了得網計算機/網絡_窄帶物聯網NB-IoT應用開發共性技術

內容簡介

本書遵循由個別到一般，又由一般到個別的哲學原理，研究窄帶物聯網（NB-IoT）應用開發共性技術，目標是降低開發門檻、節約開發成本、縮短開發時間。本書從技術科學層面提出了NB-IoT應用架構，形成可復用、可移植的模板、構件和類，成為NB-IoT應用開發的“基石”。NB-IoT應用架構由終端（UE）、信息郵局（MPO）、人機交互繫統（HCI）三個部分組成。針對UE，本書提出了通用嵌入式計算機（GEC）的概念，在硬件上把MCU硬件*小繫統及面向具體應用的共性電路封裝成一個整體，為用戶提供芯片級的可重用的硬件實體；在軟件上，把嵌入式軟件分為BIOS程序與User程序兩部分。針對MPO，本書將其抽像為固定IP地址及端口。針對HCI，本書凝練出雲平臺偵聽程序、客戶端程序、Web網頁程序、微信小程序、手機APP程序等應用模板，為“照葫蘆畫瓢”地完成具體的NB-IoT應用開發提供共性技術。全書形成了以GEC為核心，以構件為支撐，以應用模板為基礎的NB-IoT應用開發生態繫統。

作者簡介

王宜懷，男，1962年2月生，博士，教授、博士生導師、網絡工程繫主任；蘇州大學嵌入式繫統與物聯網研究所所長；蘇州市政協常委、中國農工民主黨蘇州市委常委；江蘇省計算機學會嵌入式繫統與物聯網專業委員會主任、中國軟件行業協會嵌入式繫統分會理事。主要研究方向：嵌入式繫統、物聯網與智能控制技術。

