NB-IoT 定位服务原型

传统应用

资产定位是非常成熟的物联网应用，历史悠久。但是广域数据服务最大的痛点在于功耗和待机。传统上使用2G GSM/GPRS/CDMA作为首选技术，因为这些技术相对网络覆盖率和发射电流要小于3G/4G技术。但是无论是使用数据服务还是短消息服务，发射电流都比较大。相对来说，CDMA的耗电更小些，但是依然需要隔一段时间就充电一次。尤其是体积比较小的定位器，待机时间短、充电频繁、电池寿命短就是一个最大痛点。

而NB-IoT的出现解决了这一个难题。虽然NB-IoT仅仅支持慢速移动设备、不支持语音。但是可以替代大部分的GSM/CDMA定位设备如人员、自行车等。

NB-IoT 发展状态

目前NB-IoT的状态是：

1. NB-IoT模块仅支持UDP以及部分CoAP协议；
2. NB-IoT模块不支持D-TLS协议；
3. 中国电信运营商NB-SIM卡采用定向绑定即白名单制度。

NB-IoT在澳大利亚等国也已经落地，不知道他们的SIM卡是否会采用定向绑定。国内外运营商的政策不知是否会有所不同？

这里，最让人普通开发者挠头的还是白名单制度。而且IP定向制度对于开发商和消费者来说有一定的风险。

UDP协议

现有的服务器大多数都是TCP长连接/HTTP短连接/MQTT等。针对UDP通讯，服务器端要做些修改，以支持UDP协议，同时增加对于CoAP/D-TLS协议的支持。由于UDP是大多数模块的主要协议栈，而CoAP/D-TLS都是基于UDP的，理论上都是可以实现的。但是原来内置的CoAP协议栈可能会被废弃。同时D-TLS的版本比较多，可以先实现最简单的版本 RFC 6347。构建私有的加密套件也是可行的。

NMEA报文转发

UDP和TCP之间区别，决定了 ip:port 天生就不太稳定，无法作为判断依据。所以，GPS广泛使用的NMEA可以通过一次格式转换后转发给服务器。不过要携带设备识别或Token，否则服务器无法判断是来自哪台设备的数据。

设备识别与授权

NB-IoT设备具备全球唯一的IMEI/IMSI号码，都可以作为设备识别号。选择哪一种直接和服务供应商有关联，如果要占据SIM卡销售，IMSI合理些，如果依赖于设备销售，IMEI合理些。当然也可以使用IMEI/IMSI的联合识别。

当设备上传IMEI/IMSI号码后，服务器可以下发Token，也可以在这个过程通过双方的随机数、登陆密钥来产生AES密钥。

通讯协议

设备与服务器之间数据传输种类有：

1. AUTH，登录服务器、获得Token、AES密钥、初始矢量
2. EVENT，异步事件推送到服务器
3. STREAM，时序信号数据流推送到服务器（TCP常用）
4. COMMAND，服务器异步下发指令
5. CONFIG，服务器异步下发配置
6. STATUS，服务器异步读取设备配置

例如，GPS的每隔一段时间发送位置信息，或者移动若干位置后推送信息，这可以使用EVENT推送。温度、速度等时序信号可以通过STREAM推送到服务器。而推送时间配置等可以通过CONFIG下发，通过STATUS读取。

以下是我设计的一个简单的UDP测试服务器和客户端，基于Twisted。

UDP Server

#!/usr/bin/env python
#coding: utf-8

from __future__ import print_function

import getopt
import os
import sys
import string
import struct
import binascii
import time
import uuid
import hashlib
import json

from twisted.internet.protocol import DatagramProtocol
from twisted.internet import defer
from twisted.internet import protocol, reactor
from twisted.python import log
from twisted.enterprise import adbapi


import txredisapi as redis

__version__ = "0.1"
__author__ = "[email protected]"

'''
GpsPro

- [GPS - NMEA sentence information](http://aprs.gids.nl/nmea/)

   $GPBOD - Bearing, origin to destination
   $GPBWC - Bearing and distance to waypoint, great circle
   ** $GPGGA - Global Positioning System Fix Data
   $GPGLL - Geographic position, latitude / longitude
   $GPGSA - GPS DOP and active satellites 
   $GPGSV - GPS Satellites in view
   $GPHDT - Heading, True
   $GPR00 - List of waypoints in currently active route
   $GPRMA - Recommended minimum specific Loran-C data
   $GPRMB - Recommended minimum navigation info
   ** $GPRMC - Recommended minimum specific GPS/Transit data
   $GPRTE - Routes
   $GPTRF - Transit Fix Data
   $GPSTN - Multiple Data ID
   $GPVBW - Dual Ground / Water Speed
   $GPVTG - Track made good and ground speed
   $GPWPL - Waypoint location
   $GPXTE - Cross-track error, Measured
   $GPZDA - Date & Time

   $GPEX1 - Custom Extension 1
   $GPEX2 - Custom Extension 2

'''
class GpsPro(DatagramProtocol):

    lat = None
    lng = None
    alt = None
    heading = None
    speed = None
    ts = None
    imei = None
    imsi = None
    volt = None
    model = None
    snr = None
    token = None

    def datagramReceived(self, data, addr):
        print("[Peer]{}:{}".format(addr[0], addr[1]))
        if set(data).issubset(set(string.printable)):
            print("[Data][{}]{}".format(len(data), data))
        else:
            print("[Data][{}]{}".format(len(data), binascii.hexlify(data)))

        if data is None or len(data)==1:            
            resp = "NACK"
            self.transport.write(resp, addr)
            return

        if ',' not in data or '*' not in data:
            resp = "NACK:-1"
            self.transport.write(resp, addr)
            return

