第一物联网 > 资讯 > 正文

捷普科技的NB-IoT和LoRa物联网平台

来源:邵佳炜   责任编辑:尹山

作者:邵佳炜

 

一、概览

         当今物联网越来越发达,由物联网衍生出的产品并已经应用在了各个领域上,如:家用电器、医疗器械和工业生产等。众所周知,物联网,即为“物物相连的互联网”,顾名思义,就是使用互联网将各种物品“相连”,并且通过物品上传感器采集的数据进行信息的交互、通讯,借此实现设备的跟踪、监控和管理的一种技术。物联网的每个模块都可以有多种技术手段来实现,因此也给物联网各类产品的实现提供了很大的灵活性。

二、功能

         捷普公司现在可实现的技术可以从物联网三个部分去说:终端——即设备本身,数据传输技术,还有最后的云平台集成。

         三者结合可以实现:终端的硬件由连接交换机、LED,温度&湿度传感器和重力加速度传感器,LoRa和蜂窝网模块组成,而软件由FreeRTOS 管理的AWS IoT SDK,以及每个设备自身携带的数字证书组成。数据由LoRa或是蜂窝网进行传输,最后到达云平台,且通过tableau展现和分析。

  “物”:

         首先需要进行的是数据的采集和收集,即把物联网的终端——设备本身及其采集的数据,IoT平台可以使用低功耗的终端,且通过传感器采集外部数据,例如温度、重力加速度等。

  “联”:

         在进行数据传输的时候,我们尽可能选择低功耗、范围广且效率更高的连接方式。所以在数据采集完成后,会通过LoRa或者蜂窝网(GPRSNB-IoTLET-M)进行向云平台的传输。这些传输方式都更符合传输的需求。

         这里涉及到的LoRa通讯技术,主要使用在无线广域网中,它抗干扰能力强,可以提供相对低功耗但是远距离的数据通讯传输。通过AES加密,其安全性也有保障。

         而蜂窝网中GPRSNB-IoTLET-MLoRa的优势在于应用范围之广,可移动性强,只需要在移动设备上安装了蜂窝网的模块,便可接入云平台。而与LoRa相同之处在于其低功耗,和传输的高速。

  “网”:

          当数据上传到云平台上后,云服务后台IoT Service会收取数据并且存贮、处理数据。并且使用Tableau 监控获取得来的数据,并且可以通过可视化的方式展现出来。

         以上的技术的实现都会在下文进行阐述。

三、技术实现

  1. 终端:

        物联网终端由两个部分组成:硬件设备和软件支持。

   硬件设备:

        物联网的终端设备可以安装温度和湿度传感器,以及六轴的重力加速度传感器。而且采集到重力加速度后,可以有算法支持可以运算加速度的水平角度。

         为了实现数据通讯功能,设备还可装备LoRa蜂窝网模块支持数据传输。

  软件:

        在终端数据采集时,设备的连接需要软件的支持,在设备端,我们使用了AWS 物联网设备软件开发工具包(IoT Device SDK),并通过调用此SDKAPI,将设备接入AWSIoT中,基于FreeRTOS构建。

         不仅如此,每个设备都有AWS IoT分配的各自的数字证书用来识别设备身份,该数字证书在后续数据传输时还可以用于数据的加密。

IoT平台系统组成

  2. 数据传输方式

        如上文概述里所说的,我们实现数据传输技术手段主要分为两种:LoRa和蜂窝网。

  LoRa

         它是法国格勒诺布尔的Cycleo开发的一种获得专利的数字无线数据通信技术,并于2012年被Semtech收购[1]。如上文所述,它抗干扰能力强,可以提供相对低功耗但是远距离的数据通讯传输。LoRa仅在物理层定义。

Sensors 18 00772 g001 550

        LoRa网络可以说是物理层中使用的调制技术,主要由终端(可内置LoRa模块)、网关(或可称基站)、

服务器和云平台组成。

        在终端,我们使用了Murata CMWX1ZZABZ-TEMP-2型号的LoRa模块,这个模块大小大约只有0.2cm3,比一块方糖的一半还小,其外壳由金属制成。它可以支持欧美的频段(915MHz, 868MHz),内部使用了STM32L微控制单元和SX1276芯片,其中STM32L是又是STM32系列中的超低功耗产品,这些都符合低功耗、低成本、高性能的要求。该模块的传输器的接口是UARTUniversal Asynchronous Receiver/Transmitter),即通用异步收发传输器,可以将需要传输的数据在串行与并行之间切换,且可以实现全双工的传输和接收,也就是可以实现双向实时通信;还集成了两种频率:32MHz32. 768KHz的时钟。最重要的是,这个模块设计遵从RoHS(关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令)标准,它的全称为Restriction of Hazardous Substances,确保了模块没有任何对人体有害成分的存在,从而可以安全放心使用。

   LoRaWAN

        该模块上支持的通信协议是LoRaWAN: 一个数据链路层的组网协议,它定义了基于LoRa芯片的LPWAN技术的通信协议,由LoRa联盟维护,它是一种星型拓扑结构,更适合构建公共网络,方便服务器的追踪和部署。

