若干物联网无线技术 - NB-IOT、LoRa、433、GPRS、2.4G、PKE近场通信，基础理论与开发点滴总结

在项目实践学习中记录的点滴笔记，整理成章，希望能给大家提供工作与学习思路。
往期文章
1、无线通信项目开发 - NB-IOT、LoRa、433、GPRS、2.4G、PKE近场通信，基础理论与开发点滴总结
2、蓝牙无线技术(BLE)与开发点滴总结
3、Zigbee无线技术与开发点滴总结
4、WIFI无线技术与开发点滴总结

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、分类：一、带协议栈(蓝牙、Zigbee、Wifi) 二、不带协议栈：(红外、RFID、PKE、NFC)
5、无线开发相对较难的原因：
  a、难以知道具体空中通讯发生了什么；
  b、频率的捕捉需要专用的仪器；
  c、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：
  a、IOT：internet of thing；
  b、NB-IOT：narrow band internet of thing；
  c、IMEI：international mobile equipment identity 国际移动设备识别码；
  d、OneNET：中国移动PaaS物联网开放平台；
  e、CIoT：蜂窝物联网；
  f、M2M：Mobile-To-Mobile
  g、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：
  a、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)；
  b、软件上：遵循的协议有所不同；
  c、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：
  a、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)
  b、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：
  a、NB的接受灵敏度很高，穿透力强(覆盖室内和地下室)；
  b、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；
  c、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)：
  a、PSM模式：NB的睡眠模式；
  b、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：
  a、LoRa：Long Range Radio
  b、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：
  a、通讯速率低：9600bps； 安全性较差； 但通讯距离，穿透力很强；
  b、只支持星型拓扑关系；
  c、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
  a、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；
  b、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：
  a、低功耗的实现是433最大的难点；
  b、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：
  a、遥控发射方案：HD8301晶振+SC3356
  b、低功耗实现：
    1）定时唤醒接收；
    2）时间压缩比尽量高；
  c、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；
  a、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；
  b、组成：CPU ROM RAM EEPROM和I/O口应用；
  c、供给GSM网络客户身份进行鉴别( 即存放了密匙信息 )；
  d、20位ICCID卡号，4位SIM密码(PIN码)，PUK密码；
  e、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；
  a、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)
  b、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；
  c、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；
  d、天线类型：发全向、定向 ；组合收全向、定向；
  e、频率分类： 766.9125-791.8875MHz；每个用户的通讯都将占用一个信道；
  f、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；
  g、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；
  a、移动用户的终端设备；
  b、分类：车载型(开发难度大)、便携型、手持型(手机、对讲机(免费的))；
  c、组成：移动终端(MT)、客户识别卡(SIM)；
  d、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)；
  a、四大卫星：1） 俄国卫星：GLONASS 2）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：
  a、NMEA：传出串口数据；
  b、UBX Binary：配置GPS模块的参数；
15、数据含义较多：多多联系理解；
  a、UTC+时区差=本地时间；
  b、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；
  a、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：
  a、GPRS网络存在不稳定、网络差现象，会出现掉包情况；
  b、主控制器(内嵌TCP/IP)要实现IP设计，使用起来比较复杂；
  c、上位机基于互联网的解决方案保密性比较差；
24、GPRS缩略语：
  a、GSM->Global System of Moile communication；
  b、GPRS->Gerneral Packer Radio Service；
  c、MQTT : Message Queuing Telemetry Transport， 消息队列遥控传输，是一个即时的通讯协议；
  d、CSD：电路交换；
  e、SGSN：服务支持节点(硬件设备)；
  f、GGSN：网关支持节点(硬件设备)；
  g、MSC：移动交换中心；
  h、BSS：基站子系统；
  i、MS：移动台；
25、机智云平台(已实现全球服务器部署)：
  a、GAgent：机智云固件；
  b、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);
  c、通讯：配置入网->发现服务(侦听)->连接->控制->状态上报->警报通知；
  d、采用的协议：机智云私有协议；
  e、GAgent通讯模组是机智云与各大厂商共同定制开发的套件；
  f、机智云的开发模型：

26、通讯模型：
a、基站系统：
​​​​

b、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：
  a、通讯制式不一致(2.4G是FSK调制的)；
  b、2.4G必须是收发一一对应，也可以选择1对6模式；
  c、2.4G传输距离要高，一般在几百米左右；
  d、2.4G传输速率要高，耗电要小；

3、芯片NRF24L01:
  a、采用自身Enhanced Short Burst协议；
  b、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)：
  a、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)；
  b、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：
  a、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；
  b、逻辑关系比较复杂：
    1）通过实际应用进行适当的调整；
  c、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；