基于NB-IoT的無連接傳輸系統設計

2020-11-24 06:49:10穆慧珍尚弘

機械工程師 2020年11期

穆慧珍，尚弘

（無錫太湖學院江蘇省物聯網應用技術重點建設實驗室，江蘇無錫214064）

0 引言

隨著物聯網技術的不斷發展，物聯網應用不斷深化，萬物互聯的需求越來越迫切，但目前所采用的大多是針對特定行業或非標準化的解決方案，存在可靠性低、安全性差、維護成本高等缺點[1]。而窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things,NB-IoT）是一種新興的物聯網通信技術，它基于蜂窩網絡，屬于低功耗廣域網技術之一，具備小功耗、低成本、海量連接、深度覆蓋等特性。同時，NB-IoT 續航時間長，適合對網絡連接要求較高設備的高效連接[2]。因此，基于NB-IoT 技術的物聯網系統設計也應運而生。

本文構建了一個基于NB-IoT 的無連接數據傳輸系統，采用UDP 協議將終端設備的數據信息，通過NB-IoT技術傳輸到阿里云平臺，并利用阿里云平臺來展示接收到的上行數據和發送下行數據，從而實現數據低功耗的無連接傳輸功能。

1 系統總體設計

根據物聯網的分層技術，該無連接數據傳輸系統[3]由終端硬件設備、NB-IoT 網絡、阿里云服務平臺3 部分組成，其總體設計方案如圖1 所示。

圖1 總體設計方案

其中終端硬件設備由主控芯片STM32 控制整個系統的運行，并對上行數據進行預處理后交給BC28 模塊，該NB-IoT 無線通信模塊將STM32 發送過來的數據通過NB-IoT 網絡上傳到阿里云服務器，同時阿里云服務器下發的數據也通過NB-IoT 網絡傳送給BC28 模塊，從而實現對終端硬件設備的控制。

2 系統硬件設計

終端硬件設備作為物聯網應用系統的終端，負責數據的采集、處理和傳輸，是整個系統的核心。根據模塊化[4]的設計思想，將終端硬件設備分為主控制模塊、NB-IoT模塊、電源模塊及其他外圍電路等。其系統硬件設計結構圖如圖2 所示。

圖2 系統硬件結構圖

2.1 主控制模塊

綜合考慮功耗、芯片成本、可靠性、發射頻率、工作溫度范圍等指標，主控制模塊采用STM32L151C8T6 作為主控芯片，該芯片使用的是ARM Cortex-M3 32 位RISC 內核，是ST 公司出品的高性能低功耗系列MCU 之一，具有極低的功耗和高可靠性，具有工業級的溫度范圍，并使用最優化的低功耗架構和低漏電生產工藝。其工作原理如圖3 所示。

圖3 STM32L151C8T6 原理圖

2.2 NB-IoT 模塊

NB-IoT 無線通信模塊包括BC28 模組、內置SIM 卡座、串口電路、濾波天線、復位電路，由外接電源供電。BC28 是一款超緊湊、高性能、低功耗的多頻段NB-IoT 無線通信模組，支持UDP/TCP/COAP，而且其尺寸很小，僅為17.7 mm×15.8 mm×2.0 mm。BC28 在設計上兼容移遠通信GSM/GPRS 系列的M26 模塊，方便客戶快速、靈活地進行產品設計和升級。該模組設計解決了超低功耗問題，同時具有高靈敏度等優勢，可工作在無需充電的設備應用場景下[4]。BC28 實物如圖4 所示。

圖4 BC28 實物圖

2.3 電源模塊電路

電源系統設計的合理性一定程度決定了終端設計是否成功，穩定的電壓有利于硬件電路各模塊穩定工作，減少硬件損壞、延長設備壽命，因此硬件系統的穩定一直以來是設計電源模塊的重點要素[6]。為此，該系統終端模塊由外部電路提供穩定的3.3 V 電壓。其電源模塊電路如圖5 所示。

3 終端軟件設計

該終端軟件采用基于Keil uVision4 集成開發環境的設計，實現了將終端上行數據通過NB-IoT 網絡發送到阿里云及將阿里云下行數據發送到終端設備。另外，阿里云平臺采用第三方軟件實現上行數據的顯示和下行數據的發送。

3.1 主應用程序設計

主應用程序控制終端硬件設備的運行過程，使各模塊協調工作，其程序設計流程如圖6 所示。終端硬件設備上電后，首先對系統進行初始化，完成中斷優先級及定時器的設置，然后對BC28模塊進行初始化檢查，檢查是否連接成功，初始化完成之后即可激活場景，并為連接服務器做準備，然后創建UDP 連接，此時就可以循環實現上行數據的發送和下行數據的接收任務。

圖5 NB-IoT 模塊供電電路圖

3.2 BC28模塊初始化設計及場景激活

在軟件設計中，主控制模塊通過AT 命令對BC28 模塊進行配置和控制。

圖6 主應用程序流程圖

首先通過發送“AT”命令連接BC28 模塊，當返回“OK”的情況下，表明BC28 模塊工作正常，并成功連接。主控制模塊發送“AT+NBAND”和“AT+CIMI”來查詢當前BC28所支持的頻段信息和SIM 卡的IMSI 編號。一般來說，只要安裝了SIM 卡，都能夠成功獲取該信息。然后，通過發送指令“AT+CGATT=1”來附著GPRS 網絡，網絡附著成功后，通過發送指令“AT+CSQ?”查詢當前信號強度，在信號強度滿足要求的情況下，發送指令“AT+CEREG”進行網絡注冊。當網絡注冊成功后，發送指令“AT+CGDCONT=1,