使用全球蜂窝无线电模块将物联网设备快速安全地连接到云端

海阔天空的专栏 2024-01-01 913

描述

作者：Jens Wallmann
如需将便携式或远程网络终端设备连接到物联网 (IoT)，或使用机对机通信 (M2M) 远程控制机器，通过云端进行数据交换的移动无线电连接是一个不错的选择。然而，这一方案却给开发人员带来了一些难题，例如要确定哪些无线网络可以支持全球所需的数据吞吐率，以及无线调制解调器必须能够处理哪些协议。此外，还必须考虑系统可扩展性、数据安全性、成本、上市时间以及用户的购置和运营成本。

本文简要介绍了 LTE Cat 1 可为物联网和 M2M 应用开发人员提供哪些功能。随后介绍了 [u-blox]的 [LARA-R6] 系列无线电模块，这些模块具有通用连接性和可靠的性能。最后，本文还展示了开发人员如何使用评估板 (EVB) 通过 AT 命令轻松配置和控制模块，以及如何通过库函数生成 AT 命令字符串。

LTE Cat 1 与 LTE Cat 1bis、LTE Cat M 和 LTE Cat NB 的比较

虽然 LTE 蜂窝无线电现已实现千兆位传输速率，但是像 LTE Cat 1、LTE Cat 1bis、LTE Cat M 和 LTE Cat NB 这样的低功耗、广域 (LPWA) 协议经过设计，在能耗、网络资源和成本方面都特别高效。这对于物联网设备至关重要。

LTE Cat 1 可在全双工模式下提供高达 20 MHz 的信道带宽，下载数据速率可达 10 Mbps，上传数据速率可达 5 Mbps。使用两根天线支持接收 (Rx) 分集，性能更佳（表 1）。而 LTE Cat 1bis 仅使用一根天线。

| | | LTE CAT1/CAT 1BIS | LTE CAT M1 | LTE CAT NB1 |
| ---------------------------- | -------------------------------- | ---------------- | --------------------------------------- |
| 3GPP 版本 | 版本 8 | 版本 13 | 版本 13 |
| 下行链路峰值速率 | 10 Mpbs | 1 Mbps | 26 kbps |
| 上行链路峰值速率 | 5 Mbps | 1 Mbps | 66 kbps（多音调）
16.9 kbps（单音调） |
| 延时 | 50 ms 到 100 ms | 10 ms 到 15 ms | 1.6 s 到 10 s |
| 天线数量 | 2 (LTE Cat 1)
1 (LTE Cat 1bis) | 1 | 1 |
| 双工模式 | 全双工 | 全双工或半双工 | 半双工 |
| 设备接收带宽 | 1.4 MHz 到 20 MHz | 1.4 | 180 kHz |

表 1：LPWA 协议的性能比较。LTE CAT 1 使用两根天线支持接收分集；而 LTE Cat 1bis 仅使用一根天线。（图片来源：维基百科，Jens Wallmann）

LTE Cat 1 移动无线电的全球可用性

u-blox 的 LARA-R6 系列由坚固耐用的蜂窝无线电模块组成，专为无线电接入技术 (RAT) LTE Cat 1 频分双工 (FDD) 和时分双工 (TDD) 标准而设计。该系列支持 3G UMTS/HSPA 和 2G GSM/GPRS/EGPRS，作为后备解决方案。这些模块是实现全球/多地区覆盖的出色解决方案，采用 26 x 24 mm 的小型 LGA 封装。

LARA-R6 模块配备多功能接口、各种不同的特性以及多频段和多模功能，适用于需要中速数据传输、无缝连接、出色的覆盖能力和低延时的应用。这些应用包括资产跟踪、远程信息处理、远程监控、警报中心、视频监视、互联健康和收银机终端。

所有模块均支持接收分集，可在覆盖条件差或需要基于 LTE 的语音传输 (VoLTE) 时提供可靠的性能。程序员可以利用嵌入式物联网协议（LwM2M、MQTT）和安全特性（TLS/DTLS、安全更新/安全启动）来实施各种功能，包括设备管理、远程设备控制以及安全的空中固件下载 (FOTA) 更新。