        if "AUTH" in data:
            resp = self.onAuth(data)
        elif "STAT" in data:
            resp = self.onStatus(data)
        elif "EVNT" in data:
            resp = self.onEvent(data)
        elif "STRM" in data:
            resp = self.onStream(data)
        elif "GPGGA" in data:
            resp = self.onGPGGA(data)
        elif "GPRMC" in data:
            resp = self.onGPRMC(data)
        else:
            resp = "NACK:-2"

        self.transport.write(resp, addr)


    def onHello(self, data):
        pass

    #AUTH,hhmmss.ss,hmac1,MyIMEI*hh
    #@defer.inlinecallbacks
    def onAuth(self, data):
        try:
            d,_ = data.split('*')
            _, ts, _id, _sign = d.split(',')
            self.token = uuid.uuid4()
            return "ACK:token,{}".format(self.token)
        except ValueError, e:
            return "NACK:{}".format(e)

    def onStatus(self, data):
        try:
            d,_ = data.split('*')
            _id, _hash, _sign = d.split(',')
            return "ACK"
        except ValueError, e:
            return "NACK:{}".format(e)

    #@defer.inlinecallbacks
    def onEvent(self, data):
        try:
            d,_ = data.split('*')
            _id, _volt, _endure = d.split(',')
            return "ACK"
        except ValueError, e:
            return "NACK:{}".format(e)

    #@defer.inlinecallbacks
    def onStream(self, data):
        try:
            d,_ = data.split('*')
            f = d.split(',')
            _id, _volt, _endure = d.split(',')
            return "ACK"
        except ValueError, e:
            return "NACK:{}".format(e)

    #$GPGGA,hhmmss.ss,llll.ll,a,yyyyy.yy,a,x,xx,x.x,x.x,M,x.x,M,x.x,xxxx*hh
    #@defer.inlinecallbacks
    def onGPGGA(self, data):
        try:
            d,_ = data.split('*')
            #_, ts, lat, ns, lng, ew, _,_,_,_,_,_,_,_,_._,_ = d.split(',')
            f = d.split(',')
            #print("field size:{}".format(len(f)))

            return "ACK"
        except ValueError, e:
            return "NACK:{}".format(e)

    #$GPRMC,081836,A,3751.65,S,14507.36,E,000.0,360.0,130998,011.3,E*62
    #@defer.inlinecallbacks
    def onGPRMC(self, data):
        try:
            d,_ = data.split('*')
            #ts, lat, ns, lng, ew, speed, degree, _,_,_ = d.split(',')
            f = d.split(',')
            #print("field size:{}".format(len(f)))

            return "ACK"
        except ValueError, e:
            return "NACK:{}".format(e)

class GpsProFactory(protocol.Factory):
    def buildProtocol(self, addr):
        return GpsPro()

def main():
    log.startLogging(sys.stdout)
    reactor.listenUDP(5863, GpsPro())
    reactor.run()

if __name__ == "__main__":
    main()

Twisted UDP Server和TCP Server最大区别之一：没有Factory，没有Connection。因为UDP的特性，许多协议相关的流控等都需要自己实现。UDP连接不稳定，NB-IoT设备只能够保证20秒内 ip:port 是有效的返回路径。这都需要额外的设计。

就慢速报文来说，大多数情况都是GPS上报报文，丢失也无所谓，也可以无需数据应答。但是Auth/Command/Config/Status却都需要应答和重传机制。

该代码还需要对接MySQL数据库和Redis队列服务，才能够构成一个实际应用。

此外，由于NB-IoT Modem接口特性，串口间收发的已经采用Hex字符串了。例如：

“Hello” -> “48656C6C6F”
“0A0B0C0D” -> “3041304230433044”

相比之下，用Hex字符串传输比较浪费资源，等于是被转换了两次。所以二进制数据可以直接转发：

"\x0A\x0B\x0C\x0D" -> "0A0B0C0D"

使用二进制协议，在接收端使用struct分解参数也很容易。

UDP Client

#!/usr/bin/env python

# Copyright (c) Twisted Matrix Laboratories.
# See LICENSE for details.

from __future__ import print_function

import time
import hashlib
import uuid
from datetime import datetime

from twisted.internet.protocol import DatagramProtocol
from twisted.internet import reactor

class EchoClientDatagramProtocol(DatagramProtocol):
    ts = str(int(time.time()))
    imei = "353070060339633" # My GSM phone IMEI as a demo
    md5 = hashlib.md5()
    md5.update(ts)
    md5.update(imei)
    sign = md5.hexdigest().upper()
    auth = "AUTH,{},{},{}*hh".format(ts,imei,sign)

    strings = [
        auth,
        "$GPRMC,081836,A,3751.65,S,14507.36,E,000.0,360.0,130998,011.3,E*62",
        "$GPGGA,hhmmss.ss,llll.ll,a,yyyyy.yy,a,x,xx,x.x,x.x,M,x.x,M,x.x,xxxx*hh"
    ]
    
    def startProtocol(self):
        #self.transport.connect('127.0.0.1', 8000)
        self.transport.connect('127.0.0.1', 5863)
        self.sendDatagram()
    
    def sendDatagram(self):
        if len(self.strings):
            datagram = self.strings.pop(0)
            self.transport.write(datagram)
        else:
            reactor.stop()

    def datagramReceived(self, datagram, host):
        print('Datagram received: ', repr(datagram))
        self.sendDatagram()

    def onCommand(self, data):
        pass

    def onConfig(self, data):
        pass

def main():
    protocol = EchoClientDatagramProtocol()
    t = reactor.listenUDP(0, protocol)
    reactor.run()

if __name__ == '__main__':
    main()

UDP客户端和UDP服务器几乎是对称的设计。