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若干物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù) - NB-IOT、LoRa、433、GPRS、2.4G、PKE近場通信,基礎(chǔ)理論總結(jié)
2022-11-07 21:28:59 2459次瀏覽

一、無線通信開發(fā)緒論

1、所有的無線通訊:都是有線轉(zhuǎn)無線的形式;

2、市面上的許多無線技術(shù)的根本區(qū)別:

??1)工作頻率;

??2)通訊機制不同;

3、頻率越低,射頻穿透力就越強,傳播距離越長;

4、技術(shù)分類:

??1)帶協(xié)議棧(藍牙、Zigbee、Wifi) ;

??2)不帶協(xié)議棧:(紅外、RFID、PKE、NFC);

5、無線開發(fā)相對較難的原因:

??1)難以知道具體空中通訊發(fā)生了什么;

??2)頻率的捕捉需要專用的儀器;

??3)會隨著環(huán)境變化而變化;

6、開發(fā)重點就在于穩(wěn)定性

7、各類無線通信對比:


二、NB-IOT理論基礎(chǔ)與開發(fā)

1、NB-IOT專業(yè)名詞縮略語:

??1)IOT:internet of thing;

??2)NB-IOT:narrow band internet of thing;

??3)IMEI:international mobile equipment identity 國際移動設(shè)備識別碼;

??4)OneNET:中國移動PaaS物聯(lián)網(wǎng)開放平臺;

??5)CIoT:蜂窩物聯(lián)網(wǎng);

??6)M2M:Mobile-To-Mobile

??7)3GPP:以GSMMAP核心網(wǎng)為基礎(chǔ),以WCDMA為無線接口制定第三代移動通訊標準;

2、IOT開發(fā)涉及到許多協(xié)議棧;

3、各種云的接入方式大致相同的,不同的是接入方式和協(xié)議支持,只要理解整個流程即可;

4、Modbus(類似于TCP/IP協(xié)議): 是一個串行通信協(xié)議,一個工業(yè)通訊系統(tǒng);

5、心跳包:通常是客戶端每隔一小段時間向服務(wù)器發(fā)送的一個數(shù)據(jù)包,通知服務(wù)器自己仍在線,并傳輸一些可能有必要的數(shù)據(jù),以保持長連接;

6、NB-IOT與GPRS的區(qū)別:

??1)硬件上:1)接口相同; 2)工作頻率方面:同樣是850MHz/900MHz(但這些頻段資源珍貴);

??2)軟件上:遵循的協(xié)議有所不同;

??3)協(xié)議棧上:

????(1)NB-IOT:基于LTE(4G)協(xié)議棧設(shè)計的,但裁減了一些不必要的功能,減少了協(xié)議棧處理流程的開銷;

????(2)CoAP協(xié)議:支持對接各類云服務(wù):透傳云、電信IOT平臺、移動OneNet等;

????(3)TCP/UDP:移動支持,電信不支持;

7、通訊模型:

??1)目前只有電信/移動支持IOT平臺,并且電信存在IP訪問限制(僅可訪問電信云、華為云、透傳云等少量私有IP)

??2)基站的建設(shè)形式:在4G FDD基站上進行升級實現(xiàn)部署; https://mp.ofweek.com/fiber/a245663629506

8、通信信號:

??1)NB的接受靈敏度很高,穿透力強(覆蓋室內(nèi)和地下室);

??2)NB接入基站的終端數(shù)是GSM的50-100倍,網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍比GSM增強20dBm,覆蓋面積擴大100倍;

??3)功耗極低,電池供電待機可長達10年以上;

9、幀結(jié)構(gòu):與LTE幀結(jié)構(gòu)一致:每個時隙0.5ms,2個時隙就組成了一個子幀(SF),10個子幀組成一個無線幀(RF);

10、小區(qū)重選和移動性;

11、模塊的工作模式:CoAP:專為低功耗互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計的協(xié)議棧;

12、NB低功耗的實現(xiàn)(參數(shù)可自由定制,類似于藍牙,zigbee):

??1)PSM模式:NB的睡眠模式;

??2)eDRX:監(jiān)聽間隔;

13、NB是一個窄帶通訊協(xié)議,并發(fā)性有限,不建議頻繁通訊占用帶寬;

14、模組注網(wǎng)能耗、上報數(shù)據(jù)能耗與信號覆蓋強度成反比??!

