NB-IoT物联网技术解析+案例详解

在Turnkey方案出现以前，芯片厂商按照产品规划完成产品研发后，会向ODM厂商、设计公司（Design House）推广参考设计。设计公司拿到芯片厂商的参考设计后进行产品评估、规划、设计，完成原型软硬件开发、产品级软硬件开发和调试，然后向终端厂商推广其整套方案，如图16.11所示。

图16.11 经典终端产业运作流程示意图

Turnkey方案里芯片厂商将设计公司的工作一并完成，直接向终端厂商提供完成贴片的PC-BA、物料清单以及相关软件。终端厂商只需按照物料清单采购（如屏幕、电池等）器件，再加上产品外壳即可得到产品成品，如图16.12所示。

图16.12 Turnkey方案运作流程示意图

在Turnkey方案下，设计公司可以通过软硬件新功能研发参与到产业链中，但整体看来，其角色有明显的削弱。

与手机产品相比，追踪器、智能穿戴与人的直接交互相对较少，一般需要终端厂商提供相应的控制端应用程序，部署相应的应用服务器。因此，面向消费者领域的Turnkey方案也需要升级到Turnkey+，提供更加全面、更加完善的一揽子解决方案。

1.从Turnkey到Turnkey+

Turnkey+提供从终端PCBA、应用服务器到控制端软件等三方面的全方位解决方案，如图16.13所示。

（1）终端设计

追踪器整体应该尽量小巧，选用合适的外壳材料保证产品牢固、轻巧。外形美观，厚度尽量小（建议＜10mm）；可以带有开孔，方便用户外接挂绳；颜色以鲜艳、显眼为主，以方便用户寻找。要求成品具有较高的整体性，不易拆解；具备充电接口和开关，建议进行一定的防水、防尘设计，开关要进行防误关机设计；建议具备LED指示灯，用来指示充电和运行状态；对于具备SOS呼救功能的产品，建议单独设置颜色明显、尺寸较大、易于触及的SOS呼救按钮。几种追踪器外观如图16.14所示。

图16.13 Turnkey+方案

图16.14 几种追踪器外观示例

此外，追踪器还要求具备充电、开关机、LED状态指示、定位、位置上报、远程蜂鸣、软件升级等功能，可以考虑支持计步、蓝牙防丢等扩展功能。追踪器应至少支持GNSS和基站（如基于小区ID的定位等）等两种定位方式。可选支持Wi-Fi、蓝牙、地磁、惯性等辅助定位方法。

智能手表和智能手环外观由表盘和表带两部分构成，整体外形设计应美观大方。为了满足不同人群的需求，其大小的设计应有所差别。表带应使用安全无毒材质。对于面向儿童的智能穿戴设备，应额外注重表带材质对儿童健康的影响，其表带应遵循国家对儿童用品材质的标准，并通过食品级材质测试和皮肤过敏性测试等安全测试；对于面向运动的智能穿戴设备，表带应为防水材质。智能手表设备表盘形状可采用方形或者圆形，上面集成按键、LED指示灯。对于经济型的智能手表，其显示设计可为非触摸屏设计或石英指针设计；对于高端型的智能手表，其显示设计建议为触摸屏设计。几种常见智能手表设备外观见图16.15。

图16.15 几种智能手表设备外观示例

（2）服务器方案

应用服务器（或云平台）负责用户账号管理、终端设备关联、信息的存储转发等。

•账号管理：用户通过控制端应用可以建立账号，用户登录账号后方可关联或者绑定追踪器。用户的账号信息由应用服务器存储、管理。应用服务器需要保证用户账号信息不会被非法获取。

•信息的存储、转发：追踪器将位置信息上报给应用服务器，应用服务器将存储该信息，查询与该追踪器绑定的账号信息，然后将数据转发给对应的控制端应用。建议在控制端应用上提供选项，允许用户设置位置信息在应用服务器存储时间的长短。应用服务器需要保证用户位置不会被非法获取，建议对信息进行加密，不同追踪器不宜共用同一个密钥。

•终端工作参数配置：应用服务器应将来自控制端应用的配置参数传递给终端，参数送达后需要给控制端应用以反馈。

•设备管理：应用服务器应该具备一定的设备管理能力，可以监测设备状态，探测到异常情况时给用户以提示。比如，某个处于开机状态的追踪器在既定时间内没有上报位置信息。

（3）控制端应用

对于追踪器，用户与设备的交互几乎完全依赖控制端应用，所以追踪器产品必须要有相应的控制端应用，可以是PC软件、Web应用、手机APP等。控制端应用必须支持尽量多的平台，建议优先提供Android和iOS平台的移动端APP，推荐提供基于Web的应用，也可提供Windows桌面应用程序。控制端应用可以与追踪器建立关联、配对关系，显示轨迹、发起实时定位、设置电子围栏，当终端移动出电子围栏后提醒用户，当终端电量低时提醒用户，当终端上的SOS功能被触发时应给用户以明显的提醒。

结合NB-IoT的技术特点，追踪器至少应具有以下可配置参数：

1）位置上报频率。

2）低电量设置。

3）eDRX、PSM相关参数。

控制端应用可以对追踪器的上述参数进行配置。参数配置界面要尽量考虑人性化，避免技术化，建议控制端应用可以对追踪器进行远程关机。当追踪器处于低电量状态时，可以考虑降低上报频率，以满足续航要求。

