基于STM32的NB-IoT模块实验

实验内容

搭建实验硬件环境；
下载程序；
使用NB-IoT模块接入OneNET云平台。

实验目的

熟悉NB-IoT模块的使用；
了解CoAP（LWM2M）协议；
掌握NB-IoT连接OneNET平台方法。

实验环境

实验所需硬件

序号	名称	数量	备注
1	电脑	1台	系统Windows7及以上
2	STM32底座模块	2个	·
3	NB-IoT模块	1个	·
4	NB-IoT卡	1张	·
5	天线	1根	·
6	ST-Link下载器	1个	·
7	ST-Link下载器连接线	1根	·
8	NB-IoT 连接OneNET实验代码	1份	·

实验所需软件

MDK5 安装步骤
ST-LINK 驱动安装步骤
Git 软件下载(可选)

ST-Link下载器 & ST-Link下载器连接线

STLink下载器

STM32底座：HIVE PRO STM32是一种基于STM32F103C8T6芯片的蜂巢底座。

STM32底座

NB-IoT模块

实验要求

理解实验原理；
了解OneNET云平台；
熟悉连接云平台流程；
掌握OneNET云平台创建应用方法。

实验原理

NB-IoT简介

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，NB-IoT射频带宽为200kHz。下行速率：大于160kbps，小于250kbps。上行速率：大于160kbps，小于250kbps(Multi-tone)/200kbps(Single-tone)。可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网（LPWAN）。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。NB-IoT设备电池寿命可以提高至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。

NB-IoT无线技术特点

广覆盖。相比现有的GSM、宽带LTE等网络覆盖增强了20dB，信号的传输覆盖范围更大（GSM基站目前理想状况下能覆盖35km），能覆盖到深层地下GSM网络无法覆盖到的地方。其原理主要依靠：
- 缩小带宽，提升功率谱密度；
- 重复发送，获得时间分集增益。
大连接。相比现有无线技术，同一基站下增多了50-100倍的接入数，每小区可以达到50K连接，真是实现万物互联所必须的海量连接。其原理在于：
- 基于时延不敏感的特点，采用话务模型，保存更多接入设备的上下文，在休眠态和激活态之间切换；
- 窄带物联网的上行调度颗粒小，资源利用率更高；
- 减少空口信令交互，提升频谱密度。
低功耗。终端在99%的时间内均处在休眠态，并集成多种节电技术，待机时间可达10年。1、PSM低功耗模式，即在idle空闲态下增加PSM态，相当于关机，由定时器控制呼醒，耗能更低；2、eDRX扩展的非连续接收省电模式，采用更长的寻呼周期，eDRX是DRX耗电量的1/16。
低成本。硬件可剪裁，软件按需简化，确保了NB-IoT的成本低廉，NB-IoT通信单模块成本不足5美元。
NB-IoT因其适用的场景，还具有低速率和低移动性的特点。
- 低速率。多点上行速率仅为56kbps，理想下行速率为21.25kbps；
- 低移动性。仅支持终端设备在30km/h的移动速率下实现小区切换，远低于4G支持250km/h的速率（高铁专网可达450km/h）。

NB-IoT模块电路图

NB-IoT模块介绍（M5310）

M5310 模块是一款工业级的两频段 NB-IoT 无线模块，其工作频段是 Band 5 或Band 8，它主要应用于低功耗的数据传输业务，满足 3gpp Release13 标准。M5310是 LCC 封装的贴片式模块， 30 个管脚，尺寸仅有 19mm×18mm×2.2mm。 M5310 内置 UDP/CoAP 等数据传输协议及扩展的 AT 命令，模块采用了低功耗技术，电流功耗在深度睡眠模式低至 5uA。模块实物正面图如下图所示：

NB-IoT模块实物正面图

实验步骤

① OneNET平台上创建上应用，参考oneNET平台应用手册注册帐号并创建应用。

② 将NBIOT卡片安装到NBIOT模块上，NBIOT模块安装天线，然后安装于底座，STLink连接STM32底座与电脑，如下图所示：
安装模块

③ 访问github,进入github界面后点击Code，Clone HTTPS安全链接，如下图所示：

操作步骤

④ 打开电脑终端，进入工作目录workspace (workspace 为工程文件夹所在目录)：

$ cd workspace

⑤ 运行clone命令：

$ git clone https://github.com/aiotcom/eps.git  

下载目录至指定文件夹下。
如果提示“command not found”表示电脑没有安装Git，请至Git官网下载。
如果电脑没有安装 Git 软件，也可以进入Github，点击 Code -> DownLoad ZIP 下载所有工程代码。如下图所示：
下载代码
如果电脑没有公网，可以进：D盘\实验教程与代码选择相应的代码。

