作者：Jens Wallmann
如需將便攜式或遠程網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備連接到物聯(lián)網(wǎng) (IoT)，或使用機對機通信 (M2M) 遠程控制機器，通過云端進行數(shù)據(jù)交換的移動無線電連接是一個不錯的選擇。然而，這一方案卻給開發(fā)人員帶來了一些難題，例如要確定哪些無線網(wǎng)絡(luò)可以支持全球所需的數(shù)據(jù)吞吐率，以及無線調(diào)制解調(diào)器必須能夠處理哪些協(xié)議。此外，還必須考慮系統(tǒng)可擴展性、數(shù)據(jù)安全性、成本、上市時間以及用戶的購置和運營成本。

本文簡要介紹了 LTE Cat 1 可為物聯(lián)網(wǎng)和 M2M 應用開發(fā)人員提供哪些功能。隨后介紹了 [u-blox]的 [LARA-R6] 系列無線電模塊，這些模塊具有通用連接性和可靠的性能。最后，本文還展示了開發(fā)人員如何使用評估板 (EVB) 通過 AT 命令輕松配置和控制模塊，以及如何通過庫函數(shù)生成 AT 命令字符串。

LTE Cat 1 與 LTE Cat 1bis、LTE Cat M 和 LTE Cat NB 的比較

雖然 LTE 蜂窩無線電現(xiàn)已實現(xiàn)千兆位傳輸速率，但是像 LTE Cat 1、LTE Cat 1bis、LTE Cat M 和 LTE Cat NB 這樣的低功耗、廣域 (LPWA) 協(xié)議經(jīng)過設(shè)計，在能耗、網(wǎng)絡(luò)資源和成本方面都特別高效。這對于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備至關(guān)重要。

LTE Cat 1 可在全雙工模式下提供高達 20 MHz 的信道帶寬，下載數(shù)據(jù)速率可達 10 Mbps，上傳數(shù)據(jù)速率可達 5 Mbps。使用兩根天線支持接收 (Rx) 分集，性能更佳（表 1）。而 LTE Cat 1bis 僅使用一根天線。

| | | LTE CAT1/CAT 1BIS | LTE CAT M1 | LTE CAT NB1 |
| ---------------------------- | -------------------------------- | ---------------- | --------------------------------------- |
| 3GPP 版本 | 版本 8 | 版本 13 | 版本 13 |
| 下行鏈路峰值速率 | 10 Mpbs | 1 Mbps | 26 kbps |
| 上行鏈路峰值速率 | 5 Mbps | 1 Mbps | 66 kbps（多音調(diào)）
16.9 kbps（單音調(diào)） |
| 延時 | 50 ms 到 100 ms | 10 ms 到 15 ms | 1.6 s 到 10 s |
| 天線數(shù)量 | 2 (LTE Cat 1)
1 (LTE Cat 1bis) | 1 | 1 |
| 雙工模式 | 全雙工 | 全雙工或半雙工 | 半雙工 |
| 設(shè)備接收帶寬 | 1.4 MHz 到 20 MHz | 1.4 | 180 kHz |

表 1：LPWA 協(xié)議的性能比較。LTE CAT 1 使用兩根天線支持接收分集；而 LTE Cat 1bis 僅使用一根天線。（圖片來源：維基百科，Jens Wallmann）

LTE Cat 1 移動無線電的全球可用性

u-blox 的 LARA-R6 系列由堅固耐用的蜂窩無線電模塊組成，專為無線電接入技術(shù) (RAT) LTE Cat 1 頻分雙工 (FDD) 和時分雙工 (TDD) 標準而設(shè)計。該系列支持 3G UMTS/HSPA 和 2G GSM/GPRS/EGPRS，作為后備解決方案。這些模塊是實現(xiàn)全球/多地區(qū)覆蓋的出色解決方案，采用 26 x 24 mm 的小型 LGA 封裝。

LARA-R6 模塊配備多功能接口、各種不同的特性以及多頻段和多模功能，適用于需要中速數(shù)據(jù)傳輸、無縫連接、出色的覆蓋能力和低延時的應用。這些應用包括資產(chǎn)跟蹤、遠程信息處理、遠程監(jiān)控、警報中心、視頻監(jiān)視、互聯(lián)健康和收銀機終端。

