智能家电NB-IoT业务模型优化设计及应用

［任勇强 武晓鸽］

1 引言

智能家电是指将微处理器、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控制指令的特点[1]。基于无线连接灵活性的考虑，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也存在接入成本高、信号覆盖弱、安全性低、功耗较高等无法忽视的痛点问题[1]。

2016 年，3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）标准组织发布首个NB-IoT 标准[2,6～9]，NB-IoT 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[3～5]。在智能家电领域，NB-IoT 具备接入成本低、信号覆盖强、高安全性、低功耗四方面的优势，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[10,11]。

基于NB-IoT 的优势，使用NB-IoT 技术替代传统的WiFi技术已成为家电企业通信解决方案选择的重要趋势，但由于WiFi 与NB-IoT 的网络接入情况存在一定的差异，直接套用WiFi 技术容易造成对NB-IoT 网络的冲击，如大量终端同时发出接入请求，同时进行业务交互等等，最终导致客户的业务体验较差[12]。

基于上述背景，本文设计基于NB-IoT 的智能家电业务模型，针对关键技术问题提出工程改进方案。实现NBIoT 网络与终端无缝配合，从而提高通信效率，节约客户成本。

2 智能家电业务流程及传统WiFi 模型问题分析

本文首先介绍传统智能家电业务流程，分析传统的基于WiFi 的智能家电业务模型特点，并对NB-IoT 技术直接套用WiFi 智能家电业务业务流程可能造成的问题进行详细分析。

