通信协议学习-4GCat1
前言
参考文章/博主
4G Cat.1
硬件
组成
4G通信板
- CAT1模组：
SIMCom A7670C - 网络类型：支持
中国移动、中国联通和中国电信的4G网络。电信 & 联通的物联网卡由于限制多，故需要实际测试，不保证100%支持 - 尺寸：46mm×38mm
4G超级天线
- 真实增益：
10dbi - 尺寸：17+2cm
- 接口类型：
SMA内针 - 说明：华为路由器同款天线
定位天线
- GPS：支持
- 北斗：支持
- 增益：
38dbi
物联网卡
- 中国移动物联网专用卡
4G Cat.1通信板电路原理图
串口通信与模块通信
| 模块 | 单片机/USB转串口 |
|---|---|
| 5V | 5V |
| GND | GND |
| RX | TX |
| TX | RX |
【只需要使用5v引脚和GND引脚给模块供电即可，不可用3v3引脚】
【没有标明引脚名称的引脚，一般不需要用到，可以忽略】
【对接完引脚之后，还需要做串口通信配置，例如串口通信波特率等，以及插入物联网卡】
物联网卡
- 默认配套：中国移动物联网卡
- 50M/月，可用3个月，满足测试需求
把卡插入开发板中，即会自动激活
根据国家工信部等部门要求，物联网卡一旦激活后，就不能拔出来插入其它设备，否则卡会锁定
物联网卡有多种类型，支持 4G Cat.1 网络的卡才可用于本模块
模块测试
简介
比较熟悉的无线通信技术包括 WIFI、蓝牙、ZigBee 等短距离无线通信技术、 2G、3G、4G 等移动蜂窝通信技术以及低功耗、广覆盖的 LPWA技术（如NB-IoT，Lora）等
Cat.X 全称是 LTE UE-Category ，UE是 用户设备（user equipment）， Category是分类、类别的意思。所以Cat.X这个值主要用来 衡量终端支持的传输速率的等级，根据 3GPP Release 定义， UE-Category 被分为 1-15 共 15 个等级，其中 Cat.1-5 在R8组， Cat.6-8 在R10组， Cat.9-10 在R11组， Cat.11-15 在R12组。目前我们手机所使用的LTE网络主要指的是 LTE Cat.4
相较于 Cat.4 ， Cat.1 具备一定的成本优势，例如网络建设上，现在 LTE Cat.1 可以无缝接入现有LTE网络当中，无需针对基站进行软硬件的升级，网络覆盖成本很低。芯片成本上，经过系统优化后，集成度更高，模组的硬件架构更简单，外围硬件成本更低
相较于 Cat.M2（NB-IoT）， Cat.1 具备一定速率、时延和移动性方面的优势，拥有跟 LTE Cat.4 相同的毫秒级传输时延，以及支持100KM/H以上的移动速度
模块常见指令测试
使用USB转串口进行接线(接4条线即可)，然后打开串口助手 波特率115200,8,NONE,1，等待模块的两颗指示灯依次亮起(一个常亮，一个闪烁)
【查询IMEI】
IMEI的全称是International Mobile station Equipment Identity，即
国际移动设备身份码，用于标识每一个移动网络设备。每个4G Cat.1模块的IMEI都是不同的输入：AT+CGSN 返回： 861817065314739 OK
【读取设备信息】
- Manufacture：制造商
- Model：模块型号
- Revision：固件版本
- IMEI：国际移动设备识别码
输入：ATI 返回： Manufacturer: INCORPORATED Model: A7670C-MASL Revision: A7670M7_V1.11.1 IMEI: 861817065314739 +GCAP: +CGSM,+FCLASS,+DS OK
【读取ICCID】
ICCID的全称是Integrate circuit card identity，也就是
集成电路卡识别码，是用来标识每一张SIM卡的，不同的SIM的ICCID是不同的输入：AT+CICCID 返回： +ICCID: 89860487212180545068 OK
【读取信号强度】
返回的第一个参数，即下面的31，表示信号强度，具体的定义如下：
0：-113dBm 或更低1：-111dBm2~30：-109dBm~-53dBm31：-51dBm 或更高99：未知或无法检测其中的dBm为一种信号强度单位。通常
dBm值越大，表示信号越好输入：AT+CSQ 返回： +CSQ: 31,99 OK
【查询网络注册状态】