所有模塊均支持接收分集，可在覆蓋條件差或需要基于 LTE 的語音傳輸 (VoLTE) 時提供可靠的性能。程序員可以利用嵌入式物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（LwM2M、MQTT）和安全特性（TLS/DTLS、安全更新/安全啟動）來實施各種功能，包括設(shè)備管理、遠程設(shè)備控制以及安全的空中固件下載 (FOTA) 更新。

LARA-R6 系列支持符合 3GPP 版本 10 標準的 LTE Cat 1，并通過三個地區(qū)版本實現(xiàn)全球覆蓋：

• [LARA-R6001-00B]（數(shù)據(jù)和語音）和 [LARA-R6001D-00B]（僅數(shù)據(jù)）模塊支持 18 個 LTE FDD/TDD 頻帶以及 3G/2G 回退功能，可實現(xiàn)全球連接。
• [LARA-R6401-00B]（數(shù)據(jù)和語音）和 [LARA-R6401D-00B]（僅數(shù)據(jù)）模塊為北美地區(qū)提供理想的 LTE Cat 1 解決方案，支持 AT&T、FirstNet、Verizon 和 T-Mobile 的 LTE 頻帶。
• [LARA-R6801-00B]（數(shù)據(jù)和語音）和 [LARA-R6801D-01B]（僅數(shù)據(jù)）模塊專為以下地區(qū)的部署而設(shè)計：歐洲和中東 (EMEA)、亞太地區(qū) (APAC)、日本 (JP) 和拉丁美洲 (LATAM)（圖 1）。

圖 1：LARA-R6 模塊有三個地區(qū)版本，可覆蓋全球。（圖片來源：DigiKey，由作者修改）

LARA-R6 特殊功能一覽

LARA-R6 模塊集成了帶有外部接口的蜂窩基帶處理器、帶有放大器和濾波器的射頻收發(fā)器、存儲器和電源管理單元（圖 2）。

[])圖 2：LARA-R6 模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。（圖片來源：u-blox）

射頻收發(fā)器的工作頻帶為 700 MHz、800 MHz、850 MHz、900 MHz、1.7 GHz、1.8 GHz、1.9 GHz、2.1 GHz 和 2.6 GHz。蜂窩基帶處理器的所有數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議均可使用外部 UART 和 USB 接口通過 AT 命令進行控制和配置。

協(xié)議

• 雙堆棧 IPv4 和 IPv6
• 嵌入式 TCP/IP、UDP/IP、FTP 和 HTTP
• 嵌入式 MQTT 和 MQTT-SN
• 嵌入式 LwM2M
• eSIM 和獨立承載協(xié)議 (BIP)

LARA-R6 模塊需要 3.1 到 4.5 V 的供電電壓，待機電流消耗約為 1.1 mA。在 2G 運行中，單個 TDMA 時隙的峰值傳輸功率可超過 33 dBm（> 2.0 瓦，分貝數(shù)基準為 1 mW），而所有其他 RAT 的峰值傳輸功率均超過 24 dBm（> 0.25 瓦）。

小于 -100 dBm 的出色天線靈敏度，對應于小于 0.1 pW 的信號功率，可在移動網(wǎng)絡(luò)邊緣實現(xiàn)穩(wěn)定的無線電連接。

評估和編程

開始 LARA-R6 模塊評估和編程的最快方法是使用 R6 EVB (EVK-R6) 和相應地區(qū)的插入式 LARA-R6 適配器板 (ADP-R6)。例如，適用于全球應用的 [EVK-R6001-00B] 包括插入式適配器板 [ADP-R6001-00B]（語音 + 數(shù)據(jù)）和 GNSS 適配器板（圖 3）。

[]圖 3：安裝了 LARA-R6 適配器板（下方）和 GNSS 板（左上）的 LARA-R6 EVB (EVK-R6)。（圖片來源：u-blox）

適用于北美地區(qū)的 [EVK-R6401-00B]版本包括 [ADP-R6401-00B]適配器，而適用于 EMEA/APAC/JP/LATAM 地區(qū)的 [EVK-R6801-00B] 則包括 [ADP-R6801-00B] 適配器。前文提到的適用于語音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜齻€適配器板也可單獨提供，還有僅適用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌姹荆?[ADP-R6401D-00B]（北美）和 [ADP-R6001D-00B]（全球）。