2.1 智能家电业务流程

智能家电业务流程包含上电注册流程、心跳报文上报流程、周期型业务数据上报流程、触发型业务数据上报流程和遥控业务流程[1]。

2.1.1 上电注册流程

智能家电上电注册流程如图 1 所示，其中：

（1）家电终端初次安装或重新上电后，计算离散定时器时长，启动定时器。

（2）定时器超时后终端进行注册消息上报。

（3）网关透传注册消息到应用系统，应用系统回复注册确认报文。

（4）终端收到注册确认报文后完成注册流程。

上电注册流程业务特点为：事件触发型业务，可能出现同时大规模业务交互，需要离散处理。

2.1.2 心跳报文上报流程

智能家电心跳报文上报流程如图2 所示，其中：

图1 智能家电上电注册流程图

图2 智能家电心跳报文上报流程图

图3 智能家电周期型业务数据上报流程图

图4 智能家电触发型业务数据上报流程图

图5 智能家电遥控业务流程图

（1）家电终端完成注册后，根据心跳上报周期进行离散处理，启动对应的离散定时器。

（2）定时器超时后终端进行心跳消息上报。

（3）网关转发心跳消息到应用系统，应用系统回复心跳确认报文。

（4）终端收到心跳确认报文后完成心跳上报流程。

（5）终端启动下一轮心跳上报定时器。心跳报文上报流程业务特点为：周期性业务，可能出现同时大规模业务交互，需要进行上报时间离散处理。

2.1.3 周期型业务数据上报流程

智能家电周期型业务数据上报流程如图 3 所示，其中：

（1）家电终端完成注册后（注册时需要进行离散处理），在本地暂存需要上报的数据。

（2）多个本地存储的数据合并后统一由一个报文上报。

（3）网关转发业务数据消息到应用系统，应用系统回复确认报文。

（4）终端收到确认报文后完成业务数据上报流程。

周期型业务数据上报流程业务特点为：周期型业务，一般无实时性要求，可能出现同时大规模业务交互，需要进行离散。

2.1.4 触发型业务数据上报流程

智能家电触发型业务数据上报流程如图 4 所示，其中：

（1）触发数据上报的事件发生。

（2）终端上报业务数据报文。

（3）网关转发业务数据消息到应用系统，应用系统回复确认报文。

（4）终端收到确认报文后完成业务上报流程。

触发型业务数据上报流程业务特点为：触发型业务，有一定实时性要求，大规模业务并发可能性较小。

2.1.5 遥控业务流程

智能家电遥控业务流程如图 5 所示，其中：

（1）手机用户启动智能应用程序（Application，APP），下发控制指令。

（2）应用系统和网关将控制指令下发到终端（其中涉及网络寻呼等延时，可以参考提前寻呼处理降低用户时延体验）。

（3）终端收到控制指令后进行相应操作，并上报命令执行结果。

（4）网关将执行结果推送到应用系统，完成远程控制业务流程。

遥控业务流程业务特点为：操作类业务，有实时性要求，大规模业务并发可能性较小，需要控制报文大小。

2.2 传统基于WiFi 的家电业务模型特点及问题分析

基于以上业务流程，本文对传统基于WiFi 的家电业务模型特点进行分析，同时指出WiFi 接入方式下通用业务模型在NB-IoT 网络中可能遇到的问题。

具体来说，传统智能家电产品主要通过WiFi 接入网络，与智能家电应用进行数据交互。在这种情况下，智能家电终端接入不同家庭/学校的WiFi 网络，且一般采用TCP 协议进行通讯，通过固网回传的方式完成数据交互。WiFi 是局域网，网络接入设备数量较少，出现业务冲突的概率相对较低；而NB 是广域网/宏站，网络接入设备数量和业务类型和WiFi 完全不是一个等级，需要考虑自身业务和其他业务如何共处。由于两个网络接入情况差异，导致两者模型不可直接套用。否则可能会出现同一基站下的终端同时（例如市电恢复供电、定时上报数据等）进行业务超出网络容量，导致业务体验差等问题。

根据WiFi 接入方式下通用业务模型在NB-IoT 网络中可能遇到的问题如表 1 所示。

3 基于NB-IoT 的智能家电解决方案

本文针对上述问题，设计基于NB-IoT 的智能家电解决方案。具体来说，本节首先介绍解决方案整体架构，其次提出基于NB-IoT 业务模型的设计方案，最后对基于NB-IoT 的智能家电各业务流程进行设计。

3.1 基于NB-IoT 的智能家电解决方案整体架构

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，可满足未来的演进需求。如图6 所示，智能家电解决方案整体架构包括智能家电终端（如空调、洗衣机等）、网络、IoT 网关和智能家电应用4 个部分。通过物联网、云计算、大数据等技术将各个层面整合统一为有机的整体，支撑智能家电业务的构建和快速上线。

图6 智能家电解决方案整体架构

图7 智能家电遥控业务流程优化方案示意图

表1 WiFi 接入方式下通用业务模型在NB-IoT 网络中可能遇到的问题

3.2 基于NB-IoT 的业务模型设计方案

NB-IoT 本身具有带宽小，覆盖深等特点，与传统的WiFi 网络有较大的差异，因此，如表 2 和表 3 所示，基于NB-IoT 技术的智能家电业务流程设计基于NB-IoT 的特点，分别对时延敏感性业务、时延不敏感型业务进行优化，以提升整体的业务体验。

表2 基于NB-IoT 的时延敏感型业务模型优化设计

表3 基于NB-IoT 的时延不敏感型业务模型优化设计

3.3 基于NB-IoT 的智能家电业务流程优化方案

基于2.2 节分析的问题及3.1～3.2 节设计思路，本节提出基于NB-IoT 的智能家电各业务流程的优化方案。

3.3.1 上电注册流程

NB-IoT 信道带宽为200 kHz，若同一区域内大量终端同时上线/上报数据，则相互之间会产生碰撞，造成接入的时间较长，接入失败的可能性变大，功耗增加。因此，需要尽量避免大量终端同时接入/上报，采用错峰接入/上报的方式。

具体来说，本方案设计终端生成0～15 的随机数X 和0～29 的随机数Y，在上电后第X*30+Y 秒进行接入。

3.3.2 心跳上报流程

根据每天上报的次数确定。以终端每天上报1 次为例，可以设置终端在每天的0 点～24 点之间上报数据，每个终端上报的时间点T 在0 点到24 点之间随机离散，Th 可由公式（1）计算：

其中，Th 为从0 点开始的秒数，SN 为终端的序列号，SN mod 2 880 是SN 除以2 880 的余数（2 880=24 小时*3 600/30 s），X 是0～29 的随机数。

