4G 模塊在廣域物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

劉維周，王嘉敏

（三江學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210012）

0 引言

近年來(lái),4G 通信技術(shù)相比前幾代的通信技術(shù),通信質(zhì)量得到了極大提高,接收端接收到的圖片和視頻畫(huà)面清晰,給人帶來(lái)更愉悅的通信體驗(yàn)［1］。 例如基于STM32F4 和4G 網(wǎng)絡(luò)的車(chē)輛裝備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),其數(shù)據(jù)傳輸模塊使用了4G 通信技術(shù),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)采集信息并實(shí)時(shí)傳輸信息的功能［2］。 而為了進(jìn)一步豐富物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的功能多樣性,不少研究機(jī)構(gòu)還引入了其他應(yīng)用技術(shù),如Luca Costantino 等人利用LTE 技術(shù)的低時(shí)延和高速率特性,大大增強(qiáng)了基于LTE 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的接入能力［3］,如今已發(fā)展為基于4G 的智能網(wǎng)關(guān)。 4G 智能網(wǎng)關(guān)主要應(yīng)用在廣域物聯(lián)網(wǎng)中,廣域物聯(lián)網(wǎng)也是近些年來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),主要特點(diǎn)是大覆蓋、低功耗、大連接、低成本［4］。

本系統(tǒng)采用STM32F407 單片機(jī)通過(guò)4G 模塊發(fā)送MQTT 協(xié)議報(bào)文至云服務(wù)器,將4G 通信技術(shù)創(chuàng)新性地與MQTT 協(xié)議結(jié)合使用在嵌入式系統(tǒng)中,MQTT 協(xié)議也是近年來(lái)物聯(lián)網(wǎng)中使用比較廣泛的輕量級(jí)通信協(xié)議,該系統(tǒng)能夠進(jìn)一步拓寬4G 通信技術(shù)在智能化時(shí)代的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)包括上位機(jī)(即PC 端)、4G 模塊、STM32F407 單片機(jī)3 個(gè)部分,單片機(jī)通過(guò)UART2 和4G模塊相連,UART2 波特率設(shè)置為115 200 bps,4G 模塊通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接到上位機(jī)。 由于4G 模塊自身內(nèi)部集成有TCP/IP 協(xié)議,因此使用TCP/IP 協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

4G 模塊通信任務(wù)包括兩部分,第一部分是4G 模塊與移動(dòng)基站網(wǎng)絡(luò)之間建立連接并保持信號(hào)的識(shí)別,之后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；第二部分是4G 模塊通過(guò)MQTT 協(xié)議發(fā)布現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及訂閱服務(wù)器端數(shù)據(jù)等。 MQTT 協(xié)議基于主題的發(fā)布或訂閱,憑借可靠性高、及時(shí)性好、開(kāi)銷(xiāo)小等優(yōu)勢(shì)在物聯(lián)網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。 它專(zhuān)門(mén)用于M2M 通信設(shè)計(jì),客戶(hù)端通過(guò)訂閱其他客戶(hù)端發(fā)布的相應(yīng)主題來(lái)接收消息,服務(wù)器介于訂閱方和發(fā)布方之間,將接收到的客戶(hù)端(發(fā)布方)發(fā)布的消息按主題內(nèi)容點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地推送到訂閱相應(yīng)主題的客戶(hù)端(訂閱方)上。

云服務(wù)器部署在Thingsboard 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上,單片機(jī)模擬MQTTBOX 發(fā)送至云服務(wù)器的消息將顯示在Thingsboard 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中,以此能夠直觀地判斷該系統(tǒng)的功能是否實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用的硬件部分主要有STM32F407 單片機(jī)和4G 模塊,4G 模塊與單片機(jī)用RS232 公對(duì)母交叉串口線(xiàn)相連,單片機(jī)與上位機(jī)之間使用的是ST-LINK 驅(qū)動(dòng),硬件連接框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件連接

2.1 STM32F407 單片機(jī)

本系統(tǒng)所用的STM32F407 單片機(jī)主芯片為STM32F407ZGT6,相比于之前推出的STM32 系列的產(chǎn)品,對(duì)于需要浮點(diǎn)運(yùn)算或DSP 處理的應(yīng)用,則可以考慮使用這款產(chǎn)品,它的內(nèi)核更為先進(jìn),片內(nèi)SRAM 也更大,而在外設(shè)方面,也是比以往的系列有所增強(qiáng),例如在IO 復(fù)用功能、模數(shù)轉(zhuǎn)換速度、總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)速度、運(yùn)行頻率方面都有了進(jìn)一步的提高,并且功耗低至238 μA/MHz。 STM32F407 嵌入式系統(tǒng)支持JTAG 和SWD 口調(diào)試,但是JTAG 調(diào)試占用的IO 口較多,為了節(jié)約IO 口數(shù)量,更偏向于使用SWD 模式調(diào)試。