R6 適配器板通過兩根天線和兩個 MiniUSB 連接器擴展 LARA-R6 模塊。R6 EVB 則增加了一個 GNSS 模塊、一個 SIM 卡插槽、額外的插入式連接器、跳線、開關(guān)和模塊外設(shè)的電源（圖 4）。

[]圖 4：插入了 GNSS 和 LARA-R6 適配器的 R6 EVB 功能框圖。（圖片來源：u-blox）

每個套件包含一個 u-blox 的 EVB（安裝了 LTE Cat 1 LARA-R6 適配器板和 GNSS 模塊）、一根 USB 電纜、兩根 LTE 移動無線電天線、一根 GPS/GLONASS 天線和一個電源單元。

調(diào)試 EVK

u-blox 推出的 EVK-R6 套件易于使用、功能強大，可簡化多模 LTE Cat 1/3G/2G 蜂窩模塊的評估工作。安裝了 LARA-R6 [USB 驅(qū)動程序]的 Windows PC 可通過 USB 連接器控制 LARA-R6 調(diào)制解調(diào)器，并通過系統(tǒng)設(shè)置簡化連接設(shè)置。首先，開發(fā)人員需要：

1. 插入 SIM 卡并連接蜂窩天線和 GNSS 天線。
2. 仔細配置 EVK 的跳線和開關(guān)。
3. 施加供電電壓并打開 EVB 上的主開關(guān) SW400。
4. 1. 如需通過“主 UART”接口作為低數(shù)據(jù)速率調(diào)制解調(diào)器運行，可將 PC 連接到 EVK 上的 MiniUSB 插孔 J501 或 RS232 插孔 J500。
   2. 如需通過“兩個 UART”作為低數(shù)據(jù)速率調(diào)制解調(diào)器運行，可將 PC 連接到 ADP 上的蜂窩 USB 插孔 J201 接口。
   3. 如需通過“本機蜂窩 USB”作為高數(shù)據(jù)速率調(diào)制解調(diào)器運行，可將 PC 連接到 ADP 上的 MiniUSB 插孔 J105。
5. 按下 EVB 上的蜂窩模塊開機按鈕 SW302。
6. 運行終端應用軟件（例如 m-center），進入 COM 端口設(shè)置菜單，選擇與 4a、4b 或 4c 相對應的 AT 端口，然后設(shè)置以下值：數(shù)據(jù)速率：115,200 bps；數(shù)據(jù)位：8；奇偶校驗：N；停止位：1。

如需了解更多詳情，請參閱 [EVK-R6_UserGuide_UBX-21035387]。m-center 工具可幫助評估、配置和測試 u-blox 蜂窩產(chǎn)品，其中包括一個 AT 命令終端。

使用 Windows PC 進行簡單的互聯(lián)網(wǎng)連接

將 Windows PC 連接到 EVK 后，用戶即可通過兩種方式建立無線互聯(lián)網(wǎng)連接：

1：低速分組數(shù)據(jù)連接： 該方式通過 LARA-R6 模塊的 UART 接口，使用 Windows PC 的 TCP/IP 協(xié)議棧。按照方法 4a 連接 PC 和 EVK。開發(fā)人員必須使用 Windows 控制面板選擇“電話和調(diào)制解調(diào)器”>“調(diào)制解調(diào)器”>“添加”。下一步是勾選“不要檢測我的調(diào)制解調(diào)器”復選框，選擇“標準 33.6 kbps 調(diào)制解調(diào)器”，并分配一個 COM 端口。如有必要，開發(fā)人員可以添加“屬性”>“高級”>“額外的初始化命令”。

