块频段信息，确认设置成功。
（5）AT＋NCONFIG？：查询配置信息，主要包括自动连接使能配置信息，默认使能。
（6）AT＋CFUN？：模块是否处于全工作模式，打开射频电路，搜索信号，如果返回 0，请确定AUTOCONNECT值是否为TRUE，以及是否安装NB-IoT专用SIM卡。
（7）AT＋CIMI：查询IMSI信息，如果返回具体数值，说明已经正常识别SIM卡。
（8）AT＋CSQ：查询信号强度，返回的第一个数值代表信号强度，0～31代表有信号，数值越大信号越强，99代表没有NB-IoT网络信号，第二个参数还没有实施，一直为 99。
（9）AT＋NUESTATS：查询模块状态。
（10）AT＋CGATT？：查询是否模块附着成功，返回 1代表成功。
（11）AT＋CEREG？：查询网络注册状态，第二个数值返回 1代表网络注册成功；返回2代表正在注册网络，注册时间和信号强度有关。
（12）AT＋CSCON？：查看模块工作的连接状态，第二个返回数值代表模块的工作状态，1代表Connected连接状态，0代表Idle睡眠状态，如果没有数据交互，在Connected状态持续 20秒，之后进入IDLE状态；如果仍然没有数据交互，10秒之后从Idle状态进入PSM深度睡眠状态，此时模块不再接收任何下行数据，如果需要下行传输数据必须在Connected和Idle状态下进行。
（13）AT＋NSOCR＝DGRAM，17，5683，1创建用户数据报协议（UDP）Socket传输信道，DGRAM和 17固定，5683代表本地端口号，1代表使能接收下行数据；最多可创建 7个Socket传输信道，返回数值代表信号ID号，在发送和接收数据时需要指定。
（14）AT＋NSOST＝0，…，＃＃＃＃，3，303132发送UDP数据，0代表UDP Socket信道ID，…代表远程服务器的IP地址（公网IP地址），＃＃＃＃代表远程服务器端口号，3代表发送的字符个数，303132代表“012”3个hex表示的字符；返回值代表成功从 0信道发送了 3个字节的数据。
（15）＋NSONMI：0，67信息代表模块接收到新的数据，需要读取，如果不及时读取，接收到下一条数据，将不会主动上报该信息；但可以连续读取；0代表UDP Sokect信道，67代表有 67个字节数据需要读取。
（16）AT＋NSORF＝0，3读取数据；0代表UDP Socket信道，3代表需要读取的数据字节长度；需要从返回值中提取出有效数据 303132，代表字符“012”。
（17）AT＋NSOCL＝0关闭UDP Socket传输信道。
（1）NB-IoT和 5G的功能不一样。
5G技术支持语音通话、短信、网络数据传输，网络下载、上传的速度更快。NB-IoT只有网络数据传输功能，而且数据传输的速率低。
（2）成本不一样。
5G模块目前的价格在 500元左右，但NB-IoT模块目前的价格已小于 20元。
（3）应用场景不一样。
NB-IoT最大的优势之一是待机功耗低，可以满足电池供电的终端探测器（配件）产品，例如：智能路灯、智能门锁、水电表等，是一个最重要的物联网通信技术。5G主要使用在个人手机端业务，包括个人手机，平板，智能手表等。除了以上应用之外，还适用于大数据传输的（语音、图片、视频）的电子产品，例如摄像头、网关、工业控制器等。其实NB-IoT和 5G更多是一种互补的作用，NB-IoT主要使用在成本低，要求低功耗，传输的数据量小；5G主要使用在传输的内容比较大，对功耗和成本没有要求的应用中。
根据市场研究机构Counterpoint IoT的最新研究数据显示，全球物联网蜂窝连接数将在2025年突破 50亿大关，其中 5G的LTE（授权频道）、LTE-U（非授权频道）和NB-IoT（授权频道）三兄弟中的NB-IoT的贡献比将接近一半。比如雄安新区NB-IoT试点项目就包括智能道路停车、智能井盖、智慧路灯三个子系统，由车辆检测单元（IDU）、智慧井盖监测终端、单灯控制器、基站和管理平台组成，施工方便。其他应用场景如下：
