使用全球蜂窩無線電模塊將物聯網設備快速安全地連接到云端

作者：Jens Wallmann
如需將便攜式或遠程網絡終端設備連接到物聯網 (IoT)，或使用機對機通信 (M2M) 遠程控制機器，通過云端進行數據交換的移動無線電連接是一個不錯的選擇。然而，這一方案卻給開發人員帶來了一些難題，例如要確定哪些無線網絡可以支持全球所需的數據吞吐率，以及無線調制解調器必須能夠處理哪些協議。此外，還必須考慮系統可擴展性、數據安全性、成本、上市時間以及用戶的購置和運營成本。

本文簡要介紹了 LTE Cat 1 可為物聯網和 M2M 應用開發人員提供哪些功能。隨后介紹了 [u-blox]的 [LARA-R6] 系列無線電模塊，這些模塊具有通用連接性和可靠的性能。最后，本文還展示了開發人員如何使用評估板 (EVB) 通過 AT 命令輕松配置和控制模塊，以及如何通過庫函數生成 AT 命令字符串。

LTE Cat 1 與 LTE Cat 1bis、LTE Cat M 和 LTE Cat NB 的比較

雖然 LTE 蜂窩無線電現已實現千兆位傳輸速率，但是像 LTE Cat 1、LTE Cat 1bis、LTE Cat M 和 LTE Cat NB 這樣的低功耗、廣域 (LPWA) 協議經過設計，在能耗、網絡資源和成本方面都特別高效。這對于物聯網設備至關重要。

LTE Cat 1 可在全雙工模式下提供高達 20 MHz 的信道帶寬，下載數據速率可達 10 Mbps，上傳數據速率可達 5 Mbps。使用兩根天線支持接收 (Rx) 分集，性能更佳（表 1）。而 LTE Cat 1bis 僅使用一根天線。

| | | LTE CAT1/CAT 1BIS | LTE CAT M1 | LTE CAT NB1 |
| ---------------------------- | -------------------------------- | ---------------- | --------------------------------------- |
| 3GPP 版本 | 版本 8 | 版本 13 | 版本 13 |
| 下行鏈路峰值速率 | 10 Mpbs | 1 Mbps | 26 kbps |
| 上行鏈路峰值速率 | 5 Mbps | 1 Mbps | 66 kbps（多音調）
16.9 kbps（單音調） |
| 延時 | 50 ms 到 100 ms | 10 ms 到 15 ms | 1.6 s 到 10 s |
| 天線數量 | 2 (LTE Cat 1)
1 (LTE Cat 1bis) | 1 | 1 |
| 雙工模式 | 全雙工 | 全雙工或半雙工 | 半雙工 |
| 設備接收帶寬 | 1.4 MHz 到 20 MHz | 1.4 | 180 kHz |

表 1：LPWA 協議的性能比較。LTE CAT 1 使用兩根天線支持接收分集；而 LTE Cat 1bis 僅使用一根天線。（圖片來源：維基百科，Jens Wallmann）

LTE Cat 1 移動無線電的全球可用性

u-blox 的 LARA-R6 系列由堅固耐用的蜂窩無線電模塊組成，專為無線電接入技術 (RAT) LTE Cat 1 頻分雙工 (FDD) 和時分雙工 (TDD) 標準而設計。該系列支持 3G UMTS/HSPA 和 2G GSM/GPRS/EGPRS，作為后備解決方案。這些模塊是實現全球/多地區覆蓋的出色解決方案，采用 26 x 24 mm 的小型 LGA 封裝。

LARA-R6 模塊配備多功能接口、各種不同的特性以及多頻段和多模功能，適用于需要中速數據傳輸、無縫連接、出色的覆蓋能力和低延時的應用。這些應用包括資產跟蹤、遠程信息處理、遠程監控、警報中心、視頻監視、互聯健康和收銀機終端。