STM32F407 單片機(jī)含有RS232 和RS485 串口,需要使用不同的電平轉(zhuǎn)換芯片來(lái)滿(mǎn)足不同的實(shí)驗(yàn)要求,本系統(tǒng)中4G 模塊的RS232 接口與單片機(jī)的RS232 母接口連接,RS232 接口的特點(diǎn)為:(1)傳輸速率較低；(2)信號(hào)電平值較高；(3)傳輸距離有限；(4)抗噪聲干擾性弱。 除此之外,系統(tǒng)還用到了單片機(jī)中的USB＿232 接口,利用串口調(diào)試助手工具和數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)可以對(duì)單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。 此外,STM32F407 單片機(jī)還有一個(gè)特別方便使用的一鍵下載功能:開(kāi)發(fā)板會(huì)在接收到串口的DTR 和RTS 信號(hào)后,自動(dòng)配置BOOT和RST 信號(hào)。 該設(shè)置給用戶(hù)下載代碼帶來(lái)了極大方便。

2.2 4G 模塊

4G 技術(shù)相比以往的通信技術(shù),之所以有如此快速的發(fā)展,離不開(kāi)其中的關(guān)鍵技術(shù),如:減少載波間的干擾、提高數(shù)據(jù)傳輸速率的OFDM(正交頻分復(fù)用)技術(shù),抑制信號(hào)干擾的SA(智能天線(xiàn))技術(shù),成倍地提高頻譜利用率、降低誤碼率的MIMO(多入多出)技術(shù)等。

4G 模塊采用的是穩(wěn)恒科技公司的WH-LTE-7S4 V2 產(chǎn)品,是一款體積小巧、功能豐富的M2M 4G 產(chǎn)品,含有4G(移動(dòng)、聯(lián)通、電信)、3G(移動(dòng)、聯(lián)通)以及2G網(wǎng)絡(luò)制式。 功能多種多樣,主要功能是“透?jìng)鳌?即數(shù)據(jù)的透明傳輸,具有易用性,方便使用者的集成開(kāi)發(fā),能夠在大多數(shù)場(chǎng)景中使用,只要進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)置,就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透?jìng)鳌?傳輸速率高、時(shí)延低,心跳包能夠在一定時(shí)間間隔內(nèi)被發(fā)送出去,支持HTTPD,UDC 等通信協(xié)議。

WH-LTE-7S4 V2 模塊共有3 種工作模式:網(wǎng)絡(luò)透?jìng)髂Ｊ健DC 工作模式和HTTPD Client 模式。 本系統(tǒng)只用到網(wǎng)絡(luò)透?jìng)髂Ｊ?用戶(hù)只需簡(jiǎn)單設(shè)置參數(shù),不必關(guān)心從串口設(shè)備到服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換方式,4G 模塊可以作為私有網(wǎng)絡(luò)或傳感器到云服務(wù)器的路由,實(shí)現(xiàn)到有人云服務(wù)器的透?jìng)?也可以實(shí)現(xiàn)到阿里云服務(wù)器的數(shù)據(jù)透?jìng)鳌?/p>

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)主要包括3 個(gè)部分:主程序、MQTT 協(xié)議數(shù)據(jù)包的處理和接收發(fā)送、4G 模塊數(shù)據(jù)的處理和接收發(fā)送。 使用Keil uVision5 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)單片機(jī)進(jìn)行開(kāi)發(fā),Keil 軟件是目前世界上應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)開(kāi)發(fā)工具之一,是兼容單片機(jī)C 語(yǔ)言軟件的開(kāi)發(fā)系統(tǒng),含有豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具,能夠生成緊湊并且容易理解的匯編代碼,生成的目標(biāo)代碼效率高。

系統(tǒng)上電后,主程序先對(duì)相關(guān)模塊進(jìn)行初始化,然后校驗(yàn)MQTT 協(xié)議中的重要參數(shù),若參數(shù)無(wú)誤,則打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)連接,連接上云服務(wù)器,格式化連接報(bào)文,并對(duì)以下各部分報(bào)文進(jìn)行校驗(yàn):連接及確認(rèn)連接報(bào)文、訂閱及確認(rèn)訂閱報(bào)文、發(fā)布及確認(rèn)發(fā)布報(bào)文。 單片機(jī)通過(guò)RS232 公對(duì)母交叉串口線(xiàn)從串口2 將數(shù)據(jù)經(jīng)由4G 模塊傳輸至云服務(wù)器,在這個(gè)過(guò)程中,4G 模塊有等待服務(wù)器應(yīng)答的時(shí)間,一旦超過(guò)時(shí)間,需要重新連接服務(wù)器,若無(wú)誤,4G 模塊會(huì)正常與云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；若出現(xiàn)異常報(bào)文,單片機(jī)的串口2 會(huì)停止數(shù)據(jù)傳輸并進(jìn)行相應(yīng)的處理,與之相連的4G 模塊的串口也會(huì)停止數(shù)據(jù)收發(fā)。