第1章概述1
1.1 窄帶物聯網NB-IoT簡介2
1.1.1 物聯網連接的分類2
1.1.2 NB-IoT的起源及簡明發展歷程3
1.1.3 NB-IoT技術特點及其與其他LPWAN技術比較4
1.1.4 為什麼NB-IoT會流行6
1.2 降低NB-IoT應用開發技術門檻的基本思路8
1.2.1 NB-IoT應用開發所面臨的難題8
1.2.2 解決NB-IoT應用開發所面臨難題的基本思路9
1.3 本書主要內容9
第2章 NB-IoT應用架構的基本要素13
2.1 建立NB-IoT應用架構的基本原則13
2.2 UE、MPO與HCI的基本定義13
2.2.1 NB-IoT終端（UE）14第1章概述1
1.1 窄帶物聯網NB-IoT簡介2
1.1.1 物聯網連接的分類2
1.1.2 NB-IoT的起源及簡明發展歷程3
1.1.3 NB-IoT技術特點及其與其他LPWAN技術比較4
1.1.4 為什麼NB-IoT會流行6
1.2 降低NB-IoT應用開發技術門檻的基本思路8
1.2.1 NB-IoT應用開發所面臨的難題8
1.2.2 解決NB-IoT應用開發所面臨難題的基本思路9
1.3 本書主要內容9
第2章 NB-IoT應用架構的基本要素13
2.1 建立NB-IoT應用架構的基本原則13
2.2 UE、MPO與HCI的基本定義13
2.2.1 NB-IoT終端（UE）14
2.2.2 NB-IoT信息郵局（MPO）14
2.2.3 NB-IoT人機交互繫統（HCI）15
2.3 NB-IoT通信過程與應用開發相關的基本概念15
2.3.1 與終端UE相關的基本概念15
2.3.2 與信息郵局（MPO）相關的基本概念17
2.3.3 與人機交互繫統（HCI）相關的基本概念19
2.4 對NB-IoT通信過程的簡明理解20
2.5 本章小結21
第3章 NB-IoT通信快速測試方法22
3.1 無須終端（UE）硬件情況下測試NB-IoT通信22
3.2 初步理解整個通信過程25
3.3 金葫蘆IoT-GEC開發套件基本描述27
3.3.1 金葫蘆IoT-GEC開發套件設計思想27
3.3.2 金葫蘆IoT開發套件硬件組成28
3.3.3 金葫蘆IoT-GEC開發套件的文檔與軟件模板29
3.4 利用金葫蘆IoT-GEC開發套件理解NB-IoT通信過程30
3.4.1 金葫蘆IoT-GEC開發套件的硬件繫統快速測試方法30
3.4.2 終端（UE）與人機交互繫統（HCI）通信快速測試方法31
3.5 下載與測試終端用戶程序32
3.5.1 用戶程序更新軟件AHL-UserPrgUpdate32
3.5.2 下載過程中常見的錯誤及解決方法35
3.6 本章小結37
第4章理解NB-IoT的通信過程38
4.1 理解終端用戶程序的執行過程38
4.1.1 開發終端用戶程序使用的集成開發環境38
4.1.2 終端（UE）中BIOS程序主要功能39
4.1.3 終端（UE）的用戶程序工程結構40
4.1.4 User_GEC_Basic主流程及中斷處理程序42
4.2 初步理解UE與MPO的構件UECom46
4.2.1 UECom構件的設計要點46
4.2.2 UECom構件的頭文件47
4.2.3 UECom構件的使用方法53
4.3 理解用戶服務器偵聽程序US-Monitor的執行過程55
4.3.1 US-Monitor工程框架55
4.3.2 US-Monitor的執行過程56
4.4 初步理解HCI與MPO的通信接口類HCICom58
4.4.1 HCICom類的設計要點58
4.4.2 HCICom類的屬性、方法和事件60
4.4.3 HCICom類的使用方法62
4.5 理解數據入庫過程63
4.5.1 查看數據庫與表的簡單方法63
4.5.2 各數據表的用途64
4.5.3 操作數據庫的基本編程方法66
4.6 本章小結67
第5章基於雲轉發服務的“照葫蘆畫瓢”樣例68
5.1 功能需求：增加熱敏傳感器68
5.2 “照葫蘆畫瓢”：終端用戶程序的更改70
5.2.1 終端用戶程序“畫瓢處”的查找、確認70
5.2.2 終端用戶程序內容修改71
5.3 “照葫蘆畫瓢”：US-Monitor的更改73
5.3.1 US-Monitor程序“畫瓢處”的查找、確認73
5.3.2 US-Monitor程序內容的修改74
5.4 聯合測試及自我練習76
5.4.1 聯合測試76
5.4.2 自我練習77
5.5 本章小結77
第6章雲服務器偵聽程序CS-Monitor78
6.1 雲服務器偵聽程序CS-Monitor涉及的技術基礎78
6.1.1 雲服務器偵聽程序CS-Monitor的概念78
6.1.2 WebSocket協議概述79
6.1.3 JSON格式80
6.2 開發CS-Monitor程序的基本條件80
6.2.1 申請與登錄遠程雲服務器80
6.2.2 在雲服務器CS上安裝必要的軟件82
6.3 運行CS-Monitor編程模板83
6.3.1 確認網絡端口是否已對外開放83
6.3.2 復制CS-Monitor工程與數據庫84
6.3.3 修改AHL.xml文件中有關連接配置85
6.3.4 修改UE程序的發送地址85
6.3.5 運行CS-Monitor程序86
6.4 基本理解CS-Monitor編程模板88
6.4.1 CS-Monitor編程模板的工程框架89
6.4.2 CS-Monitor編程模板的自動執行流程91
6.4.3 WebSocket服務器與客戶端的通信101
6.4.4 CS-Monitor編程模板按鍵事件的解析107
6.5 CS-Monitor程序的“照葫蘆畫瓢”109
6.6 本章小結110
第7章通過PC客戶端的數據訪問111
7.1 運行CS-Client及觀察自己的NB-IoT終端實時數據111
7.1.1 直接運行CS-Client編程模板111
7.1.2 觀察NB-IoT終端的實時數據114
7.2 基本理解CS-Client的編程模板115
7.2.1 CS-Client編程模板的結構115
7.2.2 PC客戶端模板執行流程116
7.2.3 主要按鍵事件的實現122
7.3 CS-Client程序的“照葫蘆畫瓢”125
7.4 本章小結126