所有模塊均支持接收分集，可在覆蓋條件差或需要基于 LTE 的語音傳輸 (VoLTE) 時提供可靠的性能。程序員可以利用嵌入式物聯網協議（LwM2M、MQTT）和安全特性（TLS/DTLS、安全更新/安全啟動）來實施各種功能，包括設備管理、遠程設備控制以及安全的空中固件下載 (FOTA) 更新。

LARA-R6 系列支持符合 3GPP 版本 10 標準的 LTE Cat 1，并通過三個地區版本實現全球覆蓋：

• [LARA-R6001-00B]（數據和語音）和 [LARA-R6001D-00B]（僅數據）模塊支持 18 個 LTE FDD/TDD 頻帶以及 3G/2G 回退功能，可實現全球連接。
• [LARA-R6401-00B]（數據和語音）和 [LARA-R6401D-00B]（僅數據）模塊為北美地區提供理想的 LTE Cat 1 解決方案，支持 AT&T、FirstNet、Verizon 和 T-Mobile 的 LTE 頻帶。
• [LARA-R6801-00B]（數據和語音）和 [LARA-R6801D-01B]（僅數據）模塊專為以下地區的部署而設計：歐洲和中東 (EMEA)、亞太地區 (APAC)、日本 (JP) 和拉丁美洲 (LATAM)（圖 1）。

圖 1：LARA-R6 模塊有三個地區版本，可覆蓋全球。（圖片來源：DigiKey，由作者修改）

LARA-R6 特殊功能一覽

LARA-R6 模塊集成了帶有外部接口的蜂窩基帶處理器、帶有放大器和濾波器的射頻收發器、存儲器和電源管理單元（圖 2）。

[])圖 2：LARA-R6 模塊的內部結構。（圖片來源：u-blox）

射頻收發器的工作頻帶為 700 MHz、800 MHz、850 MHz、900 MHz、1.7 GHz、1.8 GHz、1.9 GHz、2.1 GHz 和 2.6 GHz。蜂窩基帶處理器的所有數據傳輸協議均可使用外部 UART 和 USB 接口通過 AT 命令進行控制和配置。

協議

• 雙堆棧 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 和獨立承載協議 (BIP)

LARA-R6 模塊需要 3.1 到 4.5 V 的供電電壓，待機電流消耗約為 1.1 mA。在 2G 運行中，單個 TDMA 時隙的峰值傳輸功率可超過 33 dBm（> 2.0 瓦，分貝數基準為 1 mW），而所有其他 RAT 的峰值傳輸功率均超過 24 dBm（> 0.25 瓦）。

小于 -100 dBm 的出色天線靈敏度，對應于小于 0.1 pW 的信號功率，可在移動網絡邊緣實現穩定的無線電連接。

評估和編程

開始 LARA-R6 模塊評估和編程的最快方法是使用 R6 EVB (EVK-R6) 和相應地區的插入式 LARA-R6 適配器板 (ADP-R6)。例如，適用于全球應用的 [EVK-R6001-00B] 包括插入式適配器板 [ADP-R6001-00B]（語音 + 數據）和 GNSS 適配器板（圖 3）。

[]圖 3：安裝了 LARA-R6 適配器板（下方）和 GNSS 板（左上）的 LARA-R6 EVB (EVK-R6)。（圖片來源：u-blox）

適用于北美地區的 [EVK-R6401-00B]版本包括 [ADP-R6401-00B]適配器，而適用于 EMEA/APAC/JP/LATAM 地區的 [EVK-R6801-00B] 則包括 [ADP-R6801-00B] 適配器。前文提到的適用于語音和數據傳輸的三個適配器板也可單獨提供，還有僅適用于數據傳輸的版本，包括 [ADP-R6401D-00B]（北美）和 [ADP-R6001D-00B]（全球）。

R6 適配器板通過兩根天線和兩個 MiniUSB 連接器擴展 LARA-R6 模塊。R6 EVB 則增加了一個 GNSS 模塊、一個 SIM 卡插槽、額外的插入式連接器、跳線、開關和模塊外設的電源（圖 4）。