2：高速分組數(shù)據(jù)連接： 該方式通過 LARA-R6 模塊的本機蜂窩 USB 接口，使用 Windows PC 的 TCP/IP 協(xié)議棧訪問互聯(lián)網(wǎng)。按照方法 4c 連接 PC 和 EVK。開發(fā)人員必須通過 Windows 控制面板選擇“網(wǎng)絡(luò)和共享中心”>“設(shè)置新的連接或網(wǎng)絡(luò)”，然后點擊“連接到 Internet”。下一步是選擇“撥號”和其中一個 AT USB 端口。最后一步是輸入撥號參數(shù)（撥號號碼、提供商名稱、用戶 ID 和密碼）。

向移動運營商注冊 SIM 卡

SIM 卡和 MNO 參數(shù)配置完成后，蜂窩模塊會在開機后自動在蜂窩網(wǎng)絡(luò)上進行注冊。如果出現(xiàn)問題，可使用表 2 所示的 AT 命令手動檢查注冊情況。

| | 由 DTE（用戶）發(fā)送的命令 | DCE 響應（模塊） | 說明 |
| -------------------------- | ------------------------- | -------------------------------------------------------------- |
| AT+CREG? | +CREG: 0,1 OK | 驗證網(wǎng)絡(luò)注冊情況。 |
| AT+COPS=0 | OK | 僅當自動注冊失敗時才會在網(wǎng)絡(luò)上注冊模塊（AT+CREG?返回 0.0）。 |
| AT+COPS? | +COPS: 0,0,"I TIM",7 OK | 讀取運營商名稱和無線電接入技術(shù) (RAT)。 |

表 2：AT 注冊命令。（表格來源：u-blox，由作者修改）

通過 AT 命令與遠程 HTTP 服務器通信

GitHub 存儲庫“[Firechip_u-blox_LARA-R6_Arduino_Library]”包含一個廣泛的 LARA-R6 模塊 AT 命令庫，使用 C++ 編寫，適用于 [Arduino] 控制器。16 個應用示例（包括 ping 測試、注冊、分組交換、SMS、GNSS 和物聯(lián)網(wǎng)云）可為自定義代碼結(jié)構(gòu)提供建議。

AT 命令還可以在主動連接期間向遠程 HTTP 服務器發(fā)送請求，接收服務器響應，并將該響應透明地存儲在本地文件系統(tǒng)中。受支持的方法有 HEAD、GET、DELETE、PUT、POST file 和 POST data。

Lara_R6_Example9 使用 HTTP POST 或 GET 向遠程 HTTP 服務器 [ThingSpeak.com]發(fā)送隨機溫度。ThingSpeak 是 MathWorks 提供的物聯(lián)網(wǎng)分析平臺服務，可幫助在云端聚合、可視化和分析實時數(shù)據(jù)流。表 3 顯示了 HTTP 命令“POST data”的語法。

| | 類型 | 語法 | 響應 | 示例 |
| ------ | -------------------------------------------------------------------------------------------------------- | ------ | ----------------------------------------------------------------- |
| 設(shè)置 | AT+UHTTPC=,5,
,,,

[,] | OK | AT+UHTTPC=0,5,"/path/file.html", "responseFilename","data",0 OK |

表 3：“POST data”是 HTTP 命令 5，格式如上所示。（表格來源：u-blox，由作者修改）

該示例可在 Arduino 主機控制器上編程，通過 AT 命令控制 EVK 板上的 LARA-R6 模塊。此外，還需要配置 SIM 卡。

程序員必須創(chuàng)建 ThingSpeak 用戶帳戶，并通過菜單項“Channels（通道）”>“My Channels（我的通道）”>“New Channel（新通道）”為隨機溫度測量值設(shè)置字段 1。在變量 myWriteAPIKey 中，相應的“寫入 API 密鑰”被輸入到主程序“LARA-R6_Example9_ThingSpeak.ino”。

C++ 主程序生成了一個隨機溫度值，形成特定于云端的數(shù)據(jù)字符串，并每隔 20 秒調(diào)用一次庫函數(shù) sendHTTPPOSTdata（清單 1）。

復制
...
1  String myWriteAPIKey = "PFIOEXW1VF21T7O6"; // Change this to your API key
2  String serverName = "api.thingspeak.com"; // Domain Name for HTTP POST/GET
3  [...]