15、NB-IOT開發(fā)中的問題和難點:信號不穩(wěn)定情況(GPRS也存在);

16、NB-IOT詳細教程:https://blog.csdn.net/nbiot/article/details/54906431

17、LWM2M/MQTT/COAP協(xié)議的區(qū)別和聯(lián)系:https://cloud.tencent.com/developer/news/19866

18、NB-IOT的通訊模型細節(jié):


三、LoRa理論基礎(chǔ)與開發(fā)

*LoRa技術(shù)特點(類似于藍牙/zigbee/wifi這些局域網(wǎng),但具備超遠距離的能力)

1、屬于局域網(wǎng)的一種,433MHz技術(shù)的協(xié)議棧體現(xiàn);

2、點對點傳輸(終端之間直接通訊);集中式傳輸(終端到路由);

3、傳輸距離大約幾公里;功耗低,傳輸流量??;

4、使用頻段(ISM頻段):433MHz / 868MHz / 915MHz ;

5、LoRa縮略語:

??1)LoRa:Long Range Radio

??2)LPWAN:Low-Power Wide Area Network 低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)

6、LoRa無線技術(shù)詳細介紹:https://baijiahao.baidu.com/s?id=1606842460149901600&wfr=spider&for=pc

7、LoRa的通訊模型1

8、LoRa的通訊模型細節(jié)2


四、433技術(shù)理論基礎(chǔ)與開發(fā)

1、433概述:

??1)通訊速率低:9600bps; 安全性較差; 但通訊距離,穿透力很強;

??2)只支持星型拓撲關(guān)系;

??3)433的不同形式:

????(1)集成芯片(可以跑協(xié)議棧 ,具體例子LoRa ):連接、組網(wǎng)、遍歷不同頻段等功能;

????(2)MCU+射頻IC:發(fā)射固定序列數(shù)據(jù);固定頻段發(fā)送;

2、zigbee wifi 433技術(shù)的對比:http://blog.sina.com.cn/s/blog_a320703d0102xvou.html

3、433集成芯片:https://blog.csdn.net/joeyon1985/article/details/53286832

4、433與紅外的區(qū)別:https://zhidao.baidu.com/question/1367550772603320899.html

??1)傳輸介質(zhì)不一致(433是無線電傳輸,紅外是紅外光傳輸),傳播方向性不同;

??2)傳輸距離,加密技術(shù)等;

5、433編碼形式:

??1)固定碼:明文傳輸;

??2)滾動碼:保密性強,每次發(fā)射后自動更換編碼;地址數(shù)量大于10萬組,使用中“重碼”的概率極小;

6、433三軸天線參數(shù):

??1)諧振頻率;

??2)感應(yīng)電流:

7、433開發(fā)中的問題和難點:

??1)低功耗的實現(xiàn)是433最大的難點;

??2)接收端與發(fā)射端的功耗關(guān)系:

????(1)發(fā)射信號越弱,接收端消耗的功耗就越大;

????(2)控制發(fā)射端與接收端的射頻時間間隔;實現(xiàn)不同的功耗搭配;

8、ASK:Amplitude Shift Keying 幅移鍵控

9、低功耗433方案設(shè)計:

??1)遙控發(fā)射方案:HD8301晶振+SC3356

??2)低功耗實現(xiàn):

????(1)定時喚醒接收;

????(2)時間壓縮比盡量高;

??3)中斷接收注意不要處理太多,例如打印語句都需要盡量減少,做到最簡,保證數(shù)據(jù)接收的完整性;

10、433通訊細節(jié):


五、GPRS通信理論與開發(fā)

1、GPRS的通訊原理:https://blog.csdn.net/shixin_0125/article/details/42580781

2、GSM系統(tǒng)組成:https://blog.csdn.net/maochengtao/article/details/8997311

3、GSM工作條件: GSM 是時分多址,在發(fā)送時隙時會導(dǎo)致瞬時電流波動,由此會出現(xiàn)電壓紋波現(xiàn)象。此時如果不處理妥當(dāng),這些頻繁的電壓紋波將會降低模塊的性能。建議將此紋波控制在 300mV 以內(nèi)。在任何情況下,模塊的供電都不應(yīng)該低于它的最小電壓。

4、手機業(yè)務(wù)的區(qū)分:GPRS業(yè)務(wù)、mobus業(yè)務(wù)、語音業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信息;

5、GPS通訊模型:衛(wèi)星信號->GPS接收解釋->GPRS/GSM->目標終端(手機、PC);