这个指令返回了两个参数，第1个参数暂时用不到，第2个参数说明如下：
0：未注册，但设备现在并不在搜寻新的运营商网络1：已注册本地网络2：未注册，设备正在搜寻基站4：未知状态5：已注册，但是处于漫游状态输入：AT+CEREG? 返回： +CEREG: 0,1 OK
【查询网络附着状态】
如果模块要用4G Cat.1 网络收发数据，需要首先附着到基站的网络中
其中的返回值说明如下：
0：未附着1：已附着成功输入：AT+CGATT? 返回： +CGATT: 1 OK
【查询设备IP地址】
如果模块已经加入到互联网中就可以通过此指令获取模块的IP地址了
其中的
10.90.37.63就是模块的IP地址了。有了IP地址，模块就可以跟各个云服务器通信了，例如腾讯云服务器、阿里云服务器或Onenet云服务器等输入：AT+CGPADDR 返回： +CGPADDR: 1,10.90.37.63 OK
【重启模块】
重启大概10S左右
输入：AT+CRESET 返回： *ATREADY: 1 +CPIN: READY +CGEV: EPS PDN ACT 1 SMS DONE PB DONE
【打开网络】
返回下面表示打开成功
输入：AT+NETOPEN 返回： OK +NETOPEN: 0
【创建UDP链接】
返回下面表示UDP连接成功
输入：AT+CIPOPEN=0,"UDP",,,12301 返回： +CIPOPEN: 0,0 OK
【向远端发送数据】
输入完后接着串口调试助手中会出现一个尖括号，这样才能发送数据
输入：AT+CIPSEND=0,13,"1.15.27.206",12301 返回： >
【启动MQTT功能】
输入：AT+CMQTTSTART 返回： OK +CMQTTSTART: 0
【打开MQTT连接】
输入：AT+CMQTTACCQ=0,"CAT1Module",0 返回： OK
【连接MQTT服务器】
0：连接序号，在某些情况下，可能会有多个 MQTT 连接，通过连接序号可以区分不同的连接"tcp://1.15.27.206:1883"：MQTT 服务器的地址，使用 TCP 协议连接到 IP 地址为 1.15.27.206 的服务器，端口号为 188360：表示客户端在多长时间内没有向服务器发送数据时，服务器会认为客户端已经断开连接。单位一般是秒，所以这里表示客户端每 60 秒会向服务器发送一次心跳包以保持连接1：这是 Clean Session 标志位，用于确定是否需要清除之前的会话信息。如果设为 1，表示建立一个新的会话；如果设为 0，则会继续之前的会话。这个标志位能够影响客户端与服务器之间的连接行为输入：AT+CMQTTCONNECT=0,"tcp://1.15.27.206:1883",60,1 返回： OK
【订阅主题且设置主题字符串长度】
回车后会出现一个尖括号
输入：AT+CMQTTSUBTOPIC 返回： >
【订阅主题】
在这之前需要先进行上面命令，然后输入待订阅主题名称(不能有回车，会返回OK)，再执行这个命令
输入：AT+CMQTTSUB 返回： OK +CMQTTSUB: 0,0
登陆私有云端服务器
免费的私有云端服务：【远程服务器地址】：
1.15.27.206【端口号】：22【用户名】：lucker【密码】：12345678
- 使用PuTTY
出现这个界面就表示成功登陆进去了：
可以使用 cat readme.txt 命令来查看 readme.txt 的内容
- 使用xShell
用户名和密码跟上面一样
使用UDP与私有云服务器通信
- 串口波特率那些跟前面一样，先发送【
AT】测试模块是否在线；再发送 【AT+CGPADDR】获取IP地址如果获取失败则到信号好的地方尝试，发送【AT+NETOPEN】打开网络 - 使用登陆私有云的方法登录进去，然后输入命令运行
udpserver服务：
./udpserver
- 串口助手输入命令，创建UDP链接
AT+CIPOPEN=0,"UDP",,,12301- 串口助手输入命令，说明待发送的数据长度(长度13)，准备发送数据，发送成功会显示一个
>，则可以发送数据
AT+CIPSEND=0,13,"1.15.27.206",12301- 数据发送测试(不能有回车！)，发送完13个数据需要重新发送上面命令再发送数据才有效，重复操作
- 关闭连接
AT+QICLOSE=0- 在服务器的命令行中输入Ctrl+C组合键，退出UDP程序
使用TCP与私有云服务器通信
- 正常按照上面步骤【1】
- 在
xShell输入命令
./tcpserver- 在串口助手输入