4  void loop()
5  {
6    // Create a random temperature between 20 and 30  
7    float temperature = ((float)random(2000,3000)) / 100.0; 
8
9
10   // Send data using HTTP POST
11   String httpRequestData = "api_key=" + myWriteAPIKey + "&field1=" + 

                                String(temperature);
12
13   Serial.print(F("POSTing a temperature of "));
14   Serial.print(String(temperature));
15   Serial.println(F(" to ThingSpeak"));
16        
17   // Send HTTP POST request to /update. The reponse will be written to 

        post_response.txt in the LARA's file system
18   myLARA.sendHTTPPOSTdata(0, "/update", "post_response.txt", httpRequestData,

                             LARA_R6_HTTP_CONTENT_APPLICATION_X_WWW);
19
20
21   // Send data using HTTP GET 
22      ==> see original code on Github
23
24   for (int i = 0; i < 20000; i++) // Wait for 20 seconds    
25   {
26     myLARA.poll(); // Keep processing data from the LARA so we can catch 

                            the HTTP command result
27     delay(1);
28   }
29  }
...

清單 1：該主程序生成了一個隨機溫度值，并每隔 20 秒調(diào)用一次庫函數(shù) sendHTTPPOSTdata。（代碼來源：Github 上的 Firechip）

生成調(diào)用庫函數(shù)的 AT 命令字符串

庫頭“Firechip_u-blox_LARA-R6_Arduino_Library.h”將函數(shù)調(diào)用 sendHTTPPOSTdata 轉(zhuǎn)發(fā)到庫過程“Firechip_u-blox_LARA-R6_Arduino_Library.cpp”，在該過程中生成和發(fā)送了完整格式的 AT 命令字符串（清單 2）。

復制
...
1  LARA_R6_error_t LARA_R6::sendHTTPPOSTdata(int profile, String path, 

                              String responseFilename, String data,  

                              LARA_R6_http_content_types_t httpContentType)
2  {
3    LARA_R6_error_t err;
4    char *command;
5
6    if (profile >= LARA_R6_NUM_HTTP_PROFILES)
7     return LARA_R6_ERROR_ERROR;
8
9    command = lara_r6_calloc_char(strlen(LARA_R6_HTTP_COMMAND) + 24 +

                                  path.length() + responseFilename.length()

                                  + data.length());
10   if (command == nullptr)
11     return LARA_R6_ERROR_OUT_OF_MEMORY;
12   sprintf(command, "%s=%d,%d,"%s\","%s\","%s\",%d",

             LARA_R6_HTTP_COMMAND, profile, LARA_R6_HTTP_COMMAND_POST_DATA,

             path.c_str(), responseFilename.c_str(), data.c_str(),

             httpContentType);
13
14   err = sendCommandWithResponse(command, LARA_R6_RESPONSE_OK_OR_ERROR,

                                 nullptr, LARA_R6_STANDARD_RESPONSE_TIMEOUT);
15
16   free(command);
17   return err;
18 }
...

清單 2：該 C++ 庫過程生成并發(fā)送了完整格式的 AT 命令字符串（第 12 行）。（代碼來源：Github 上的 Firechip）

庫過程 LARA_R6::sendHTTPPOSTdata（清單 2）使用函數(shù)調(diào)用 myLARA.sendHTTPPOSTdata()（清單 1）中傳遞的參數(shù)和庫頭中額外聲明的變量，根據(jù)表 3 生成了完整的 HTTP 命令字符串。最后，LARA-R6 調(diào)制解調(diào)器將生成的 AT 命令字符串發(fā)送到 ThingSpeak RemoteHTTP 服務器：

AT+UHTTPC=0,5,"/update","post_response.txt","api_key=PFIOEXW1VF21T7O6&field1=21.54",0

總結(jié)

對于低功耗物聯(lián)網(wǎng)和 M2M 應用的全球聯(lián)網(wǎng)，LARA-R6 系列的 LTE Cat 1 多模無線電模塊既高效又經(jīng)濟。如圖所示，開發(fā)人員可以使用 EVK 訪問所有接口，并通過 AT 命令輕松配置和控制模塊的協(xié)議和功能。該產(chǎn)品提供簡單的選項，可用作 PC 調(diào)制解調(diào)器、向云端發(fā)送數(shù)據(jù)以及通過庫函數(shù)生成 AT 命令字符串。