对于智能手表和智能手环，控制端应用功能主要包括设备配对、工作参数配置、定位和轨迹显示等。

（4）低功耗设计(https://www.xing528.com)

在进行低功耗系统设计时，需要从以下三个方面考虑：

1）动态功耗：采用较高的工艺制程可以降低芯片工作时的电流，这部分电流在动态功耗中占主导地位。在特定工艺下，降低时钟频率也可以降低动态电流，但降低频率不一定能降低功耗。这是因为程序的执行速度也是影响功耗的一个因素，频率降低，程序执行时间长，整体功耗有可能增加。在某些情况下，应采用更高的处理速率，将任务尽快完成从而使系统能尽快进行低功耗的睡眠状态。所以，对于处理器工作频率的选择是低功耗设计中很重要的一环。

2）静态功耗：静态功耗主要来自模拟电路的偏置电流、低功耗晶振，以及漏电流。在设计采用电池供电的低功耗系统时，静态功耗也是需要着重考虑的因素。

3）电池漏电功耗：电池漏电功耗取决于电池的自放电率。对于使用一次性电池的低功耗设备，选择电池时必须考虑电池的漏电功耗。

除了以上三种类型的功耗，还有另外一些需要考虑的因素。

在进行硬件设计时，还要处理芯片自身的漏电，以及外围电路（如按钮、LED、上/下拉电阻等）可能存在漏电。在软件层面上，当任务完成后，应该尽快使处理器进入空闲态，关闭不必要的电路模块，尽量避免使用轮询机制而应该采用中断机制，以达到省电效果。

对RAM容量、存取性能要求不高的系统，选用伪静态随机存取存储器（Pseudo SRAM）比DRAM更佳。PSRAM的驱动电流跟SRAM相近或更低，而数据保持电流大大低于DRAM。

不同的芯片制造工艺对功耗有直接影响。以台积电公司（TSMC）为例，TSMC为IoT和可穿戴产品提供多种工艺及相应的研发工具，可显著降低功耗，加速产品面市时间。与原有方案相比，TSMC的超低功耗制程可以将工作电压降低20%～30%。

对于射频前端，使用集成化的射频前端模块与分立的射频前端组件相比，集成度高，体积更小，而且不需要再进行RF的调谐和匹配，使用方便。芯片参考架构如图16.16所示。

2.方案及产品简介

作为Turnkey方案的开拓者之一，联发科技已针对NB-IoT推出两套芯片解决方案即MT2625和MT2621，见表16.2。

图16.16 NB-IoT单模或双模芯片参考架构图

表16.2 MTK芯片方案

（1）MT2625

MT2625是一款支持NB-IoT R14的系统单芯片（SoC），以超高集成度为物联网设备提供兼具低功耗及成本效益的解决方案，适用于家庭、城市、工业等场景。MT2625高度集成NB-IoT调制解调数字信号处理器、射频天线及前端模拟基带，还集成了ARM Cortex-M微控制器（MCU）、伪静态随机存取存储器（PSRAM）、闪存与电源管理单元（PMU）。此外，MT2625还整合一系列丰富的外围输入输出接口，包括安全数字输入输出模块（SDIO）、通用异步收发传输器（UART）、I² C传输协议、I² S、序列外围接口（SPI）及脉冲宽度调制（PWM）。

MT2625功能强大、封装尺寸小、引脚数目较少，可以满足对成本敏感及体积有严苛要求的物联网设备的需求，有助于厂商简化产品设计流程。

MT2625基于实时操作系统（RTOS），很容易针对各种不同的应用进行客制化，如家庭自动化、Cloud Beacon、智能抄表及诸多其他静态或移动型物联网应用。

MT2625的宽频前端模组涵盖3GPP R14规范超低频、低频、中频等全部频段，可以满足全球化市场需求。硬件参考设计如图16.17所示。

面向消费者领域，结合MT5932 Wi-Fi模块、MT3333 GPS模块及蓝牙等可以快速构建各种具备卫星定位能力的追踪器、智能穿戴等产品。

图16.17 MT2625硬件参考设计图

（2）MT2621

MT2621支持NB-IoT的R14与GSM/GPRS制式，可延伸覆盖范围，确保业务从GSM/GPRS网络向NB-IoT网络平滑过渡，同时还支持语音通话功能，适用于智能追踪、智能穿戴、智能抄表与工业应用等领域。对于生命周期较长，且需要长年运行的设备来说，MT2621是理想的选择，可满足未来移动网络设施从GSM到NB-IoT的演进需求。

MT2621具备高度整合的连接平台，支持单卡双待，同一号码可以同时在NB-IoT和GSM/GPRS两种网络上使用，节省PCB空间、简化设计、降低成本，有助于设计厂商加速终端上市。

此外，MT2621也可以支持所有3GPP R14内的超低频、低频、中频等各频段，单一设计可应用至全球市场，减少成本与研发时间。

相比MT2625，MT2621可以支持液晶显示器、相机与音频放大器等多媒体设备，通过内置的蓝牙4.2还可连接本地无线网络的外围设备。硬件参考设计如图16.18所示。

面向消费电子产品领域，结合MT5932 Wi-Fi模块、MT3333 GPS模块等可以快速构建具备卫星定位能力、通话能力在内的各种智能穿戴产品。

3.产业进展

目前播思、五洲无线、欧孚、经纬智能、三星、科尚、沐迪等多个厂商已经推出追踪器、手表、手环、学生卡等多种产品，如图16.19所示。

图16.18 MT2621硬件参考设计图