AT+NETOPEN # 打开网络
AT+CIPOPEN=0,"TCP","1.15.27.206",12300 # 建立TCP连接- 发送数据
AT+CIPSEND=0,13 # 数据长度是13，发送完这个命令出现>则可以开始发送数据
{"value":123} # 发送数据测试，不要有回车
- 关闭连接
AT+QICLOSE=0- 在服务器的命令行中输入Ctrl+C组合键，退出TCP程序
使用MQTT与私有云服务器通信
MQTT.fx需要秘钥才能用，可以去官网申请免费三个月
- 实验环境搭建
- 下载MQTT.fx
- 启动MQTT服务，在xShell里输入命令
./killall
./mosquitto -v
- 使用MQTT.fx连接云服务器
点击【设置】，新建连接按下面的那样写
- 重复步骤1
- 点击【Connect】按钮，连接MQTT服务，选择【Subscribe】选项卡，输入订阅的主题【“topic/pub”】，然后点击【Subscribe】按钮，至此，MQTT.fx已经成功订阅了【 “ topic/pub ”】 这个主题，接下来使用模块往这个主题发布消息，那么MQTT.fx就会接收到这个消息
- 使用模块连接云服务器
串口波特率那些跟前面一样，先发送【 AT 】测试模块是否在线；再发送 【 AT+CGPADDR 】获取IP地址如果获取失败则到信号好的地方尝试，然后发送下面指令
AT+CMQTTSTART # 启动MQTT指令
AT+CMQTTACCQ=0,"CAT1Module",0 # 打开MQTT连接
AT+CMQTTCONNECT=0,"tcp://1.15.27.206:1883",60,1 # 连接MQTT服务器
AT+CMQTTSUBTOPIC=0,9,1 # 订阅主题且设置主题字符串长度(回车后会出现一个尖括号)
topic/sub # 输入待订阅的主题(不能有回车)
AT+CMQTTSUB=0 # 订阅主题- MQTT.fx往MQTT主题发布消息
串口助手接收到的消息
在物联网领域中，许多设备采用这个方式来实现远程控制，例如：
- 使用手机App控制家里的空调开启
- 使用语音助手控制打开窗帘
- 使用手机App打开智能快递柜
- 模块往MQTT主题发布消息(每发一次的消息步骤不能省略)
AT+CMQTTTOPIC=0,9 # 设置待发布的主题的字符串长度(回车后会出现一个尖括号)
topic/pub # 输入主题(不能有回车)
AT+CMQTTPAYLOAD=0,13 # 设置要发送的数据长度(会出现一个尖括号)
{"value":123} # 将要发送的消息(不需要回车)
AT+CMQTTPUB=0,1,60 # 向指定的主题发布消息在MQTT.fx中可以查看接收到的消息：
在物联网领域中，许多设备采用这个方式来实现数据采集，例如：
- 采集环境温湿度数据，并上报到云端服务器
- 监测指定区域内是否发生火灾，并把监测结果上报到云端服务器
- 退订主题
模块在订阅主题后，也可以退订这个主题，退订完毕，模块不会再收到往该主题发布消息了
AT+CMQTTUNSUB=0,9,1 # 设置需要退订的主题的长度(会出现一个尖括号)
topic/sub # 输入待退订的主题(不需要回车)- 关闭MQTT功能
在不需要MQTT通信时，需要关闭MQTT功能
AT+CMQTTDISC=0,120 # 断开MQTT连接
AT+CMQTTREL=0 # 释放MQTT相关的资源
AT+CMQTTSTOP # 关闭MQTT功能在 Xshell 里【ctrl+c】可以退出MQTT程序
- 使用MQTT手机客户端
苹果手机可以去下载一个
MQTTTool
- 在
Xshell里输入命令，开启MQTT服务
./killall
./mosquitto -v- 打开APP，输入
Host，Port，Client Id内容，开启【Clean Session】，点击【Connect】，连接远程服务器成功后,Connect按钮变成Disconnect
点击 Subscribe 选项卡，切换到主题订阅页面并输入主题 “topic/pub”，然后点击 Subscribe 按钮，订阅主题成功后， Subscribe 按钮会变成 Unsubscribe，电脑端MQTT.fx或者模块 就可以向这个主题发送消息了
也可以向主题发布消息。选择Publish，然后输入以下信息：
然后点击 Publish 就可以实现了往 topic/report 发送 yang5201314 这个消息了
获取经纬度