⑥ 打开MDK5工程软件，点击工具栏： ` Project -> Open Project，选择工程文件：基于STM32的模块实验\11.NB-IOT模块\NB-IoT模块程序\USER\NB-IoT.uvprojx` 并打开。

打开工程选择工程

⑦ 工程启动后，打开main.c，修改其中的IMEI码，其中IMEI码从模组上读取，然后保存。

读取IMEI

⑧ 点击 Rebuild 重新编译。如下图：

重新编译工程

⑨ 编译成功，如下图：

编译成功

⑩ 点击 Download 按钮下载程序，如下图所示：

下载程序下载成功

⑪ 下载完成后，将USB线进行重连操作（即：将STLink的USB线从底座上取下，再重新接上），等待约30s（如果信号差等待时间会更长一些）。

⑫ 创建应用完成后。点击“应用管理”查看应用中仪表盘的变化。在程序中模拟了一组温湿度参数，传送到平台，如下图：实验结果

代码讲解

① 程序目录结构，如下图。CORE文件夹为STM32内核代码，HALLIB文件文件夹为底层HAL库文件。我们主要关心，main.c及HARDWARE中的代码。

② main.c中对串口、NBIOT模组M5310进行初始化,发起OneNET登陆请求。完成登陆后每5秒向OneNET平台发送一次数据。

    {
        HAL_Init();//初始化HAL库  
        Rs485_Init();//初始化485
        Platform_LED_Init();
        M5310_Power_Init();//M5310的复位控制IO初始化
        UART1_Init(115200);//初始化串口1
        UART2_Init(9600);//初始化串口2
        netdev_init();//初始化M5310
        init_miplconf(86400,coap_uri,endpoint_name);//上报注册码
        Subscription_esources();//订阅 Object 组配置
        m5310_register_request();//发出登陆请求
        delay_ms(1000);
        TIM2_Init(1000-1,64-1);//初始化定时器2(1ms)
        Ticks_SendData = HAL_GetTick() + 10000; 
        Platform_LED_Green();
        while(1)
        {
            msgcode = Msg_Handler();//返回数据解析
            USART_Data_Send();//串口数据发送
            if(HAL_GetTick() > Ticks_SendData){
                memset((void*)SendOneNET,0,10);
                sprintf((char *)SendOneNET,"%0.2f",temp);
                m5310_notify_upload(&temp_uri,NBIOT_FLOAT,(char*)&SendOneNET[0],1,0);//上传温度数据
                
                memset((void*)SendOneNET,0,10);
                sprintf((char *)SendOneNET,"%0.2f",humi);
                m5310_notify_upload(&humi_uri,NBIOT_FLOAT,(char*)&SendOneNET[0],1,0);//上传湿度数据
                Ticks_SendData = HAL_GetTick() + 5000;//5秒后在次发送
                humi++;
                if(humi>50){
                    humi = 30;
                }
                temp++;
                if(temp>60){
                    temp = 10;
                    }
                }      
            }
    }

m5310_notify_upload()函数将数据传送到OneNET平台上：

    sprintf((char *)SendOneNET,"%0.2f",humi);
	m5310_notify_upload(&humi_uri,NBIOT_FLOAT,(char*)&SendOneNET[0],1,0);//上传湿度数据
    Ticks_SendData = HAL_GetTick() + 5000;//5秒后在次发送
    humi++;
    if(humi>50){
        humi = 30;
    }
        temp++;
    if(temp>60){
        temp = 10;
    }

常见问题

弹出警告窗口，不能下载程序。
- 请确认STLink驱动、STM32F103C8的DFP包是否安装。
- STLink仿真器是否正常接入。
下载代码后程序没观察到实验现象。
- 请重新上电，或者按下底座上的复位按键。
- 模块没有安装稳妥。
OneNET平台设备没有上线。
- 代码中IMEI码、创建的设备IMEI及模组的IMEI是否一致。

实验思考

当温湿度数据变化时才向OneNET平台发送数据。