LARA-R6 系列支持符合 3GPP 版本 10 标准的 LTE Cat 1，并通过三个地区版本实现全球覆盖：

[LARA-R6001-00B]（数据和语音）和 [LARA-R6001D-00B]（仅数据）模块支持 18 个 LTE FDD/TDD 频带以及 3G/2G 回退功能，可实现全球连接。
[LARA-R6401-00B]（数据和语音）和 [LARA-R6401D-00B]（仅数据）模块为北美地区提供理想的 LTE Cat 1 解决方案，支持 AT&T、FirstNet、Verizon 和 T-Mobile 的 LTE 频带。
[LARA-R6801-00B]（数据和语音）和 [LARA-R6801D-01B]（仅数据）模块专为以下地区的部署而设计：欧洲和中东 (EMEA)、亚太地区 (APAC)、日本 (JP) 和拉丁美洲 (LATAM)（图 1）。

无线电模块 图 1：LARA-R6 模块有三个地区版本，可覆盖全球。（图片来源：DigiKey，由作者修改）

LARA-R6 特殊功能一览

LARA-R6 模块集成了带有外部接口的蜂窝基带处理器、带有放大器和滤波器的射频收发器、存储器和电源管理单元（图 2）。

[ 无线电模块 ])图 2：LARA-R6 模块的内部结构。（图片来源：u-blox）

射频收发器的工作频带为 700 MHz、800 MHz、850 MHz、900 MHz、1.7 GHz、1.8 GHz、1.9 GHz、2.1 GHz 和 2.6 GHz。蜂窝基带处理器的所有数据传输协议均可使用外部 UART 和 USB 接口通过 AT 命令进行控制和配置。

协议

双堆栈 IPv4 和 IPv6
嵌入式 TCP/IP、UDP/IP、FTP 和 HTTP
嵌入式 MQTT 和 MQTT-SN
嵌入式 LwM2M
eSIM 和独立承载协议 (BIP)

LARA-R6 模块需要 3.1 到 4.5 V 的供电电压，待机电流消耗约为 1.1 mA。在 2G 运行中，单个 TDMA 时隙的峰值传输功率可超过 33 dBm（> 2.0 瓦，分贝数基准为 1 mW），而所有其他 RAT 的峰值传输功率均超过 24 dBm（> 0.25 瓦）。

小于 -100 dBm 的出色天线灵敏度，对应于小于 0.1 pW 的信号功率，可在移动网络边缘实现稳定的无线电连接。

评估和编程

开始 LARA-R6 模块评估和编程的最快方法是使用 R6 EVB (EVK-R6) 和相应地区的插入式 LARA-R6 适配器板 (ADP-R6)。例如，适用于全球应用的 [EVK-R6001-00B] 包括插入式适配器板 [ADP-R6001-00B]（语音 + 数据）和 GNSS 适配器板（图 3）。

[ 无线电模块 ]图 3：安装了 LARA-R6 适配器板（下方）和 GNSS 板（左上）的 LARA-R6 EVB (EVK-R6)。（图片来源：u-blox）

适用于北美地区的 [EVK-R6401-00B]版本包括 [ADP-R6401-00B]适配器，而适用于 EMEA/APAC/JP/LATAM 地区的 [EVK-R6801-00B] 则包括 [ADP-R6801-00B] 适配器。前文提到的适用于语音和数据传输的三个适配器板也可单独提供，还有仅适用于数据传输的版本，包括 [ADP-R6401D-00B]（北美）和 [ADP-R6001D-00B]（全球）。

R6 适配器板通过两根天线和两个 MiniUSB 连接器扩展 LARA-R6 模块。R6 EVB 则增加了一个 GNSS 模块、一个 SIM 卡插槽、额外的插入式连接器、跳线、开关和模块外设的电源（图 4）。

[ 无线电模块 ]图 4：插入了 GNSS 和 LARA-R6 适配器的 R6 EVB 功能框图。（图片来源：u-blox）

每个套件包含一个 u-blox 的 EVB（安装了 LTE Cat 1 LARA-R6 适配器板和 GNSS 模块）、一根 USB 电缆、两根 LTE 移动无线电天线、一根 GPS/GLONASS 天线和一个电源单元。

调试 EVK

u-blox 推出的 EVK-R6 套件易于使用、功能强大，可简化多模 LTE Cat 1/3G/2G 蜂窝模块的评估工作。安装了 LARA-R6 [USB 驱动程序]的 Windows PC 可通过 USB 连接器控制 LARA-R6 调制解调器，并通过系统设置简化连接设置。首先，开发人员需要：

