譚方勇，瞿偉，劉子寧，王昂

（蘇州市職業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，蘇州 215104）

0 引言

NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的一種基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，它具有低功耗、低速率、廣覆蓋、大連接等主要特點(diǎn)，2016 年，3GPP 發(fā)布了 NB-IoT 的物理層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，也標(biāo)志著NB-IoT 正式走向市場(chǎng)[1]。因此，NB-IoT 技術(shù)在很多垂直行業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用需求，特別是在大型的社會(huì)公共事業(yè)領(lǐng)域，如城市道路的智慧停車管理[2]、智慧路燈管理[3]、智能燃?xì)獗磉h(yuǎn)程抄表[4]等應(yīng)用。在這些行業(yè)應(yīng)用中，基于NB-IoT 的終端設(shè)備需要通過(guò)NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸?shù)竭\(yùn)營(yíng)商的IoT 聯(lián)接管理平臺(tái)，這就需要有信號(hào)可靠的NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)來(lái)支撐，從而保證終端能夠正常接入網(wǎng)絡(luò)并上報(bào)或接收下發(fā)數(shù)據(jù)。

1 需求分析

目前，我國(guó)主要由三大運(yùn)營(yíng)商來(lái)建設(shè)、管理和運(yùn)營(yíng)NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營(yíng)商需要從物聯(lián)網(wǎng)卡、終端模組、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、核心網(wǎng)以及平臺(tái)等多方面進(jìn)行端到端的測(cè)試和驗(yàn)證[5]，其中NB-IoT 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的覆蓋面以及信號(hào)質(zhì)量的好壞決定了每一個(gè)NB-IoT 終端運(yùn)行時(shí)通信的可靠性，因此，在部署這些終端時(shí)，對(duì)信號(hào)質(zhì)量的測(cè)試尤為重要，如果某個(gè)地點(diǎn)信號(hào)較弱或者無(wú)信號(hào)覆蓋，則在終端設(shè)備沒(méi)有問(wèn)題的前提下，通知運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)優(yōu)化人員來(lái)優(yōu)化基站參數(shù)。

NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的主要參數(shù)指標(biāo)有SINR、RSRP、RSRQ 以及 RSSI 等。其中，SINR（Signal to Interference plus Noise Ratio，信號(hào)與干擾加噪聲比）簡(jiǎn)稱信噪比，用來(lái)表示接收到的有用信號(hào)的能量遷都與干擾信號(hào)強(qiáng)度的比值；RSRP（Reference Signal Receiving Power，參考信號(hào)接收功率）用來(lái)表示接收到的信號(hào)的強(qiáng)度，它跟SINR 結(jié)合來(lái)判斷無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)鍵指標(biāo)。RSRQ（Reference Signal Receiving Quality，參考信號(hào)接收質(zhì)量）和 RSSI（Received Signal Strength Indication，接收信號(hào)強(qiáng)度指示）這兩個(gè)指標(biāo)也是無(wú)線信號(hào)質(zhì)量判斷的關(guān)鍵因素。

NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的檢測(cè)方式目前主要有通過(guò)計(jì)算機(jī)串口連接至有NB-IoT 通信模組的開(kāi)發(fā)板或測(cè)試設(shè)備，然后在計(jì)算機(jī)端用串口調(diào)試助手發(fā)送AT 指令的方式獲取參數(shù)值，也可以通過(guò)手機(jī)USB 串口連接至測(cè)試設(shè)備，并編寫串口通信軟件來(lái)發(fā)送指令給測(cè)試設(shè)備來(lái)獲取信號(hào)參數(shù)值。前者測(cè)試信號(hào)時(shí)不太容易攜帶，后者則必須一根帶數(shù)據(jù)通信功能的USB 通信線纜才能進(jìn)行測(cè)試，也不是很方便。本文設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙透?jìng)髂Ｊ降腘B-IoT 信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，手機(jī)測(cè)試的App軟件利用手機(jī)的藍(lán)牙功能與信號(hào)檢測(cè)儀中的藍(lán)牙模塊進(jìn)行通信連接，測(cè)試時(shí)，App 直接可以通過(guò)藍(lán)牙通信來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的測(cè)試，既便捷又能很好地滿足信號(hào)的測(cè)試要求。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1 所示，Android 測(cè)試App軟件通過(guò)藍(lán)牙通信協(xié)議與NB-IoT 信號(hào)檢測(cè)儀建立通信連接，并發(fā)送AT 信號(hào)測(cè)試指令，NB-IoT 信號(hào)檢測(cè)儀的藍(lán)牙模塊接收AT 指令后，將指令通過(guò)透?jìng)髂Ｊ桨l(fā)送給NB-IoT 通信模組，通信模組與NB-IoT 基站通過(guò)CoAP 協(xié)議建立通信連接，并由基站返回結(jié)果給模組，再有信號(hào)檢測(cè)儀的藍(lán)牙模塊將該結(jié)果透?jìng)鹘oAndroid測(cè)試App。App 將收到測(cè)試信號(hào)的信息通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)上傳至云端服務(wù)器進(jìn)行記錄存儲(chǔ)，并提供聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)進(jìn)行Web 應(yīng)用訪問(wèn)，查詢相應(yīng)位置的信號(hào)參數(shù)情況。

圖1 NB-IoT信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 藍(lán)牙通訊接口電路設(shè)計(jì)

采用匯承公司的藍(lán)牙4.0（HC-08）或藍(lán)牙4.0/2.0（HC-02）模塊，安裝不同的模塊時(shí)兼容藍(lán)牙4.0 和2.0通訊方式。便于后期App 程序開(kāi)發(fā)。預(yù)留連接狀態(tài)指示燈及通訊指示燈。如圖2 所示，引腳1、2 分別為發(fā)送（TXD）和接收（RXD），分別與 NB-IoT 模組的接收和發(fā)送引腳相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透?jìng)鳌?/p>

圖2 藍(lán)牙通訊接口電路

3.2 NB-IoT通訊電路及天線設(shè)計(jì)

NB-IoT 通訊電路及天線設(shè)計(jì)如圖3 所示，NB-IoT模組采用移遠(yuǎn)公司BC95-G 型模組，引腳29、30 為連接藍(lán)牙模塊的發(fā)送、接收引腳。同時(shí)，預(yù)留了引腳15為復(fù)位按鍵及調(diào)試升級(jí)接口。引腳38-40 用來(lái)連接物聯(lián)網(wǎng)SIM 卡槽。

圖3 NB-IoT通訊電路及天線

3.3 SIM卡接口電路設(shè)計(jì)

SIM 卡接口電路設(shè)計(jì)專用TVS 吸收電路及隔離電路，防止在拔插SIM 時(shí)產(chǎn)生干擾及靜電損壞集成電路芯片。

圖4 SIM卡接口電路

4 軟件系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)

4.1 手機(jī)與信號(hào)檢測(cè)儀藍(lán)牙通信流程設(shè)計(jì)

在Android 中實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙通信需要打開(kāi)手機(jī)的藍(lán)牙權(quán)限，其通信流程如圖5 所示，并需要在工程在An?droidManifest.xml 文件中需要設(shè)置藍(lán)牙訪問(wèn)的允許權(quán)限代碼。

圖5 藍(lán)牙通信流程

4.2 藍(lán)牙透?jìng)魍ㄐ诺能浖?shí)現(xiàn)

信號(hào)檢測(cè)儀上的NB-IoT 模組與藍(lán)牙模組之間通過(guò)RS-232 串口進(jìn)行連接，手機(jī)端發(fā)送的NB-IoT 的AT 指令通過(guò)BLE4.0 藍(lán)牙協(xié)議發(fā)送給藍(lán)牙模組，藍(lán)牙模組則通過(guò)RS-232 串口直接將指令發(fā)送給NB-IoT模組，其中不改變?nèi)魏螀f(xié)議，實(shí)現(xiàn)透明傳輸。

