NB-IoT技术在智慧社区中的应用

赵光辉，曲慧娟

（中国建筑上海设计研究院有限公司）

1 研究背景

近几年，社区不仅需要满足基本的居住需求，也需提供安全保障、社区养老服务、物业管理服务等智慧化生活环境。智慧社区不仅为独立社区，还需为街道级管理提供一体化的整体解决方案。

新型智慧社区建设面临一些问题：①空洞的智慧化，未考虑精细管理的智慧化；②项目开发量较大，很多成熟社区改造重新布线困难；③缺乏稳定的新技术支撑，数据采集量大；④街道对于社区进行管理，需光纤组网，成本高、周期长。

2 研究意义

针对目前社区的痛点、难点问题，需要充分利用物联网、大数据、云计算等现代信息化手段，把社区内重要设备状态数据及时收集、分析、管理、运行，尝试解决社区管理中常规的技防及人防所不能及的实际问题[1]。提高社区管理的精细度，破解社区治理的困难度，构建完善的社会治安防控体系，通过社区平台对安全、养老、服务等方面进行集成化管理，形成基于信息化、智能化社会管理与服务的新的管理形态社区，不断提升社区居民幸福感，打造创建“净畅宁和美”的宜居社区。为居民营造一个科技、智能、安全、舒适的智慧社区。提高社区——街道——区——城市级别的综合管理水平，提高政务管理能力和服务水平，为城市居民提供精细化管理服务。

3 智慧社区典型应用及解决方案

3.1 智慧社区典型应用

基于社区安全防护、社区居家养老、物业管理服务等神经元部署，全方位感知物联、车流、人流，整合每个社区的“人、地、事、物、组织”等全要素，在社区服务中心管理平台上展示辖区内各社区的人口信息、房屋信息、网格信息、设施设备、环境卫生、治安状况、突发事件、报警信息及消防应急预案等信息[2]。

3.1.1 智能安全防护

1）云监控

监控前端设备统一管理、统一上云，可在手机、PAD等移动端，通过社区公众号或APP查看所具备权限的视频。

①对接公安综治平台。

②AⅠ识别分析，如，车辆违停，人员聚众闹事等。

③防高空抛物，对楼层高、中、低层进行视频全覆盖。

④陌生人轨迹追踪，在社区外部出入口、单元出入口设置人脸抓拍摄像机，通过后端人脸抓拍分析设备进行AⅠ分析，识别社区未登记人员的行动轨迹，发现异常及时通知物业管理人员[2]。

⑤电动车进入电梯行为报警，在电梯轿厢内安装智能分析摄像机，通过AⅠ识别电动车，一旦发现，可联动本地声光报警器，同时通知物业管理人员。

2）云停车管理

进出社区出入口及机动车库出入口管理、收缴费、对账结算、发票处理及云锁车增值运营服务，并上传街道中心管理平台。

①云门禁、云对讲：通过社区APP或公众号，实现云对讲，可远程呼叫小区业主；社区入口人脸识别闸机、单元门口人脸识别机可实现无卡通行，同时进行人员全抓拍。

②智能梯控：对电梯停层进行控制管理，业主通过电梯专用卡、人脸或蓝牙等方式认证进行乘梯，仅可进入被授权楼层，防止外来人员随意乘梯，提升社区的安全等级。

③智能井盖：主要对社区直径800mm以上的窨井盖进行监控。主要监控井盖是否丢失、开启等。同步发送井盖状态值至管理中心，主动推送至相关部门进行及时维护[3]。

④电气火灾监控：主要对社区电气线路和用电设备状态进行监控，避免安全隐患，并即时向管理人员发送预警信息。

⑤可燃气体探测：主要设置于厨房或燃气管道旁，需要根据燃气种类的密度，调整探头安装位置。

3.1.2 社区居家养老

主要对老年人的生活状态及身体健康参数进行监测。

①用水数据计量：根据用水量，监测老人是否有正常的生活活动。

②入侵及紧急求助装置：安装在社区内高龄老人的房间，以便发生突发情况时能够及时报警。

③电气火灾监控：避免安全隐患，并即时向子女及管理人员发送预警信息。

④可燃气体探测：避免安全隐患，并即时向子女及管理人员发送预警信息。

⑤火灾探测：避免安全隐患，并即时向子女及管理人员发送预警信息。

⑥健康参数监控：对社区居家养老的老人进行生命参数监控，老人需佩戴随身监测模块，包含但不限于血糖、血氧、血压、睡眠情况、摔倒报警、心率等[4]。

3.1.3 物业管理服务

①供配电：变压器运行状态、全电量参数、环境参数。

②给排水：生活水池水位、生活水泵压力状态、渗水检测。

③消防监测：主要包含消防水池水量、消防管道压力、消防末端管道压力、室外主要消防通道占道探测。

④电梯监测：对电梯实时状态进行监控，电梯发生故障时故障及时报警，保障业主人身安全；历史数据分析，预诊断电梯保养时间和故障，电梯全天24小时运行状态的监控，对实时数据记录进行分析，若发生安全隐患或有可能发生安全隐患，提前预警或及时报警，以便提前排查故障或实施快速救助[5]；

