无线传感器网络技术与应用（第2版） 课件 项目八 NB-IOT无线通信技术应用设计

项目八

NB-IOT无线通信技术应用设计项目概述本单元主要面向的工作领域是无线传感网络应用开发中的低功耗、窄带组网通信领域中的NB-IOT通信技术，以“智能照明”为应用案例介绍NB-IOT数据通信的过程。“智能照明”应用案例中使用NB86-G模组将采集到的光照数据传输至物联网云平台。本单元中包含3个任务，分别为完善“智能照明”程中的AT指令代码、下载“智慧照明”程序到NB-IOT模块中和NB-IOT接入平台。读者通过实施本单元的项目案例——“智慧照明”，掌握NB-IOT技术的使用方法。【知识目标】了解NB-IOT通信技术；掌握了解NB-IOT模块组网通信AT指令；掌握NB-IOT数据传输方法；掌握FlashProgrammer代码下载工具的使用；掌握在物联网云平台上创建NB-IOT项目并进行数据显示的方法。【技能目标】1. 能编程实现NB-IOT网络的数据传输；2. 能在物联网云平台上并创建NB-IOT项目。【任务分解】任务8.1：认识NB-IOT技术任务8.2：基于NB-IOT智能照明系统指令的编写与下载任务8.3：基于NB-IOT智能照明云平台的接入任务8.1认识NB-IOT技术8.1.1NB-IOT技术概念NB-IoT窄带物联网，是一种全新的蜂窝物联网技术。NB-IoT是3GPP组织定义的可在全球范围内广泛部署的低功耗广域网。NB-IoT具有低功耗、优化的网络架构等独特优势。短距离无线通信技术代表技术有ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth、Z-wave等，目前非常成熟并有各自应用的领域。长距离无线通信技术例如电信CDMA、移动、联通的3G/4G无线蜂窝通信和低功耗广域网即LPWAN。物联网通信技术有很多种，从传输距离上区分，可分为两类：LPWAN与NB-IoT——物联网技术分类图8-1LPWAN和传统无线传输技术的比较LPWAN（LowPowerWideAreaNetwork）是低功耗广域网的简称，用于物联网低速率远距离的通信。LPWAN与NB-IoT——LPWAN概述覆盖范围广终端节点功耗低网络结构简单运营维护成本低LPWAN与NB-IoT——LPWAN技术特点智能秒表智能停车

共享单车LPWAN与NB-IoT——LPWAN应用场景工作在非授权频段的技术如LoRa（美国Semtech研发）、Sigfox（法国Sigfox研发）等

，这类技术大多是非标、自定义实现。工作在授权频段的技术

如NB-IoT、eMTC、成熟的2G/3G/4G蜂窝通信技术，以及LTE

技术。LPWAN与NB-IoT——LPWAN技术分类NB-IoT是2015年9月3GPP提出的一种新的工作在授权频段的LPWAN技术。LPWAN与NB-IoT——NB-IoT仅消耗约180kHz的带宽。直接部署于GSM、UMTS及LTE网络。降低部署成本、降低传输速率。实现覆盖增强、低功耗和低成本。eMTC是2016年3月3GPP接纳的工作在授权频段的LPWAN技术，支持TDD半双工和FDD半双工模式。四大差异化能力速率高移动性可定位支持语音LPWAN与NB-IoT——eMTC语音、移动性、速率等有较高要求成本、覆盖等有更高要求eMTC技术NB-IoT具体应用LPWAN与NB-IoT——

具体应用表7-1NB-IoT、eMTC与LoRa技术参数对比技术标准组织频段频宽传输距离速率连接数量终端电池组网NB-IoT3GPP1GHZ以下授权运营商频段200khz市区:1~8KM,郊区：25KM上行：14.7~48kbps下行：~150kbps5万10年LTE软件升级eMTC3GPP运营商频段1.4MHz<20KM<1Mbps10万10年LTE软件升级LoRaLoRa联盟1GHZ以下非授权ISM频段125k/500khz市区:2~5KM郊区:15KM0.018~37.5kbps2k~50k10年新建网络LPWAN与NB-IoT——

技术参数表7-2NB-IoT的14个频段频段号BAND上行频率范围（MHZ）下行频率范围（MHZ）Band011920-19802110-2170Band021850-19101930-1990Band031710-17851805-1880Band05824-849869-894Band08880-915925-960Band12699-716729-746Band13777-787746-756Band17704-716734-746Band18815-830860-875Band19830-845875-890Band20832-862791-821Band26814-849859-894Band28703-748758-803Band661710-17802110-2200LPWAN与NB-IoT——NB-IoT的频段8.1.2NB-IOT标准发展历程NB-IOT技术标准最早于2013年由我国华为和英国电信运营商沃达丰主导提出，作为一种新式通信标准，该通讯技术被称之为“NB-M2M（LTEforMachinetoMachine）”8.1.3NB-IOT技术特点NB-IoT特点广覆盖低功耗低成本大连接任务8.2基于NB-IOT智能照明系统指令的编写与下载8.2.1利尔达NB86-G模块特性与引脚描述

