NB-IoT和eMTC远程无线物联网通信开发应用_怯肇乾.pdf

年第期 和 远程无线物联网通信开发应用怯肇乾，徐鹏，孙建言（大连科技学院，大连 ）摘要：在 中，和 技术一推出便在远程无线物联网通信中获得了广泛应用，其应用设计的关键是选择好性价比高的 芯片或模块编程实现 等协议。开发产品时，含有 的终端设备接入软件系统，可以通过 等中间云服务平台，也可以基于 等协议直接进行灵活构造解析，完成采集数据的上报和控制数据的有序下发。区分不同应用场景采取不同的数据收发和低功耗策略，可以发挥 的优良性能。关键词：；中图分类号：文献标识码：，（，）：，：；引言在低功耗广域网（）中，窄带物联网 （）和增强机器类通信 （）这两种技术以功耗低、通信性能优、抗干扰能力强等优势获得了广泛应用。本文围绕 和 的嵌入式应用系统及其智慧物联网软件系统通信传输的开发设计相关知识展开综合阐述。和 物联网通信概述 和 依托现有蜂窝塔站通信网络，由支持 蜂窝通信技术的第代合作伙伴计划 拓展而成，蜂窝塔站通信网络通常指广泛应用的第代移动通信标准 的长期演进 ，故又称为 和 ，通 称 和 ，简称 和 。技术带宽为 ，通信速率在几十 ，最高可达 ，延迟时间为 ，为半双工通信，发射功率等级在 ，网络覆盖广、连接多、速率低、成本小、功耗低、抗干扰能力强，特别适合传输频繁、数据量小的传感器级物联网数据采集和远程控制，尤其适合电池供电的手持便携移动设备，在远程抄表、动态监测、智能停车、智慧农业等方面获得了广泛应用。或 技术带宽为 ，通信速率为几百 ，最高可达 ，延迟时间为 ，为全双工或者半双工通信，发射功率等级在 。一般都支持移动或全球导航卫星系统 定位，且具有 语音功能。网络覆盖广密、连接能力强、功耗低、成本低、系统复杂程度低，特别适合现场音视频监视和设备软件远程更新，是危险现场监视、动态运行监视和远程视频设备维护的理想选择。在 和 下，远程移动无线物联网通信技术包括 、和 三种。又称敬请登录网站在线投稿（）年第期 或 ，应用中有单模、双模和多模之分，单模指仅有其中一种技术，双模技术多指“与 ”或“与 ”，多模即含有全部种技术。和 物联网通信协议 基本规范表述性状态转换 是 服务的一种架构设计风格和思想，它使用 、等广泛流行的标准和协议，能够轻量级、跨平台、跨语言。它不是标准，只是提供了一组设计原则和约束条件。基于这个风格设计的软件更简洁，更有层次，更易于实现缓存等机制。符合 原则的架构方式即可称为 。架构的主要原则包括：网络上的所有事物都被抽象为资源，每个资源都有一个唯一的资源标识符，同一个资源具有多种表现形式（、等），对资源的各种操作不会改变资源标识符，所有的操作都是无状态的。协议图是 网络协议框架模型，传输层上的传输控制协议 和用户数据报文协议 是 （包括物联网）数据通信的基础。图 网络框架模型图 的层次位置和典型网络示意图 和 网络通信各有特色。协议面向连接，通信可靠，传输过程需要握手验证，数据传输时间长。不与对方建立连接，直接把数据包发送给对方，无需过程握手验证，传输效率高。物联网传感器级嵌入式数据采集与控制系统，实时性要求高时，通常需要的是传输层的 协议及其上应用层的受限制的应用协议 和轻量级机器到机器协议 应用，可靠性要求高时，通常需要传输层的 协议及其上应用层的 协议应用。网页、便携移动设备应用 和小程序的浏览分析与操控处理需要基于 的超文本传输协议 和安全超文本传输协议 。基于 的协议 协议 协议是在 上的代替 上的 ，它通过定义二进制各位段功能来描述包内容，协议包更小，更紧凑（最小协议包只有字节），很适合资源限制的嵌入式系统。协议借鉴了 协议机制并简化了协议包格式，简洁地实现了物联网设备之间的通信，它支持 规范，即支持 方式访问，像 请求一样，支持 、，还支持订阅发布。图是典型的 抽象层框图和订阅发布走向示意图，其 中 含 有 可 选 的 数 据 包 传 输 层 安 全 性 协 议 （）。具有以下特点：基于消息模型，个消息类型（），通过请求与响应机制来完成消息传输；与 双方都可独立向对方发送请求，双方都可当 或 角色；支持可靠传输，数据重传，块传输，确保数据可靠到达；支持 多播，即可同时向多个设备发送请求；非长连接通信，适于低功耗物联网场景。图 抽象层框图和订阅发布走向示意图 协议轻量级机器到机器 是开放移动联盟 定义的物联网协议，主要用在资源受限的嵌入式设备上，位于 协议层之上。图是 的层次位置和典型网络示意图。每个 对象对应客户端的某个特定功 能 实 体，协 议 定 义 逻 辑 操 作，如 、或 。服务器与客户端具有以下网络关系：一个客户端（终端设备）至少可以接 年第期 入一个服务商的服务器，也可以接入多个服务商的服务器，当有多个服务器需要进行选择操作时，依据 引导获取相关信息。而服务商可以与网络商属于同一家，也可以是不同商家。基于 的协议 协议即时通信协议 消息队列遥测传输 ，是物联网的重要组成部分，它支持所有平台，几乎可以把所有联网物和外部连接起来。主要提供了订阅和发布两种消息模式，更加简约、轻量，易于使用，特别适合于受限环境的消息分发。