[]圖 4：插入了 GNSS 和 LARA-R6 適配器的 R6 EVB 功能框圖。（圖片來源：u-blox）

每個套件包含一個 u-blox 的 EVB（安裝了 LTE Cat 1 LARA-R6 適配器板和 GNSS 模塊）、一根 USB 電纜、兩根 LTE 移動無線電天線、一根 GPS/GLONASS 天線和一個電源單元。

調試 EVK

u-blox 推出的 EVK-R6 套件易于使用、功能強大，可簡化多模 LTE Cat 1/3G/2G 蜂窩模塊的評估工作。安裝了 LARA-R6 [USB 驅動程序]的 Windows PC 可通過 USB 連接器控制 LARA-R6 調制解調器，并通過系統設置簡化連接設置。首先，開發人員需要：

1. 插入 SIM 卡并連接蜂窩天線和 GNSS 天線。
2. 仔細配置 EVK 的跳線和開關。
3. 施加供電電壓并打開 EVB 上的主開關 SW400。
4. 1. 如需通過“主 UART”接口作為低數據速率調制解調器運行，可將 PC 連接到 EVK 上的 MiniUSB 插孔 J501 或 RS232 插孔 J500。
   2. 如需通過“兩個 UART”作為低數據速率調制解調器運行，可將 PC 連接到 ADP 上的蜂窩 USB 插孔 J201 接口。
   3. 如需通過“本機蜂窩 USB”作為高數據速率調制解調器運行，可將 PC 連接到 ADP 上的 MiniUSB 插孔 J105。
5. 按下 EVB 上的蜂窩模塊開機按鈕 SW302。
6. 運行終端應用軟件（例如 m-center），進入 COM 端口設置菜單，選擇與 4a、4b 或 4c 相對應的 AT 端口，然后設置以下值：數據速率：115,200 bps；數據位：8；奇偶校驗：N；停止位：1。

如需了解更多詳情，請參閱 [EVK-R6_UserGuide_UBX-21035387]。m-center 工具可幫助評估、配置和測試 u-blox 蜂窩產品，其中包括一個 AT 命令終端。

使用 Windows PC 進行簡單的互聯網連接

將 Windows PC 連接到 EVK 后，用戶即可通過兩種方式建立無線互聯網連接：

1：低速分組數據連接： 該方式通過 LARA-R6 模塊的 UART 接口，使用 Windows PC 的 TCP/IP 協議棧。按照方法 4a 連接 PC 和 EVK。開發人員必須使用 Windows 控制面板選擇“電話和調制解調器”>“調制解調器”>“添加”。下一步是勾選“不要檢測我的調制解調器”復選框，選擇“標準 33.6 kbps 調制解調器”，并分配一個 COM 端口。如有必要，開發人員可以添加“屬性”>“高級”>“額外的初始化命令”。

2：高速分組數據連接： 該方式通過 LARA-R6 模塊的本機蜂窩 USB 接口，使用 Windows PC 的 TCP/IP 協議棧訪問互聯網。按照方法 4c 連接 PC 和 EVK。開發人員必須通過 Windows 控制面板選擇“網絡和共享中心”>“設置新的連接或網絡”，然后點擊“連接到 Internet”。下一步是選擇“撥號”和其中一個 AT USB 端口。最后一步是輸入撥號參數（撥號號碼、提供商名稱、用戶 ID 和密碼）。

向移動運營商注冊 SIM 卡

SIM 卡和 MNO 參數配置完成后，蜂窩模塊會在開機后自動在蜂窩網絡上進行注冊。如果出現問題，可使用表 2 所示的 AT 命令手動檢查注冊情況。

| | 由 DTE（用戶）發送的命令 | DCE 響應（模塊） | 說明 |
| -------------------------- | ------------------------- | -------------------------------------------------------------- |
| AT+CREG? | +CREG: 0,1 OK | 驗證網絡注冊情況。 |
| AT+COPS=0 | OK | 僅當自動注冊失敗時才會在網絡上注冊模塊（AT+CREG?返回 0.0）。 |
| AT+COPS? | +COPS: 0,0,"I TIM",7 OK | 讀取運營商名稱和無線電接入技術 (RAT)。 |

