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若干物联网无线技术 - NB-IOT、LoRa、433、GPRS、2.4G、PKE近场通信,基础理论总结
2022-11-07 21:28:59 2008次浏览

一、无线通信开发绪论

1、所有的无线通讯:都是有线转无线的形式;

2、市面上的许多无线技术的根本区别:

  1)工作频率;

  2)通讯机制不同;

3、频率越低,射频穿透力就越强,传播距离越长;

4、技术分类:

  1)带协议栈(蓝牙、Zigbee、Wifi) ;

  2)不带协议栈:(红外、RFID、PKE、NFC);

5、无线开发相对较难的原因:

  1)难以知道具体空中通讯发生了什么;

  2)频率的捕捉需要专用的仪器;

  3)会随着环境变化而变化;

6、开发重点就在于稳定性

7、各类无线通信对比:


二、NB-IOT理论基础与开发

1、NB-IOT专业名词缩略语:

  1)IOT:internet of thing;

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

  3)IMEI:international mobile equipment identity 国际移动设备识别码;

  4)OneNET:中国移动PaaS物联网开放平台;

  5)CIoT:蜂窝物联网;

  6)M2M:Mobile-To-Mobile

  7)3GPP:以GSMMAP核心网为基础,以WCDMA为无线接口制定第三代移动通讯标准;

2、IOT开发涉及到许多协议栈;

3、各种云的接入方式大致相同的,不同的是接入方式和协议支持,只要理解整个流程即可;

4、Modbus(类似于TCP/IP协议): 是一个串行通信协议,一个工业通讯系统;

5、心跳包:通常是客户端每隔一小段时间向服务器发送的一个数据包,通知服务器自己仍在线,并传输一些可能有必要的数据,以保持长连接;

6、NB-IOT与GPRS的区别:

  1)硬件上:1)接口相同; 2)工作频率方面:同样是850MHz/900MHz(但这些频段资源珍贵);

  2)软件上:遵循的协议有所不同;

  3)协议栈上:

    (1)NB-IOT:基于LTE(4G)协议栈设计的,但裁减了一些不必要的功能,减少了协议栈处理流程的开销;

    (2)CoAP协议:支持对接各类云服务:透传云、电信IOT平台、移动OneNet等;

    (3)TCP/UDP:移动支持,电信不支持;

7、通讯模型:

  1)目前只有电信/移动支持IOT平台,并且电信存在IP访问限制(仅可访问电信云、华为云、透传云等少量私有IP)

  2)基站的建设形式:在4G FDD基站上进行升级实现部署; https://mp.ofweek.com/fiber/a245663629506

8、通信信号:

  1)NB的接受灵敏度很高,穿透力强(覆盖室内和地下室);

  2)NB接入基站的终端数是GSM的50-100倍,网络覆盖范围比GSM增强20dBm,覆盖面积扩大100倍;

  3)功耗极低,电池供电待机可长达10年以上;

9、帧结构:与LTE帧结构一致:每个时隙0.5ms,2个时隙就组成了一个子帧(SF),10个子帧组成一个无线帧(RF);

10、小区重选和移动性;

11、模块的工作模式:CoAP:专为低功耗互联网应用设计的协议栈;

12、NB低功耗的实现(参数可自由定制,类似于蓝牙,zigbee):

  1)PSM模式:NB的睡眠模式;

  2)eDRX:监听间隔;

13、NB是一个窄带通讯协议,并发性有限,不建议频繁通讯占用带宽;

14、模组注网能耗、上报数据能耗与信号覆盖强度成反比!!

15、NB-IOT开发中的问题和难点:信号不稳定情况(GPRS也存在);

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

17、LWM2M/MQTT/COAP协议的区别和联系:https://cloud.tencent.com/developer/news/19866

18、NB-IOT的通讯模型细节:


三、LoRa理论基础与开发

*LoRa技术特点(类似于蓝牙/zigbee/wifi这些局域网,但具备超远距离的能力)

1、属于局域网的一种,433MHz技术的协议栈体现;

2、点对点传输(终端之间直接通讯);集中式传输(终端到路由);

3、传输距离大约几公里;功耗低,传输流量小;

4、使用频段(ISM频段):433MHz / 868MHz / 915MHz ;

5、LoRa缩略语:

  1)LoRa:Long Range Radio

  2)LPWAN:Low-Power Wide Area Network 低功耗广域物联网

6、LoRa无线技术详细介绍:https://baijiahao.baidu.com/s?id=1606842460149901600&wfr=spider&for=pc

7、LoRa的通讯模型1

8、LoRa的通讯模型细节2


四、433技术理论基础与开发

1、433概述:

  1)通讯速率低:9600bps; 安全性较差; 但通讯距离,穿透力很强;

  2)只支持星型拓扑关系;

  3)433的不同形式:

    (1)集成芯片(可以跑协议栈 ,具体例子LoRa ):连接、组网、遍历不同频段等功能;

    (2)MCU+射频IC:发射固定序列数据;固定频段发送;

2、zigbee wifi 433技术的对比: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与红外的区别:https://zhidao.baidu.com/question/1367550772603320899.html

  1)传输介质不一致(433是无线电传输,红外是红外光传输),传播方向性不同;

  2)传输距离,加密技术等;

5、433编码形式:

  1)固定码:明文传输;

  2)滚动码:保密性强,每次发射后自动更换编码;地址数量大于10万组,使用中“重码”的概率极小;

6、433三轴天线参数:

  1)谐振频率;

  2)感应电流:

7、433开发中的问题和难点:

  1)低功耗的实现是433最大的难点;

  2)接收端与发射端的功耗关系:

    (1)发射信号越弱,接收端消耗的功耗就越大;

    (2)控制发射端与接收端的射频时间间隔;实现不同的功耗搭配;

8、ASK:Amplitude Shift Keying 幅移键控

9、低功耗433方案设计:

  1)遥控发射方案:HD8301晶振+SC3356

  2)低功耗实现:

    (1)定时唤醒接收;

    (2)时间压缩比尽量高;

  3)中断接收注意不要处理太多,例如打印语句都需要尽量减少,做到最简,保证数据接收的完整性;

10、433通讯细节:


五、GPRS通信理论与开发

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

2、GSM系统组成:https://blog.csdn.net/maochengtao/article/details/8997311

3、GSM工作条件: GSM 是时分多址,在发送时隙时会导致瞬时电流波动,由此会出现电压纹波现象。此时如果不处理妥当,这些频繁的电压纹波将会降低模块的性能。建议将此纹波控制在 300mV 以内。在任何情况下,模块的供电都不应该低于它的最小电压。

4、手机业务的区分:GPRS业务、mobus业务、语音业务、数据业务信息;

5、GPS通讯模型:卫星信号->GPS接收解释->GPRS/GSM->目标终端(手机、PC);

6、SIM:Subscribe Identification Module,用户身份识别卡、智能卡,GSM数字移动手机上必须要有;

  1)分类:standard SIM(1FF) Mini SIM(2FF) Micro SIM(3FF) Nano SIM(4FF) Embedded-SIM,尺寸大小以及储存介质不一致;

  2)组成:CPU ROM RAM EEPROM和I/O口应用;

  3)供给GSM网络客户身份进行鉴别( 即存放了密匙信息 );

  4)20位ICCID卡号,4位SIM密码(PIN码),PUK密码;

  5)鉴权过程:手机GPRS向网络发出入网请求->网络回复一随机字符串->手机接收,并将其交给SIM卡->SIM卡运算出特定结果->返回运算结果;

7、IMEI/ICCI发回网络,网络读取ICCID->通过网络验证,并下发KC码,完成入网过程;

8、BSS:基站子系统;

  1)基站子系统的组成:

    (1)基站收发信台(BTS:手机信号的收发)

    (2)基站控制器(BSC:控制功能)

    (3)码变换和速率适配器(XCDR:数据编码) 、

    (4)无线操作做维护中心(OMC_R:用户操作和维护功能)

  2)作用:基站的作用是中继作用,基站与基站之间通过无线信道进行连接,终点是主基站;

  3)各个基站组成蜂窝网络(基站布局组建十分重要),覆盖的地方就可以完成手机通讯;

  4)天线类型:发全向、定向 ;组合收全向、定向;

  5)频率分类: 766.9125-791.8875MHz;每个用户的通讯都将占用一个信道;

  6)基站子系统与MSC以及移动终端通讯通过A口和Um接口(空口),专用的接口完成的;

  7)基站的分类:宏基站、微基站、微微基站、分布式基站(基带单元BBU和远端射频单元RRU);

9、MS(mobile station):移动台;

  1)移动用户的终端设备;

  2)分类:车载型(开发难度大)、便携型、手持型(手机、对讲机(免费的));

  3)组成:移动终端(MT)、客户识别卡(SIM);

  4)不同应用、地区采用不同的通信频道(通用、专用):国际频道、美国频道、加拿大频道;气象频道;

10、GPS需要在室外使用,室内没有卫星信号(中国卫星:北斗BDS 美国卫星:GPS ;两个卫星的协议不一样,因此支持两个,需要双模); 其他卫星: 俄国卫星:GLONASS 、欧盟卫星:伽利略;