具有以下主要特性：使用发布 订阅消息模式，提供一对多的消息发布，解除应用程序耦合；是对负载内容屏蔽的消息传输；使用 提供网络连接；支持服务质量 ，包括种形式（至多一次、至少一次和只有一次）；小型传输，开销很小（固定长度的头部字节），协议交换最小化，以降低网络流量；使用 和 特性通知有关各方客户端异常中断的机制。协议超文本传输协议 是从 服务器传输超文本到本地浏览器的传送协议，采用请求响应模型，请求中包含请求方法、协议版本及相关的 样式的消息。服务器响应状态行包含消息的协议版本、成功失败码以及相关的 消息。传输数据需要建立多次短 期 链 接，实 现 了 可 持 续 的 链 接。使用 默认端口，是明文传输，连接简单，无状态。安全超 文 本 传 输 协 议 是 以 安 全 为 目 标 的 通道，即 的安全版。它在 下加入 层，是一个 ，用于安全的 数据传输。使用 位关键字作为 流加密算法。使用 默认端口，是具有安全性的 加密数据传输，应用时需要到电子商务认证授权机构 申请证书。比较 与 与 协议比较分析如表所列。表 与 协议比较分析表类别 通信机制同步异步连接方式 通信模式多（设备）对一（服务器），类似传统 架构多对多（服务器对服务器 设备对服务器 设备对 ）使用场景物联网更适合推送和即时通信功率消耗低高支持平台阿里云、百度、物联平台、移动 、服务华为、电信、移动反向控制不能可用 物联网通信平台 中国电信物联网平台中国电信物联网平台提供终端设备到平台的南向接入和用户应用的北向连接，主要支持 协议，需要注册终端设备即作 处理和编解码 操作。平台由连接管理、应用使能和垂直服务三大板块构成，全球化、安全可信的端到端服务贯穿始终，具备三大优势：全球连接、一点服务；开放创新、安全可信；数据感知、智能决策。中国移动 平台中国移动 平台为软件即服务 层和设备层搭建连接桥梁，为终端层提供设备接入，为 层提供应用开发能力，支持 、增强设备协议 、工业现场总线协议、车载设备快速接入协议、私有接入协议 等。华为 平台华为 平台主要是 连接管理，通过开放应用程序编程接口 和系列化 实现与上下游产品能力的无缝连接，为客户提供端到端的高价值行业应用，包括基于 与 的设备接入网关、设备管理、数据分析、网关、规则引擎、业务运营管理门户。的 应用，华为采用持续数据保护技术，终端设备侧或平台侧都既是服务器又是客户端，终端设备类似 客户端，平台类似 服务器，以此实现 透传，华为把这套 通信机制称为。有人物联网透传云平台华为与电信的 平台，缺少灵活性，试图采用一个接口、一个通道、一个平台一统江湖，捆绑用户，强势有余而开放不足。于是便有了有人物联网透传云平台。由于电信 网络限制，使用电信网络时无法使用 传输模式，只能使用 模式对接电信的 平台；对接电信 平台需要申请测试账号，编写编解码 插件和 文件，并在完成测试环境后才能对接正式产生账号，使用复杂。免费的有人透传云已完成对接电信 平台，只需操作更加简单的透传云，即刻就能实现与 模块的数据交互。相关数据透传简化过程如图所示。模块数据传输的种典型工作模式如图所示，种模式相关的操控对比如表所列。（）为命令提示符，为微控制单元。串口透传即数据透明传输，无需操作 指令，串口发什么，网络端就接收什么。串口 指令使用 标准指令集，模块通用兼容，通过打包 指令发送数据，轮询 指敬请登录网站在线投稿（）年第期 图有人透传云平台的数据透传简化过程示意图令查询 接 收 数 据。协 议 支 持 对 接 透 传 云、电 信 、移动 等各类云服务。协议仅支持移动卡使用。目前电信卡仅支持对接电信 ，电信平台不支持 。在 透传模式下支持注册包和心跳包功能。图 数据传输的典型工作模式示意图表 典型工作模式操控对比分析表工作模式串口透传串口指令 协议 协议命令 透传 透传 结语 和 技术已经在智能仪表、共享支付、环境监控、智慧农业、数字城市、物流定位跟踪、远程监测诊断等无线物联网通信中获得广泛应用。选择好性价比高的 芯片或模块，恰到好处地编程实现 等协议，简单通过 等中间云服务平台或直接进行 等协议的灵活构造解析即可完成 采 集 数 据 的 上 报 和 控 制 数 据 的 有 序 下 发，并 把 优良性能发挥到淋漓尽致。参考文献华强电子网 芯片国产化加速发展国产 芯片主流厂商及产品型号盘点 ：中软开发博客 协议全面分析 ：中软开发博客 详解 ：中 软 开 发 博 客 物 联 网 通 信 协 议 比 较 、：中软开发博客 、：有人物联网技术 系列使用说明 ，微波 网 基于 平台的 方 案 ：中软开发博客 华为 物联网（）平台环境搭建 ：汤春明无线物联网中 协议的研究与实现现代电子技术，（）：李琦基于 协议的数据采集网关设计现代电子技术，（）：高子航基于 和 的室内电子仪器温度监测系统设计与实现无线通信技术，（）：和 及 系列 模块的应用设计指导 ：博 客 家 庭 监 测 之 温 湿 度 及 上 传 ：中国电信 中国电信物联网开放平台接入指导手册（试行），中国移动 通信流程示例 ，上海芯迅 系列 应用文档 ，怯肇乾（高级工程师），主要研究方向为软硬件体系及其网络系统软件设计。通信作者：怯肇乾，。（责任编辑：薛士然收稿日期：）