利尔达NB-IoT模组介绍

利尔达NB86系列模块是基于HISILICONHi2110的Boudica芯片开发的，该模块为全球领先的NB-IoT无线通信模块，具有体积小、功耗低、传输距离远、抗干扰能力强等特点。拟量。NB86-XX系列模组NB86-G系列模块主要特性：模块封装：LCCandStampholepackage超小模块尺寸：20mm×16mm×2.2mm（L×W×H），重量1.3g超低功耗：≤3uA工作电压：VBAT3.1V～4.2V（Tye:3.6V）;VDD_IO（Tye:3.0V）发射功率：23dBm±2dB（Max），最大链路预算较GPRS或LTE下提升20dB,最大耦合损耗MCL为164dBm提供2路UART接口、1路SIM/USIM卡通信接口、1个复位引脚、1路ADC接口、1个天线接口（特性阻抗50Ω）支持3GPPRel.13/14NB-IoT无线电通信接口和协议内嵌Ipv4、UDP、CoAP、LwM2M等网络协议栈所有器件符合EURoHS标准NB86-G模块引脚描述NB86-G模块引脚图NB-IoT模块共有42个SMT焊盘引脚，引脚图如右图所示。电源与复位引脚图串口（UART）接口引脚信号接口引脚图网络状态引脚图接口引脚图8.2.2利尔达NB86-G工作模式与相关技术模块工作时默认工作模式（1）连接态（Connected）此状态下可以发送和接收数据，模块注册入网后即处于该状态。无数据交互超过一段时间，不活动定时器计数时间到后会进入Idle模式，时间是由核心网确定的，范围为1-3600s。（2）空闲态（Idle）此状态下可接收下行数据，无数据交互超过一段时间会进入PSM模式。时间由核心网配置，由激活定时器（Activetimer）T3324来控制，范围为0-11160s。（3）节能模式（PSM）此状态下终端处于休眠模式，近乎关机状态，功耗非常低。在PSM期间，终端不再监听寻呼，但终端还是注册在网络中，但信令不可达，无法收到下行数据，功率很小。该状态持续的时间由核心网配置，TAU（扩展）定时器T3412来控制，范围最大320h，默认为54m。NB86-G工作模式相关技术PSM技术数据态（RRC释放）->空闲态（DRX，T3324超时）->PSM模式NB-IoT的PSM模式PSM模式（T3412超时/数据要上报）->空闲模式->数据态NB-IoT工作状态转换eDRX技术eDRX是对原DRX技术的增强：支持更长周期的寻呼，从而达到省电目的。在eDRX模式下，终端本身就处于空闲模式，可以更快速的进入接收模式，无需额外信令。

基于终端的业务类型能力，mme决定DRX及eDRX周期NB-IoT关键技术eDRX

8.2.3利尔达NB86-G常用AT指令AT命令作用备注AT+CMEE=1报错查询标准AT指令AT+CFUN=0关机，设置IMEI和平台IP端口前要先关机标准AT指令AT+CGSN=1查询IMEI，IMEI即为设备标识，应用注册设备时nodeId/verifyCode都需要设置成IMEI标准AT指令AT+NCDP=15,5683设置对接的IoT平台IP端口，5683为非加密端口，5684为DTLS加密端口在flash中保存IP和端口；在向平台进行设备注册时，使用此参数。AT+CFUN=1开机标准AT指令AT+NBAND=5设置频段在flash中保存频段；在设备入网时，使用此参数。AT+CGDCONT=1,"IP","CTNB"设置核心网APN，APN与设备的休眠、保活等模式有关，需要与运营商确认。标准AT指令AT+CSCON=1基站连接通知标准AT指令AT+CGATT=1自动搜网标准AT指令AT+CEREG=2核心网连接通知

AT+CGPADDR查询终端IP标准AT指令AT+NMGS=2,0001发送上行数据，第1个参数为字节数，第2个参数为上报的16进制码流初次发送数据时，完成设备注册；后续发送数据时，仅发送数据。AT+NNMI=1开启下行数据通知标准AT指令AT+NUESTATS查询UE状态标准AT指令AT+CCLK？查询网络时间标准AT指令利尔达NB-IoTAT指令注：目前中国电信的NB-IoT云平台只支持CoAP协议接入，所以，这里列出的相关AT指令只与CoAP协议相关。中国电信NB-IoTUE终端对接流程执行功能：执行“AT+CFUN=0”关闭功能开关；执行“AT+NCDP=15,5683”设置需要对接IoT平台的地址，端口为5683；执行“AT+CFUN=1”开启功能开关；执行“AT+NBAND=5”设置频段；执行“AT+CGDCONT=1,“IP”,“APN””设置核心网APN；执行功能：执行“AT+CGATT=1”进行入网；执行“AT+CSCON=1”设置基站连接通知；执行“AT+CEREG=2”设置核心网连接通知；执行“AT+NNMI=1”开启下行数据通知；执行“AT+CGPADDR”查询终端获取到核心网分配的地址；执行“AT+NMGS=数据长度，数据”发送上行数据。8.2.4任务实施步骤任务实施打开工程检查工程是否可用21完善连接NB-IoT网络的AT指令代码31.打开工程打开资源包:..\NB-IoT智能路灯工程\NBIOT-lamp\MDK-ARM\NBIOT-lamp.uvprojx。2.检查工程是否可用对工程进行编译:编译通过，则表示工程可用编译失败，参照“开发环境搭建”先完成开发环境搭建及测试。编译工程3.完善连接NB-IoT网络的AT指令代码