11、需要外接有源天线;

12、数据以星历形式储存,描述卫星位置和速度信息;

13、定位一般在正负5米(CEP),捕获时间一般在半分钟内;

14、通讯协议:

  1)NMEA:传出串口数据;

  2)UBX Binary:配置GPS模块的参数;

15、数据含义较多:多多联系理解;

  1)UTC+时区差=本地时间;

  2)GPS经纬度数据可以转化为百度、google格式;

16、硬件连接:PPS:时钟脉冲;

17、冷启动、温启动和热启动;

18、通过卫星可以获取的信息:定位(经纬度);时区时间;海拔高度;

19、模块会自动获取信号最好的四颗卫星来进行定位;

20、常用协议:MQTT,

21、硬件上:与其他类型的无线( 蓝牙、zigbee、wifi )原理应该是一样的,发射模块发射特定的频率频段;

  1)内部集成了TCP/IP协议,作为GPRS MODEM角色存在;

22、电源滤波需要加1000uf电容?GPRS启动电压波动很大;

23、GPRS开发中的问题和难点:

  1)GPRS网络存在不稳定、网络差现象,会出现掉包情况;

  2)主控制器(内嵌TCP/IP)要实现IP设计,使用起来比较复杂;

  3)上位机基于互联网的解决方案保密性比较差;

24、GPRS缩略语:

  1)GSM->Global System of Moile communication;

  2)GPRS->Gerneral Packer Radio Service;

  3)MQTT : Message Queuing Telemetry Transport, 消息队列遥控传输,是一个即时的通讯协议;

  4)CSD:电路交换;

  5)SGSN:服务支持节点(硬件设备);

  6)GGSN:网关支持节点(硬件设备);

  7)MSC:移动交换中心;

  8)BSS:基站子系统;

  9)MS:移动台;

25、机智云平台(已实现全球服务器部署):

  1)GAgent:机智云固件;

  2)通讯模型:MCU->GPRS(BLE WiFi、Nb-Iot)[ 统称GAgent通讯模组,烧录了对应的程序固件 ]->附着公众网->机智云服务器->附着公众网->移动端(PC、手机);

  3)通讯:配置入网->发现服务(侦听)->连接->控制->状态上报->警报通知;

  4)采用的协议:机智云私有协议;

  5)GAgent通讯模组是机智云与各大厂商共同定制开发的套件;

  6)机智云的开发模型:



26、通讯模型:

  1)基站系统:


  2)GPRS的通讯模型细节:



六、2.4G技术理论基础与开发

1、应用:无线遥控、无线鼠标、无线键盘、无线电子标签、遥控玩具、2.4g无线扩音器、无线麦克风、无线音箱;

2、2.4G无线鼠标与蓝牙鼠标的对比:

  1)通讯制式不一致(2.4G是FSK调制的);

  2)2.4G必须是收发一一对应,也可以选择1对6模式;

  3)2.4G传输距离要高,一般在几百米左右;

  4)2.4G传输速率要高,耗电要小;


3、芯片NRF24L01:

  1)采用自身Enhanced Short Burst协议;

  2)模块的使用方式类似(蓝牙模块),各种模式的灵活运用,收发数据的控制相对来说复杂一点;

4、项目出现的问题以及解决:出现过复位脚由于布线不合理,导致受到影响,整个系统一直复位;解决是采用地线保护重要的线路;


七、PKE无线通信(近场通信)与开发

1、滚动码加密技术: 原始代码、加密钥匙以及同步码经过Keelop算法加密后,产生32Bit高度保密的滚动码。

2、PKE近场通信总体设计框架(遥控器+主机):

  1)遥控器:接受低频125K数据->合法数据->唤醒MCU->发送高频滚码数据(固定的编程数据,由滚动码芯片自动完成);

  2)主机:定时发送低频125K数据(固定的编程数据)->定时接受高频数据->轮询检查高频接受数据(如果接受到则进行指定动作)(处理数据有两种模式:学习模式(储存遥控器数据)和正常模式(执行指定动作));

3、PKE项目开发出现的问题以及解决:

  1)通讯距离短:

    (1)天线发射芯片重新选型;

    (2)天线重新选型;

    (3)避免让金属阻挡信号;

  2)逻辑关系比较复杂:

    (1)通过实际应用进行适当的调整;

  3)无线互相干扰问题(同频干扰):

    (1)分频、分时、缩短感应距离;

    (2)通讯时,尽可能时间短、周期长;


原文链接:https://blog.csdn.net/STCNXPARM/article/details/105611231


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