6、SIM:Subscribe Identification Module,用戶身份識別卡、智能卡,GSM數(shù)字移動手機上必須要有;

??1)分類:standard SIM(1FF) Mini SIM(2FF) Micro SIM(3FF) Nano SIM(4FF) Embedded-SIM,尺寸大小以及儲存介質(zhì)不一致;

??2)組成:CPU ROM RAM EEPROM和I/O口應(yīng)用;

??3)供給GSM網(wǎng)絡(luò)客戶身份進行鑒別( 即存放了密匙信息 );

??4)20位ICCID卡號,4位SIM密碼(PIN碼),PUK密碼;

??5)鑒權(quán)過程:手機GPRS向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出入網(wǎng)請求->網(wǎng)絡(luò)回復(fù)一隨機字符串->手機接收,并將其交給SIM卡->SIM卡運算出特定結(jié)果->返回運算結(jié)果;

7、IMEI/ICCI發(fā)回網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)讀取ICCID->通過網(wǎng)絡(luò)驗證,并下發(fā)KC碼,完成入網(wǎng)過程;

8、BSS:基站子系統(tǒng);

??1)基站子系統(tǒng)的組成:

????(1)基站收發(fā)信臺(BTS:手機信號的收發(fā))

????(2)基站控制器(BSC:控制功能)

????(3)碼變換和速率適配器(XCDR:數(shù)據(jù)編碼) 、

????(4)無線操作做維護中心(OMC_R:用戶操作和維護功能)

??2)作用:基站的作用是中繼作用,基站與基站之間通過無線信道進行連接,終點是主基站;

??3)各個基站組成蜂窩網(wǎng)絡(luò)(基站布局組建十分重要),覆蓋的地方就可以完成手機通訊;

??4)天線類型:發(fā)全向、定向 ;組合收全向、定向;

??5)頻率分類: 766.9125-791.8875MHz;每個用戶的通訊都將占用一個信道;

??6)基站子系統(tǒng)與MSC以及移動終端通訊通過A口和Um接口(空口),專用的接口完成的;

??7)基站的分類:宏基站、微基站、微微基站、分布式基站(基帶單元BBU和遠端射頻單元RRU);

9、MS(mobile station):移動臺;

??1)移動用戶的終端設(shè)備;

??2)分類:車載型(開發(fā)難度大)、便攜型、手持型(手機、對講機(免費的));

??3)組成:移動終端(MT)、客戶識別卡(SIM);

??4)不同應(yīng)用、地區(qū)采用不同的通信頻道(通用、專用):國際頻道、美國頻道、加拿大頻道;氣象頻道;

10、GPS需要在室外使用,室內(nèi)沒有衛(wèi)星信號(中國衛(wèi)星:北斗BDS 美國衛(wèi)星:GPS ;兩個衛(wèi)星的協(xié)議不一樣,因此支持兩個,需要雙模); 其他衛(wèi)星: 俄國衛(wèi)星:GLONASS 、歐盟衛(wèi)星:伽利略;

11、需要外接有源天線;

12、數(shù)據(jù)以星歷形式儲存,描述衛(wèi)星位置和速度信息;

13、定位一般在正負5米(CEP),捕獲時間一般在半分鐘內(nèi);

14、通訊協(xié)議:

??1)NMEA:傳出串口數(shù)據(jù);

??2)UBX Binary:配置GPS模塊的參數(shù);

15、數(shù)據(jù)含義較多:多多聯(lián)系理解;

??1)UTC+時區(qū)差=本地時間;

??2)GPS經(jīng)緯度數(shù)據(jù)可以轉(zhuǎn)化為百度、google格式;

16、硬件連接:PPS:時鐘脈沖;

17、冷啟動、溫啟動和熱啟動;

18、通過衛(wèi)星可以獲取的信息:定位(經(jīng)緯度);時區(qū)時間;海拔高度;

19、模塊會自動獲取信號最好的四顆衛(wèi)星來進行定位;

20、常用協(xié)議:MQTT,

21、硬件上:與其他類型的無線( 藍牙、zigbee、wifi )原理應(yīng)該是一樣的,發(fā)射模塊發(fā)射特定的頻率頻段;

??1)內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議,作為GPRS MODEM角色存在;

22、電源濾波需要加1000uf電容?GPRS啟動電壓波動很大;

23、GPRS開發(fā)中的問題和難點:

??1)GPRS網(wǎng)絡(luò)存在不穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)差現(xiàn)象,會出現(xiàn)掉包情況;