本项目用到的NB-IoT模块的NB模组是利尔达的NB05-01。其中NB-IoT模块使用到了两个串口：USART1，USART2NB05-01USART2MCUUSART1串口助手注：USART1的波特率是115200USART2的波特率是96004.完善连接NB-IoT网络的AT指令代码——main函数智能路灯工程目录main函数主要包括：初始化程序NB启动程序NB模组程序连接服务器程序上报数据到云平台程序云平台数据回应程序主程序主程序main.c(1/3)主程序主程序main.c(2/3)主程序主程序main.c(3/3)NB启动程序等待NB启动程序wait_nbiot_start()配置NB程序nbiot_config()配置NB程序等待NB启动程序wait_nbiot_start()NB启动程序连接服务器程序link_server()连接服务器程序上报数据到云平台程序send_data_to_cloud()设备定时上报平台的数据格式

字段名长度（byte）取值范围说明帧格式identifier1固定0x4a设备标识，可以用模块地址msgType1固定值0固定值0表示上报数据hasMore10、1表示设备是否还有后续消息，0表示没有，1表示有data详见如下服务表详见如下服务表详见如下服务表注：上报到云平台的数据要遵循上报数据的格式，上报数据的格式在IoT平台上做好的规定上报数据到云平台程序send_data_to_cloud()设备定时上报平台的数据格式服务字段名长度（byte）取值范围说明TemperatureserviceId1固定0x00

Temperature2温度

IlluminationserviceId1固定0x01

Illumination2光照度

LightserviceId1固定0x02

state11亮，0灭

FanserviceId1固定0x03

state11亮，0灭

HumidityserviceId1固定0x06

humidity1湿度

ReportTimeserviceId1固定0x04

eventTime7yyyyMMddHHmmss时间信息可选，如果没有上传时间信息，则用IOT平台的时间信息DeviceInfserviceId1固定0x05电量batteryLevel（0~100%）、

信号强度RSRP（-140~-44）NUESTATS命令返回的Signalpower/10、

信号覆盖等级ECL（0~2）、

信噪比SNR（-20~30）+NUESTATS命令返回的SNR字段/10batteryLevel10~100电量信息RSRP2short（-140~-44）信号强度RSRPECL1（0~2）信号覆盖等级SNR1（-20~30）信噪比注：光照数据按格式组装好后用AT指令“AT+NMGS”进行上报上报数据到云平台程序send_data_to_cloud()上报数据到云平台程序注：组装的字符串换行时不要输入tab或空格烧写“智能路灯”程序根据硬件接线图完成硬件搭建,并将任务1中的.hex文件烧写到NB-IoT模块中。

查看串口号3硬件环境搭建1NB-IoT模块烧写准备2烧写后启动NB-IoT模块5STMFlashLoaderDemo烧写器烧写4

NB-IoT模块正面

NB-IoT模块反面硬件环境搭建把NB-IoT模块的PA8线连接到继电器模块的J2口，继电器模块的J9(NO1)接到灯的正极“+”，继电器模块的J8(COM1)接到newlab平台的12V的正极“+”，灯的负极“-”接到newlab平台的12V的负极“-”。硬件连线图NB-IoT模块烧写准备把模块按左图方向放置于平台上；按①连接串口线；按②连接电源线；按③开关旋钮旋至通讯模式；按④把拨码开关1、2下拨，开关3、4上拨；按⑤把开关左拨至丝印M3芯片处；按⑥把开关右拨至丝印下载处。NB-IOT模块烧写准备

查看串口号+STMFlashLoaderDemo烧写器烧写+烧写后启动NB-IoT模块查看串口号在“设备管理器”中查看对应的串口号，详见下图。NB-IOT模块烧写准备

STMFlashLoaderDemo烧写器烧写

STMFlashLoaderDemo串口设置

第一步第二步STMFlashLoaderDemo串口设置

第一步第二步第三步确认NB-IOT模块烧写准备图中标注⑥开关拨到丝印下载处，且按过复位键，打开STMFlashLoaderDemo软件，在PortName下拉列表框中选择对应的串口，点击NEXT命令按钮。软件读到硬件设备后，点击NEXT命令按钮。选择MCU型号为STM32L1_Cat2-128k，点击NEXT命令按钮。选中Downloadde