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果

系統(tǒng)測(cè)試分為模塊測(cè)試及整體測(cè)試。 模塊測(cè)試為整體測(cè)試鋪墊基礎(chǔ),有利于了解各模塊的工作原理及實(shí)現(xiàn)通信的方式,并確保這兩部分的通信鏈路是能夠連通的,分為4G 模塊通信測(cè)試和MQTTBOX 通信測(cè)試。 模塊測(cè)試成功后,便在Keil uVision5 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境上編程,將上位機(jī)、4G 模塊、STM32F407 單片機(jī)結(jié)合起來(lái)完成系統(tǒng)的整體測(cè)試。

4.1 4G 模塊通信測(cè)試

4G 模塊通信測(cè)試主要目的是了解MQTT 連接及訂閱報(bào)文的形式,模擬MQTTBOX 通信過(guò)程中發(fā)送連接及訂閱報(bào)文,并能夠收到相應(yīng)格式的回復(fù)報(bào)文,以此判斷4G 模塊模擬MQTTBOX 通信是否成功。 打開(kāi)4G模塊測(cè)試軟件,將IP 地址及端口號(hào)配置成阿里云服務(wù)器的IP 地址和端口號(hào),并將4G 模塊與STM32F407 單片機(jī)波特率配置為115 200,數(shù)據(jù)位為8 位,停止位為1位,無(wú)奇偶校驗(yàn)位。

4.2 MQTTBOX 通信測(cè)試

MQTTBOX 是一個(gè)具有友好的可視化界面的MQTT 客戶(hù)端工具,有以下特點(diǎn):支持TCP, Web Sockets,并且支持安全的Web Sockets 連接MQTT 服務(wù)器；能夠發(fā)布和訂閱多個(gè)主題,其中主題能夠進(jìn)行單級(jí)和多級(jí)訂閱。

打開(kāi)MQTTBOX,點(diǎn)擊設(shè)置按鈕,進(jìn)入界面設(shè)置MQTT CLIENT 的參數(shù),如客戶(hù)端名字、連接所使用的協(xié)議、用戶(hù)名、主機(jī)地址及端口號(hào)、密碼、服務(wù)質(zhì)量等級(jí)等,并且可以根據(jù)需要設(shè)置連接超時(shí)時(shí)間。 設(shè)置完成后,返回界面,添加Publisher 和Subscriber,發(fā)布和訂閱消息,可以看到訂閱方能夠成功地收到發(fā)布方的消息。

4.3 整體測(cè)試

模塊測(cè)試成功后,將上位機(jī)、4G 模塊、STM32F407單片機(jī)連接上電,調(diào)試系統(tǒng)軟件。 圖2 是系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)框圖,通過(guò)觀察LED 燈的變化和MQTTBOX 的訂閱消息來(lái)判斷相應(yīng)的報(bào)文是否發(fā)送成功。

圖2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程

代碼調(diào)試完成后,在MQTTBOX 上訂閱主題為“/sensor/data”的內(nèi)容,可以在訂閱框中看到STM32F407單片機(jī)模擬MQTTBOX 在一定時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)布的溫度消息,溫度值會(huì)以0.5 的差值不斷往上增加,直到最大值為38。 與此同時(shí),在Thingsboard 上可以接收到STM32F407 單片機(jī)模擬MQTTBOX 發(fā)布的消息,相應(yīng)設(shè)備的溫度值與MQTTBOX 訂閱消息框中接收的值同步變化。

5 結(jié)語(yǔ)

4G 技術(shù)已經(jīng)日趨成熟,應(yīng)用場(chǎng)景也逐漸多元化,本系統(tǒng)瞄準(zhǔn)4G 技術(shù)在廣域物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用,4G 模塊充當(dāng)智能網(wǎng)關(guān)角色,管理人員可以在云服務(wù)器中查看并管理4G 智能網(wǎng)關(guān)所管理的各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息。 同時(shí),系統(tǒng)中使用的MQTT 輕量級(jí)消息傳輸協(xié)議為低帶寬網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳感器和通信設(shè)備提供了良好的選擇,不但能夠提供實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)傳輸,同時(shí)支持多個(gè)訂閱方訂閱同一主題,特別適合應(yīng)用在被視為繼互聯(lián)網(wǎng)之后的又一次信息技術(shù)革命浪潮的物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中,具有很高的應(yīng)用價(jià)值。