         在终端采集的数据通过LoRa的网关和服务器时,使用了HTTPS协议,再转入HTTP-MQTT转换器中,通过此服务器进而传入AWS IoT Core——云服务平台。

LoRa 的结构图概览


        蜂窝网:

         为了支持蜂窝网的数据传输,我们现在使用的是QUECTEL BG96模块。图为我们使用的模块型号。

         该芯片除了上述的功能以外,也支持各类全球卫星定位(GNSS,全称为Global Navigation Satellite System),包括GPSGLONASSBeiDouCompassGalileoQZSS。现有的QUECTEL BG96模块大约在1.4 cm3。我们下一步的计划是将其替换成BG99,达到体积缩小至现在三分之一的大小的目标。

         在通过蜂窝网进行数据传输的过程中,都有实现数字签名进行加密作为保障其传输的安全性。

  MQTT协议

         不论是蜂窝网还是LoRa,最后的必经之路都是需要通过MQTT协议,将数据传输至AWSIoT Core中。而此处的MQTT协议,正是专门为物联网的通讯、传输设计的的协议。MQTTClientServer组成,Client可发布主题,或订阅别的Client发布的主题,这些包都需要经由Server进行接收、处理,再进行统一分配,一切订阅、发布都是由Client发出,Server仅起到中转站的作用。MQTT的优势便在于可以在低带宽的网络远程通讯之中提供可靠的实时传输,故称之为 “轻量级” 的基于发布/订阅范式的消息协议 。它定义了14种包的类型,用于不同情况之下,主要分为:连接(或取消连接)、订阅(或取消订阅)和对这些消息的ACK,为了适应低带宽的实时传输,每个包都没有冗余的信息。MQTT传输的QoS分为三种,如下表所示:

MQTT的包类型和QoS的定义都会放在分组报头里。我们使用的AWSIoT Core中可以就定义MQTT的主题发布、订阅,能够支持传输QoS0或者1MQTT消息。

  3. 云服务集成

         当数据传输至云端之后,就需要有构建好的云服务集成进行处理

         每台设备都装有AWS IoTSDK,当数据在通过MQTT协议传输到了云端后,便可以使用AWS IoT Core 进行对数据的处理和对设备的管理。

   AWS IoT Core

         AWS IoT提供了安全的双向通信,且允许用户从电脑、平板,甚至是手机,进行对接入IoT的设备的管控。设备一旦被注册后,就成为了IoT中的一个设备。不仅如此,AWS IoT还可以提供X.509的证书,也允许用户自定义附加在每个设备上的证书,还可以根据访问权限的需求,自己定义用户访问的“策略”。仅需要几行简短的代码,便可以完成一切配置。AWS IoT平台将用户操作的复杂度降到了最低。前文提到的每个设备的数字证书就是由AWS IoT所颁发,极大程度保证了设备的安全性和不可否认性。

   AWS Lambda

         IoT常与AWS Lambda结合使用。作为一种执行计算资源的所有管理工作的服务,其原理就是运行代码以响应事件。所以在IoT中,它在监管设备方面起了很大作用,在我们测试实验中,我们创建了一个AWS Lambda 函数来检测IoT的数据,一旦检测到数据上传,就将数据传入SQL Server中。

   AWS EC2

         AWS EC2作为一个提供虚拟机进行运算的平台,可以弹性地分配资源,给我们实现各类产品提供了相当大的灵活性,所以我们将SQL Server安装在了EC2上,在有需要时进行数据的存取。

  数据可视化

         为了使经过处理的数据便于分析并且可以直观展现,Tableau成了一个很好的选择。它可以将数据运算与美观的图表完美地嫁接在一起 。通过Tableau,我们把收集到的数据展现了出来。

 

Tableau Web服务器和Dashboard

 

四、公司介绍

捷普科技(上海)有限公司(www.jabil.com)成立于20029月。在不到四年的发展中,公司员工总数由最初的400多人迅速扩充到现在的3000多人,生产线也从最初的2条增设到现在的15条。公司客户从最初的一个增加到十几个,而且还在不断增加。

是一家提供电子技术解决方案的公司,为全球的电子和技术公司提供综合的电子设计,生产和产品管理服务。作为美国500强企业之一,我们通过提供完整的全球性电子产品供应链管理,帮助客户把电子产品更快地带入市场,使其成本效率更高。

成立于200292日,是世界著名的捷普公司在上海漕河泾开发区新成立的一家独资子公司,是目前上海最大的EMS电子制造服务)企业之一。公司总部位于美国,全球共有40 facilities,拥有员工41,000名。Jabil在全球20多个国家设立工厂,在范围广泛的工业界为顾客提供综合的,个性化的,重点突出的解决方案。多年来捷普公司本着不断改革创新的科研精神,致力于电子产品的设计开发,并凭借其先进的生产技术背景及生产管理理念,为全世界多家著名的电子公司提供电子电路板部件及系统的加工及开发、开发、设计等服务。

业务联系:https://mp.weixin.qq.com/s/B_TQsF9CgX5LUkvpwPDalA

关键字:

敬请关注

敬请关注

第一物联网