藍(lán)牙連接成功之后，開(kāi)始搜索服務(wù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)服務(wù)時(shí)，調(diào)用回調(diào)，表示通信建立成功。隨后對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行回調(diào)使用，驗(yàn)證是否寫入成功，為讀取數(shù)據(jù)建立連接，代碼如下：

發(fā)送數(shù)據(jù)后（寫入結(jié)果）的回調(diào)，用于判斷是否寫入成功，代碼如下：

對(duì)藍(lán)牙接收數(shù)據(jù)的處理代碼如下：

4.3 異步通信的問(wèn)題解決

在上面硬件連接設(shè)計(jì)中，藍(lán)牙模組與NB-IoT 模組之間主要采用UART 異步串行通信。發(fā)送方和接收方隨時(shí)都可能發(fā)送或接收到數(shù)據(jù)，在正常開(kāi)始中就設(shè)置接收監(jiān)聽(tīng)。數(shù)據(jù)幀的形式大多是流式數(shù)據(jù)，傳輸過(guò)程中存在隨機(jī)間隔甚至沒(méi)有間隔等情況，必須添加特定位來(lái)進(jìn)行區(qū)分。（特定位指開(kāi)始位和結(jié)束位或固定數(shù)據(jù)長(zhǎng)度）。利用NB-IoT 的AT 指令的固有特性，以回車換行符（ ）作為停止位，對(duì)每一段數(shù)據(jù)幀進(jìn)行直接標(biāo)識(shí)，來(lái)確定每一段完整的數(shù)據(jù)的結(jié)束。

在異步串行通信中，有可能要多次回調(diào)才能得到完整的數(shù)據(jù)，也有可能一次獲得多個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀，在異步串行通信中的流傳輸中，因?yàn)槎啻位卣{(diào)會(huì)收到不同的數(shù)據(jù)，此時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行拆分和組合，獲得一個(gè)完整的數(shù)據(jù)。在進(jìn)行AT 指令測(cè)試時(shí)，接收方接收到數(shù)據(jù)的同時(shí)發(fā)送方可以繼續(xù)發(fā)送AT 指令測(cè)試，接收方會(huì)邊處理邊返回正常信息，并把完整的信息顯示在界面上。

完成數(shù)據(jù)透?jìng)鬟^(guò)程后，對(duì)NB-IoT 模組實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀的檢測(cè)功能時(shí)，直接使用AT 指令進(jìn)行拆包，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行區(qū)分和組合，從而獲得一個(gè)完整的數(shù)據(jù)幀。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著NB-IoT 窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各個(gè)垂直行業(yè)中的不斷推廣和應(yīng)用，其網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的質(zhì)量顯得越來(lái)越重要，因?yàn)閮?yōu)良的信號(hào)質(zhì)量能夠保證NB-IoT 終端能夠接入到網(wǎng)絡(luò)并上報(bào)和接收下發(fā)數(shù)據(jù)。NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)目的主要是幫助NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員、工程師以及用戶來(lái)測(cè)試NB-IoT 終端所在區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，可靠性、便攜性是信號(hào)檢測(cè)設(shè)備的主要需求，基于藍(lán)牙透?jìng)髂Ｊ降腘B-IoT 信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)不僅簡(jiǎn)化了通信方式，對(duì)位置的信號(hào)參數(shù)進(jìn)行云存儲(chǔ)，記錄已經(jīng)測(cè)試過(guò)的位置上的信號(hào)質(zhì)量，方便檢測(cè)人員后期查看。NB-IoT信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)在推動(dòng)應(yīng)用部署工作的便捷性的同時(shí)，也幫助了運(yùn)營(yíng)商進(jìn)一步完善對(duì)于信號(hào)測(cè)試方面的服務(wù)，對(duì)于檢測(cè)和建設(shè)NB-IoT 基站提供更好的技術(shù)支持，具有良好的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)推廣前景。