⑤智能门锁：无需与家中Wi-Fi连接，无需联网设置，不用考虑门锁掉线等问题，即使停电、停网也能上报安全风险。

⑥智能垃圾桶：对社区内的垃圾桶进行满溢报警等，并及时通知管理人员或环卫人员。

⑦智能充电桩：对社区内机动车及非机动车的充电桩进行管理，无需通讯线缆布线，即可完成数据上传等工作。

⑧智能路灯及公区照明。

3.2 各类无线组网的分析对比

基于以上应用需求，新建社区可选择的组网方式多种多样，但在城市更新过程中，诸多老旧小区的智慧化升级会给智慧社区建设带来极大挑战，选用合适的无线组网方式显然比繁杂的重新布线更加灵活、方便，也可尽量避免对现有居民造成困扰。

①NB-ⅠoT窄带物联网（Narrow BandⅠnternet of Things，NB-ⅠoT）：支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被称为低功耗广域网(LPWAN)。NB-ⅠoT支持待机时间长、对网络需求较高等设备的高效接入，可带来非常全面的室内蜂窝数据接入覆盖[6]。

②Wi-Fi：多用于智能家居系统。

③蓝牙技术（bluetooth）：在智慧社区应用中多用于门禁、梯控等系统。

④ZigBee：在智慧社区应用中多用于智能家居系统。

⑤LoRa：也是较为适合智慧社区使用的协议，但需使用方自行组网。当单个社区使用且社区规模较大时，前期投入预算较充足，且管理人员维护能力较强，可以采用LoRa。笔者认为，相对于NB-ⅠoT，LoRa更适用于智慧办公园区。

由上表可以看出，NB-ⅠoT能够很好地解决新型智慧社区建设面临的一系列问题，也能够满足智慧社区的应用需求。

NB-ⅠoT网络架构特点有几方面。

①海量连接：每社区可达约20万设备接入。

②超低功耗：电池寿命长达10a。

③低功耗特性：前端探测器不方便经常更换电池，需功率尽量小，通过电池供电可几年无需充电或更换电池。通信设备消耗的电量通常与数据量/速率相关，即单位时间内发出数据包的大小决定了功耗的大小。数据量小，设备的调制解调器和功放就可以调到较小水平[8]。NB-ⅠoT模块及传感器的功耗可以做到极小，通常可保障5-10年无需更换电池。

④深度覆盖：考虑到街道级多社区的管控，对于距离的要求更高，而且还有地下机动车库、地下室机房等信号难以到达的地方，故深度覆盖也是大部分通信架构无法企及的。

⑤安全性：继承4G/5G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[9]。

⑥稳定可靠：能提供电信级的可靠性接入[9]，可有效支撑物联网应用和街道级智慧社区解决方案。

表1 各类无线组网协议对比表

3.3 智慧社区组成架构

NB-ⅠoT整体网络架构主要分为4部分：终端（传感器及模块）、无线网侧（传输层）、物联网云平台及应用服务器（见图1）。

图1 基于NB-IoT技术的智慧社区组成架构

1）终端：主要是通过空口连接到基站[9]

①终端侧——主要包含行业终端与NB-ⅠoT模块。

②行业终端——主要包含芯片、模组、传感器接口、终端等[9]。在智慧社区中，主要包含摄像机、门禁、闸机、报警探测器各类探测器及井盖、垃圾桶、烟感、空气探测等传感器

③NB-ⅠoT模块——主要包含无线传输接口、传感器接口等。

2）无线网侧：包括两种组网方式

一种是整体式无线接入网，包括4G/5G以及NB-ⅠoT无线网[10]；另一种是NB-ⅠoT新建组网。主要承担终端的空口接入处理等相关功能[10]，并通过接口与物联网云平台进行连接。

3）物联网云平台

包括HLR（Home Location Register，归属位置寄存 器）；PCRF（Policy Control and Charging Rules Function，策略控制和计费规则功能单元)；M2M（Machine to Machine，物联网）平台。

4）应用服务器：分为两个级别进行管理

一级是街道级服务器，设置于社区服务中心，对街道内多社区进行集中监管；二级是独立社区服务器，设置于安保中心，对本社区数据进行集中监管。

4 结语

到2020年底，NB-ⅠoT网络实现县级以上城市主城区普遍覆盖，重点区域深度覆盖；移动物联网连接数达到12亿；推动NB-ⅠoT模组价格与2G模组趋同，引导新增物联网终端向NB-ⅠoT和Cat1迁移；打造一批NB-ⅠoT应用标杆工程和NB-ⅠoT百万级连接规模应用场景[11]。

NB-ⅠoT标准已取得了诸多全球顶尖主流运营商的响应，各运营商均已围绕NB-ⅠoT发布了各具特色的发展方略，并已展开了尝试和实验。随着国家政策的支持、运营商的关注及投入、越来越多下游厂商加入研发，生态体系将不断完善[12]。

NB-ⅠoT技术可广泛应用于智慧交通、智慧医疗、智慧产业园、智慧物流、智慧购物、智慧市政、智慧农业、智慧工业、智慧能耗等方面，NB-ⅠoT对各行业的渗透将不断深化，给社会带来更深远的影响。