（1）公共事业：智能水表、智能水务、智能气表、智能热量表。
（2）智慧城市：智能停车、智能路灯、智能垃圾桶、智能窨井盖。
（3）消费电子：独立可穿戴设备、智能自行车、慢病管理系统、老人管理系统。
（4）设备管理：设备状态监控、白色家电管理、大型公共基础设施管理／监控、管道管廊安全监控。
（5）智能建筑：环境报警系统、中央空调监管、电梯物联网、人防空间覆盖。
（6）指挥物流：冷链物流、集装箱跟踪、固定资产跟踪、金融资产跟踪。
（7）农业与环境：农业物联网、畜牧业养殖、空气实时监控、水质实时监控。
（8）其他应用：移动支付、智慧社区、智能家居、文物保护。
下面以凌阳科技NB-IoT开发套件为例，进行相关知识的介绍，如图3.2所示。此套件集成STM32F151单片机方便用户进行二次开发，在结构上采用底板加NB-IoT模组核心板和传感器安装，方便用户灵活地更换控制平台，NB-IoT模组也可以反复被利用。
图3.2 NB-IoT开发套件
图3.3 电信物联网专用卡
图3.2中，传感器模块是使用专门设计的一款可插拔传感器的PCB板，此套件配备的是集成了SHT10的温湿度传感器，另外还支持多种类型的通用的传感器模块。NB模组核心板支持“电信”推出的BC95模块，本模组采用电信版BC95-B5模块，BC95是一款高性能、低功耗的NB-IoT无线通信模块。同时此套件配备有中国电信物联网专用卡，如图3.3所示。
针对以上硬件设备，需要安装嵌入式IAR 8.11 for ARM开发环境。而针对云平台，可以使用NB-IoT数据采集套件配套的CoAP服务器，用于测试数据的上传和接收。该服务器可以方便地用手机或电脑账户远程访问，通过注册自己的账户来添加自己的设备，通过会话窗口查看终端上传的数据以及下发的数据。在测试CoAP协议发送数据之前，首先要在测试服务器上注册用户，将模组设备添加到用户的设备列表中，否则无法成功获取到数据。
OneNET是由中国移动打造的平台即服务（PaaS）物联网开放平台。平台能够帮助开发者轻松实现设备接入与设备连接，快速完成产品开发部署，为智能硬件、智能家居产品提供完善的物联网解决方案。
（1）专网专号：中国移动基于物联网特点打造的专业化网络通道，提供“云—管—端”一体化的智能管道和支撑系统，支持工业级、汽车级的专网卡和通信模组。
（2）海量连接：基于多类型标准协议和API开发，满足海量设备的高并发快速接入。
（3）在线监控：实现终端设备的监控管理、在线调试、实时控制功能。
（4）数据存储：基于分布式云存储、消息对象结构、丰富的数据调用接口实现数据高并发读、写库操作，有效保障数据的安全。
（5）消息分发：将采集的各类数据通过消息转发、短信彩信推送、App信息推送方式，快速告知业务平台、用户手机、App客户端，建立双向通信的有效通道。
（6）输出能力：汇聚中国移动短信彩信、位置服务、视频服务、公有云等核心能力，提供标准API接口，缩短终端与应用的开发周期。
（7）事件告警：打造事件触发引擎，用户可以基于引擎快速实现应用逻辑编排。
（8）数据分析：基于Hadoop架构等提供统一的数据管理与分析能力。
OneNET物联网专网已经应用于环境监控、远程抄表、智慧农业、智能家电、智能硬件、节能减排、车联网、工业控制、物流跟踪等多种领域。
物联网开放平台OneNET通过打造接入平台、能力平台、大数据平台，能满足物联网领域设备连接、协议适配、数据存储、数据安全、大数据分析等平台级服务需求。
因此，本节使用京胜世纪的物联网虚拟仿真实验平台来虚拟NB-IoT套件，基于物联网开放平台OneNET，利用手机App与OneNET云平台的ModBus协议进行通信，获取当前传感器的数据。