插入 SIM 卡并连接蜂窝天线和 GNSS 天线。
仔细配置 EVK 的跳线和开关。
施加供电电压并打开 EVB 上的主开关 SW400。
1. 如需通过“主 UART”接口作为低数据速率调制解调器运行，可将 PC 连接到 EVK 上的 MiniUSB 插孔 J501 或 RS232 插孔 J500。
2. 如需通过“两个 UART”作为低数据速率调制解调器运行，可将 PC 连接到 ADP 上的蜂窝 USB 插孔 J201 接口。
3. 如需通过“本机蜂窝 USB”作为高数据速率调制解调器运行，可将 PC 连接到 ADP 上的 MiniUSB 插孔 J105。
按下 EVB 上的蜂窝模块开机按钮 SW302。
运行终端应用软件（例如 m-center），进入 COM 端口设置菜单，选择与 4a、4b 或 4c 相对应的 AT 端口，然后设置以下值：数据速率：115,200 bps；数据位：8；奇偶校验：N；停止位：1。

如需了解更多详情，请参阅 [EVK-R6_UserGuide_UBX-21035387]。m-center 工具可帮助评估、配置和测试 u-blox 蜂窝产品，其中包括一个 AT 命令终端。

使用 Windows PC 进行简单的互联网连接

将 Windows PC 连接到 EVK 后，用户即可通过两种方式建立无线互联网连接：

1：低速分组数据连接： 该方式通过 LARA-R6 模块的 UART 接口，使用 Windows PC 的 TCP/IP 协议栈。按照方法 4a 连接 PC 和 EVK。开发人员必须使用 Windows 控制面板选择“电话和调制解调器”>“调制解调器”>“添加”。下一步是勾选“不要检测我的调制解调器”复选框，选择“标准 33.6 kbps 调制解调器”，并分配一个 COM 端口。如有必要，开发人员可以添加“属性”>“高级”>“额外的初始化命令”。

2：高速分组数据连接： 该方式通过 LARA-R6 模块的本机蜂窝 USB 接口，使用 Windows PC 的 TCP/IP 协议栈访问互联网。按照方法 4c 连接 PC 和 EVK。开发人员必须通过 Windows 控制面板选择“网络和共享中心”>“设置新的连接或网络”，然后点击“连接到 Internet”。下一步是选择“拨号”和其中一个 AT USB 端口。最后一步是输入拨号参数（拨号号码、提供商名称、用户 ID 和密码）。

向移动运营商注册 SIM 卡

SIM 卡和 MNO 参数配置完成后，蜂窝模块会在开机后自动在蜂窝网络上进行注册。如果出现问题，可使用表 2 所示的 AT 命令手动检查注册情况。

| | 由 DTE（用户）发送的命令 | DCE 响应（模块） | 说明 |
| -------------------------- | ------------------------- | -------------------------------------------------------------- |
| AT+CREG? | +CREG: 0,1 OK | 验证网络注册情况。 |
| AT+COPS=0 | OK | 仅当自动注册失败时才会在网络上注册模块（AT+CREG?返回 0.0）。 |
| AT+COPS? | +COPS: 0,0,"I TIM",7 OK | 读取运营商名称和无线电接入技术 (RAT)。 |

表 2：AT 注册命令。（表格来源：u-blox，由作者修改）

通过 AT 命令与远程 HTTP 服务器通信

GitHub 存储库“[Firechip_u-blox_LARA-R6_Arduino_Library]”包含一个广泛的 LARA-R6 模块 AT 命令库，使用 C++ 编写，适用于 [Arduino] 控制器。16 个应用示例（包括 ping 测试、注册、分组交换、SMS、GNSS 和物联网云）可为自定义代码结构提供建议。

AT 命令还可以在主动连接期间向远程 HTTP 服务器发送请求，接收服务器响应，并将该响应透明地存储在本地文件系统中。受支持的方法有 HEAD、GET、DELETE、PUT、POST file 和 POST data。

Lara_R6_Example9 使用 HTTP POST 或 GET 向远程 HTTP 服务器 [ThingSpeak.com]发送随机温度。ThingSpeak 是 MathWorks 提供的物联网分析平台服务，可帮助在云端聚合、可视化和分析实时数据流。表 3 显示了 HTTP 命令“POST data”的语法。

| | 类型 | 语法 | 响应 | 示例 |
| ------ | -------------------------------------------------------------------------------------------------------- | ------ | ----------------------------------------------------------------- |
| 设置 | AT+UHTTPC=,5,
,,,

[,] | OK | AT+UHTTPC=0,5,"/path/file.html", "responseFilename","data",0 OK |

表 3：“POST data”是 HTTP 命令 5，格式如上所示。（表格来源：u-blox，由作者修改）

该示例可在 Arduino 主机控制器上编程，通过 AT 命令控制 EVK 板上的 LARA-R6 模块。此外，还需要配置 SIM 卡。

程序员必须创建 ThingSpeak 用户帐户，并通过菜单项“Channels（通道）”>“My Channels（我的通道）”>“New Channel（新通道）”为随机温度测量值设置字段 1。在变量 myWriteAPIKey 中，相应的“写入 API 密钥”被输入到主程序“LARA-R6_Example9_ThingSpeak.ino”。

C++ 主程序生成了一个随机温度值，形成特定于云端的数据字符串，并每隔 20 秒调用一次库函数 sendHTTPPOSTdata（清单 1）。

复制
...
1  String myWriteAPIKey = "PFIOEXW1VF21T7O6"; // Change this to your API key
2  String serverName = "api.thingspeak.com"; // Domain Name for HTTP POST/GET
3  [...]