??2)主控制器(內(nèi)嵌TCP/IP)要實現(xiàn)IP設(shè)計,使用起來比較復(fù)雜;

??3)上位機基于互聯(lián)網(wǎng)的解決方案保密性比較差;

24、GPRS縮略語:

??1)GSM->Global System of Moile communication;

??2)GPRS->Gerneral Packer Radio Service;

??3)MQTT : Message Queuing Telemetry Transport, 消息隊列遙控傳輸,是一個即時的通訊協(xié)議;

??4)CSD:電路交換;

??5)SGSN:服務(wù)支持節(jié)點(硬件設(shè)備);

??6)GGSN:網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(硬件設(shè)備);

??7)MSC:移動交換中心;

??8)BSS:基站子系統(tǒng);

??9)MS:移動臺;

25、機智云平臺(已實現(xiàn)全球服務(wù)器部署):

??1)GAgent:機智云固件;

??2)通訊模型:MCU->GPRS(BLE WiFi、Nb-Iot)[ 統(tǒng)稱GAgent通訊模組,燒錄了對應(yīng)的程序固件 ]->附著公眾網(wǎng)->機智云服務(wù)器->附著公眾網(wǎng)->移動端(PC、手機);

??3)通訊:配置入網(wǎng)->發(fā)現(xiàn)服務(wù)(偵聽)->連接->控制->狀態(tài)上報->警報通知;

??4)采用的協(xié)議:機智云私有協(xié)議;

??5)GAgent通訊模組是機智云與各大廠商共同定制開發(fā)的套件;

??6)機智云的開發(fā)模型:



26、通訊模型:

??1)基站系統(tǒng):


??2)GPRS的通訊模型細節(jié):



六、2.4G技術(shù)理論基礎(chǔ)與開發(fā)

1、應(yīng)用:無線遙控、無線鼠標、無線鍵盤、無線電子標簽、遙控玩具、2.4g無線擴音器、無線麥克風(fēng)、無線音箱;

2、2.4G無線鼠標與藍牙鼠標的對比:

??1)通訊制式不一致(2.4G是FSK調(diào)制的);

??2)2.4G必須是收發(fā)一一對應(yīng),也可以選擇1對6模式;

??3)2.4G傳輸距離要高,一般在幾百米左右;

??4)2.4G傳輸速率要高,耗電要??;


3、芯片NRF24L01:

??1)采用自身Enhanced Short Burst協(xié)議;

??2)模塊的使用方式類似(藍牙模塊),各種模式的靈活運用,收發(fā)數(shù)據(jù)的控制相對來說復(fù)雜一點;

4、項目出現(xiàn)的問題以及解決:出現(xiàn)過復(fù)位腳由于布線不合理,導(dǎo)致受到影響,整個系統(tǒng)一直復(fù)位;解決是采用地線保護重要的線路;


七、PKE無線通信(近場通信)與開發(fā)

1、滾動碼加密技術(shù): 原始代碼、加密鑰匙以及同步碼經(jīng)過Keelop算法加密后,產(chǎn)生32Bit高度保密的滾動碼。

2、PKE近場通信總體設(shè)計框架(遙控器+主機):

??1)遙控器:接受低頻125K數(shù)據(jù)->合法數(shù)據(jù)->喚醒MCU->發(fā)送高頻滾碼數(shù)據(jù)(固定的編程數(shù)據(jù),由滾動碼芯片自動完成);

??2)主機:定時發(fā)送低頻125K數(shù)據(jù)(固定的編程數(shù)據(jù))->定時接受高頻數(shù)據(jù)->輪詢檢查高頻接受數(shù)據(jù)(如果接受到則進行指定動作)(處理數(shù)據(jù)有兩種模式:學(xué)習(xí)模式(儲存遙控器數(shù)據(jù))和正常模式(執(zhí)行指定動作));

3、PKE項目開發(fā)出現(xiàn)的問題以及解決:

??1)通訊距離短:

????(1)天線發(fā)射芯片重新選型;

????(2)天線重新選型;

????(3)避免讓金屬阻擋信號;

??2)邏輯關(guān)系比較復(fù)雜:

????(1)通過實際應(yīng)用進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整;

??3)無線互相干擾問題(同頻干擾):

????(1)分頻、分時、縮短感應(yīng)距離;

????(2)通訊時,盡可能時間短、周期長;


原文鏈接:https://blog.csdn.net/STCNXPARM/article/details/105611231


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