需要把线安装好，为了能够顺利获取经纬度，需要把定位天线头(那个黑色的东西)伸到有GPS信号的地方，否则获取不到经纬度
AT+CGNSSPWR=1 # 打开GPS功能(注意，在发送这个命令后，需要等待开发板返回“+CGNSSPWR：READY!”才可以进行下一步！！)
AT+CGNSSPORTSWITCH=0,1 # 让经纬度数据从串口输出
AT+CGNSSTST=1 # 启动串口经纬度数据输出功能(然后串口就会一直输出数据了)
# 其他---------------------
AT+CGNSSTST=0 # 关闭串口经纬度数据输出功能
AT+CGPSINFO # 手动获取经纬度
经纬度获取失败处理
能看到这个界面，表示4G模块、定位天线大概率均无损坏，只是信号弱：
处理方法如下：
- 把定位天线伸到室外测试
- 把整个模块放置到空旷的户外测试，例如空旷的公园、篮球场等
- 在同一个场地中，测试10次或以上
- GPS/北斗信号极容易受到建筑物遮挡，故一般需要在四面空旷、无建筑物遮挡且信号良好的场地中测试
采集温湿度&定位到腾讯云
系统搭建
- 新建项目，产品
登陆腾讯云，进入【物联网开发平台】，点击 “管理控制台” 链接进入控制台，有免费示例试用
- 物理模型配置
在物模型中找到并点击 “新建自定义功能” 链接
然后进行温度，湿度，经度，纬度的功能创建：
系统会进入到设备开发页面，直接点击 “下一步” 链接
- 交互开发配置
在交互开发页面中打开 “接入腾讯连连官方小程序” 以及 “使用通用版APP控制产品” ，然后点击 产品展示配置按钮
按照提示输入产品信息，然后点击 保存
点击面板配置按钮
按照提示关闭用不到的显示组件，然后点击 “保存” 链接
点击智能联动配置按钮
勾选环境温度，湿度，纬度，经度作为智能联动的条件，然后点击 “保存” 链接，然后直接 下一步
- 设备调试配置
在设备调试栏目中点击 “新建设备” 按钮，输入名称 保存
在刚创建的设备中，点击 “二维码” 链接，使用 “腾讯连连” 小程序扫描这个二维码，添加这个设备
- 获取MQTT服务地址与端口
单击刚创建好的设备名称，把其中的产品ID复制出来，在产品ID后面加上 “.iotcloud.tencentdevices.com” 便得到MQTT服务器地址，例如我的是：
J7X2YMW6IU.iotcloud.tencentdevices.comMQTT服务秘钥认证的默认端口为： 1883，看官方文档
- 生成MQTT链接参数
分别把产品ID、设备名称和设备秘钥复制出来，找到 “MQTT连接参数生成工具.html”打开网页，然后选择好签名算法后点击 Generate 生成 UersName 和 Password
产品ID: J7X2YMW6IU
设备名称: TH_Sensor_Test
设备秘钥: 3xTpgDpy9sFftkCViLU5WQ==UserName: J7X2YMW6IUTH_Sensor_Test;12010126;0M3Y7;1992171084
Password: a88fc461af8202b6933524ec9b5c9d2fac226a35cbc09b9d4150a1d00000406f;hmacsha256MQTT.fx测试(数据上传)
配置完点击 Apply，然后 OK ，然后点击连接即可，然后可以在平台上看到设备已在线，小程序设备也在线
- 获取主题
把其中的 “${deviceName}” 替换为在前续步骤中获取到的设备名称，替换后的主题如下：
$thing/up/property/J7X2YMW6IU/TH_Sensor_Test
- 使用MQTT.fx发布主题（数据上报）
把获取到主题复制到主题输入框中，并且把以下代码字符串复制到发送框中，然后点击 Publish 按钮
{
"method":"report",
"params":{
"temp":23,
"humi":60,
"longitude":90,
"latitude":20
}
}
# 参数里面"xxx" 是之前设置的标识符
# method：report 表示设备属性上报
# params：JSON 结构内为设备上报的属性值
远程控制开关
系统搭建
在上面基础上添加即可
- 物理模型配置
- 交互开发配置
- 获取主题
把其中的 “${deviceName}” 替换为在前续步骤中获取到的设备名称，替换后的主题如下：
$thing/down/property/J7X2YMW6IU/TH_Sensor_TestMQTT.fx测试(数据下发)
在小程序里点击开关则MQTT.fx会接收到对应数据