表 2：AT 注冊命令。（表格來源：u-blox，由作者修改）

通過 AT 命令與遠程 HTTP 服務器通信

GitHub 存儲庫“[Firechip_u-blox_LARA-R6_Arduino_Library]”包含一個廣泛的 LARA-R6 模塊 AT 命令庫，使用 C++ 編寫，適用于 [Arduino] 控制器。16 個應用示例（包括 ping 測試、注冊、分組交換、SMS、GNSS 和物聯網云）可為自定義代碼結構提供建議。

AT 命令還可以在主動連接期間向遠程 HTTP 服務器發送請求，接收服務器響應，并將該響應透明地存儲在本地文件系統中。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 向遠程 HTTP 服務器 [ThingSpeak.com]發送隨機溫度。ThingSpeak 是 MathWorks 提供的物聯網分析平臺服務，可幫助在云端聚合、可視化和分析實時數據流。表 3 顯示了 HTTP 命令“POST data”的語法。

| | 類型 | 語法 | 響應 | 示例 |
| ------ | -------------------------------------------------------------------------------------------------------- | ------ | ----------------------------------------------------------------- |
| 設置 | 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。（表格來源：u-blox，由作者修改）

該示例可在 Arduino 主機控制器上編程，通過 AT 命令控制 EVK 板上的 LARA-R6 模塊。此外，還需要配置 SIM 卡。

程序員必須創建 ThingSpeak 用戶帳戶，并通過菜單項“Channels（通道）”>“My Channels（我的通道）”>“New Channel（新通道）”為隨機溫度測量值設置字段 1。在變量 myWriteAPIKey 中，相應的“寫入 API 密鑰”被輸入到主程序“LARA-R6_Example9_ThingSpeak.ino”。

C++ 主程序生成了一個隨機溫度值，形成特定于云端的數據字符串，并每隔 20 秒調用一次庫函數 sendHTTPPOSTdata（清單 1）。

復制
...
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  }
...

清單 1：該主程序生成了一個隨機溫度值，并每隔 20 秒調用一次庫函數 sendHTTPPOSTdata。（代碼來源：Github 上的 Firechip）

生成調用庫函數的 AT 命令字符串

庫頭“Firechip_u-blox_LARA-R6_Arduino_Library.h”將函數調用 sendHTTPPOSTdata 轉發到庫過程“Firechip_u-blox_LARA-R6_Arduino_Library.cpp”，在該過程中生成和發送了完整格式的 AT 命令字符串（清單 2）。

復制
...
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 }
...

清單 2：該 C++ 庫過程生成并發送了完整格式的 AT 命令字符串（第 12 行）。（代碼來源：Github 上的 Firechip）

庫過程 LARA_R6::sendHTTPPOSTdata（清單 2）使用函數調用 myLARA.sendHTTPPOSTdata()（清單 1）中傳遞的參數和庫頭中額外聲明的變量，根據表 3 生成了完整的 HTTP 命令字符串。最后，LARA-R6 調制解調器將生成的 AT 命令字符串發送到 ThingSpeak RemoteHTTP 服務器：

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

總結

對于低功耗物聯網和 M2M 應用的全球聯網，LARA-R6 系列的 LTE Cat 1 多模無線電模塊既高效又經濟。如圖所示，開發人員可以使用 EVK 訪問所有接口，并通過 AT 命令輕松配置和控制模塊的協議和功能。該產品提供簡單的選項，可用作 PC 調制解調器、向云端發送數據以及通過庫函數生成 AT 命令字符串。