值得注意的是：对于需要每天上报两次的，则将24小时分为0～12，12～24 两个时间段，在每个时间段内进行离散处理。

对于有周期业务交互的终端，本方案设计以业务数据代替心跳用于判定终端是否在线。

3.3.3 周期型业务数据上报流程

本方案中，上报的数据只包含必须的信息，删减无效信息，适量增大业务上报周期，可对周期数进行合并后统一发送。以6 小时上报一次周期性数据为例，终端周期性数据上报的时间点Tc 遵循错峰离散原则，Tc 可由公式（2）计算：

其中，Tc 为从0 点开始的秒数，SN mod 720 是SN除以7 200 的余数（720=6 小时*3 600/30 s），X 是0～29的随机数。

值得注意的是，实际分布的时间段可根据业务需求确定。

3.3.4 触发型业务上报流程（例如告警）

告警上报需要避免重复告警持续上报，因此，本方案只上报告警的状态变化信息。

3.3.5 遥控业务流程

智能家电控制场景一般有低时延要求，本方案设计应用侧采用提前寻呼的方式，降低用户下发命令的整体时延，提升用户感受。并对报文进行数据压缩，报文不大于100字节。

值得注意的是，在本方案中，如图 7 所示，每次寻呼终端后，有效时间目前为20 秒钟。如果20 秒钟之内终端没有上行/下行数据，则再次下发命令仍然需要进行寻呼。

4 智能家电业务模型优化实例

基于上述设计方案，本文以基于NB-IoT 的智能空调、智能洗衣机、智能门锁、智能小家电为例，体现本方案有效性。

4.1 基于NB-IoT 的智能空调

智能空调依托NB-IoT 网络广覆盖、海量连接、成本低等优势，进行新一代智能空调器的研发、推广，以实现远程控制、定位、预测性维护等功能。智能空调在硬件上增加NB-IoT 通信模组，通过NB-IoT 网络和IoT 网关接入到后端智慧云平台，并通过智慧云平台实现对空调器的远程控制和状态采集。

该方案在2017 年上海家电博览会上进行演示，为消费者提供五大功能：开关机、切换空调模式、调整温度、调整转速、温度数据上报。

4.2 基于NB-IoT 的智能洗衣机

自助洗衣平台以微信公众号作为用户操作平台，实现远程机位查询、提前预约、在线支付、完工提醒等服务。NB-IoT 通信模块安装在商用智能洗衣机的控制板上，通过NB-IoT 网络可以实现智能洗衣机与自助洗衣平台间的双向数据交互，解决了高校洗衣房网络传输的难题，能够以最快最准确的方式为用户找到便捷的洗衣房。

4.3 基于NB-IoT 的智能门锁

门锁使用了NB-IoT 技术，具备“不需外接网关，永久连接，更长的待机时间，长达10 年的电池使用寿命”等优势，并与其他智能家居产品实现了互联互通、场景联动。用户通过指纹、密码、门卡、钥匙等方式开锁时，用户的手机App 可以收到开锁信息。

4.4 基于NB-IoT 的智能小家电

目前很多智能小家电也开始采用NB-IoT 技术构建自己的优势，如智能豆浆机通过NB-IoT 网络将使用信息上报到业务端，通知厂家更换豆浆包；智能咖啡机通过NBIoT 网络，自动告知店家原材料的使用情况，及时备货；智能空气净化器及时通知商家配件使用快到期，帮助顾客自动下单，方便快捷。NB-IoT 技术将会为越来越多的小家电插上“智能的翅膀”，助力家电企业越飞越高。

5 总结

本文对智能家电业务流程进行了分析，基于NB-IoT技术接入成本低、信号覆盖强、高安全性、低功耗的优势，针对传统基于WiFi 的家电业务模型在NB-IoT 网络中可能遇到的问题，设计了基于NB-IoT 的智能家电业务模型，对相应业务流程进行了优化设计。应用实例证明，基于NB-IoT 的智能家电业务模型方案可有效实现NB-IoT 网络与终端无缝配合，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。