4  void loop()
5  {
6    // Create a random temperature between 20 and 30  
7    float temperature = ((float)random(2000,3000)) / 100.0; 
8
9
10   // Send data using HTTP POST
11   String httpRequestData = "api_key=" + myWriteAPIKey + "&field1=" + 

                                String(temperature);
12
13   Serial.print(F("POSTing a temperature of "));
14   Serial.print(String(temperature));
15   Serial.println(F(" to ThingSpeak"));
16        
17   // Send HTTP POST request to /update. The reponse will be written to 

        post_response.txt in the LARA's file system
18   myLARA.sendHTTPPOSTdata(0, "/update", "post_response.txt", httpRequestData,

                             LARA_R6_HTTP_CONTENT_APPLICATION_X_WWW);
19
20
21   // Send data using HTTP GET 
22      == > see original code on Github
23
24   for (int i = 0; i < 20000; i++) // Wait for 20 seconds    
25   {
26     myLARA.poll(); // Keep processing data from the LARA so we can catch 

                            the HTTP command result
27     delay(1);
28   }
29  }
...

清单 1：该主程序生成了一个随机温度值，并每隔 20 秒调用一次库函数 sendHTTPPOSTdata。（代码来源：Github 上的 Firechip）

生成调用库函数的 AT 命令字符串

库头“Firechip_u-blox_LARA-R6_Arduino_Library.h”将函数调用 sendHTTPPOSTdata 转发到库过程“Firechip_u-blox_LARA-R6_Arduino_Library.cpp”，在该过程中生成和发送了完整格式的 AT 命令字符串（清单 2）。

复制
...
1  LARA_R6_error_t LARA_R6::sendHTTPPOSTdata(int profile, String path, 

                              String responseFilename, String data,  

                              LARA_R6_http_content_types_t httpContentType)
2  {
3    LARA_R6_error_t err;
4    char *command;
5
6    if (profile >= LARA_R6_NUM_HTTP_PROFILES)
7     return LARA_R6_ERROR_ERROR;
8
9    command = lara_r6_calloc_char(strlen(LARA_R6_HTTP_COMMAND) + 24 +

                                  path.length() + responseFilename.length()

                                  + data.length());
10   if (command == nullptr)
11     return LARA_R6_ERROR_OUT_OF_MEMORY;
12   sprintf(command, "%s=%d,%d,\"%s\",\"%s\",\"%s\",%d",

             LARA_R6_HTTP_COMMAND, profile, LARA_R6_HTTP_COMMAND_POST_DATA,

             path.c_str(), responseFilename.c_str(), data.c_str(),

             httpContentType);
13
14   err = sendCommandWithResponse(command, LARA_R6_RESPONSE_OK_OR_ERROR,

                                 nullptr, LARA_R6_STANDARD_RESPONSE_TIMEOUT);
15
16   free(command);
17   return err;
18 }
...

清单 2：该 C++ 库过程生成并发送了完整格式的 AT 命令字符串（第 12 行）。（代码来源：Github 上的 Firechip）

库过程 LARA_R6::sendHTTPPOSTdata（清单 2）使用函数调用 myLARA.sendHTTPPOSTdata()（清单 1）中传递的参数和库头中额外声明的变量，根据表 3 生成了完整的 HTTP 命令字符串。最后，LARA-R6 调制解调器将生成的 AT 命令字符串发送到 ThingSpeak RemoteHTTP 服务器：

AT+UHTTPC=0,5,"/update","post_response.txt","api_key=PFIOEXW1VF21T7O6&field1=21.54",0

总结

对于低功耗物联网和 M2M 应用的全球联网，LARA-R6 系列的 LTE Cat 1 多模无线电模块既高效又经济。如图所示，开发人员可以使用 EVK 访问所有接口，并通过 AT 命令轻松配置和控制模块的协议和功能。该产品提供简单的选项，可用作 PC 调制解调器、向云端发送数据以及通过库函数生成 AT 命令字符串。

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