第8章通過Web網頁的數據訪問128
8.1 運行Web網頁及觀察NB-IoT終端的實時數據128
8.1.1 打開NB-IoT的Web網頁方法128
8.1.2 觀察NB-IoT終端實時數據129
8.2 基本理解NB-IoT的Web網頁模板130
8.2.1 NB-IoT的Web網頁模板的工程結構130
8.2.2 NB-IoT的Web網頁模板功能分析131
8.2.3 通過Web網頁的數據訪問過程132
8.2.4 NB-IoT的Web網頁編程的進一步討論140
8.3 NB-Web網頁的“照葫蘆畫瓢”142
8.4 本章小結144
第9章通過微信小程序的數據訪問145
9.1 運行已發布的NB-IoT微信小程序145
9.1.1 直接運行微信小程序模板145
9.1.2 觀察自己的NB-IoT終端實時數據146
9.2 在開發環境中運行NB-IoT微信小程序147
9.2.1 前期準備147
9.2.2 運行NB-IoT微信小程序148
9.3 基本理解NB-IoT的微信小程序模板151
9.3.1 NB-IoT的微信小程序模板工程結構151
9.3.2 NB-IoT的微信小程序模板開發過程153
9.3.3 NB-IoT的微信小程序的運行分析156
9.4 NB-IoT微信小程序編程的進一步討論158
9.4.1 微信小程序的函數執行流程158
9.4.2 微信小程序的WebSocket連接160
9.4.3 數據的處理與使用162
9.4.4 組件模板166
9.5 “照葫蘆畫瓢”：開發自己的NB-IoT微信小程序167
9.5.1 “照葫蘆畫瓢”：實現新增溫度的添加168
9.5.2 “照葫蘆畫瓢”：動態組件的生成170
9.5.3 “照葫蘆畫瓢”：添加一個頁面功能170
9.5.4 “照葫蘆畫瓢”：導航菜單的創建171
9.6 NB-IoT微信小程序模板的發布171
9.7 本章小結172
第10章通過Android APP的數據訪問173
10.1 查看已發布的NB-IoT的Android APP173
10.1.1 直接運行Android APP模板173
10.1.2 觀察自己的NB-IoT終端實時數據174
10.2 在開發環境中運行NB-IoT的Android APP175
10.2.1 開發環境的安裝175
10.2.2 項目導入並編譯運行175
10.3 基本理解NB-IoT的Android APP模板177
10.3.1 NB-IoT的Android APP開發環境177
10.3.2 NB-IoT的Android APP模板工程結構178
10.3.3 NB-IoT的Android APP模板的執行過程180
10.4 NB-IoT的Android APP編程的更深入討論185
10.4.1 APP函數執行流程185
10.4.2 WebSocket連接的建立185
10.4.3 WebSocket數據處理187
10.5 “照葫蘆畫瓢”：開發自己的NB-IoT的Android APP189
10.5.1 “照葫蘆畫瓢”：實現新增溫度的添加190
10.5.2 “照葫蘆畫瓢”：動態生成控件191
10.6 本章小結193
第11章通用嵌入式計算機的概念與組成194
11.1 提出GEC概念的緣由194
11.1.1 物聯網終端開發方式存在的問題與解決辦法194
11.1.2 提出GEC概念的時機、GEC的定義與特點195
11.1.3 GEC在NB-IoT應用架構中的位置197
11.2 GEC的硬件實例198
11.2.1 金葫蘆IoT-GEC型號含義198
11.2.2 金葫蘆AHL-A繫列硬件組成199
11.2.3 金葫蘆AHL-A繫列引腳圖202
11.2.4 金葫蘆AHL-A繫列引腳功能表203
11.3 GEC內的BIOS與User程序框架205
11.3.1 GEC內的BIOS與User程序功能劃分205
11.3.2 User程序軟件框架207
11.3.3 GEC中的三類構件209
11.4 本章小結210
第12章 GEC常用基礎構件211
12.1 GPIO構件211
12.1.1 GPIO構件的知識要素211
12.1.2 GPIO構件的API213
12.1.3 GPIO構件API的測試方法215
12.2 UART構件221
12.2.1 UART構件的知識要素221
12.2.2 UART構件的API223
12.2.3 UART構件API的測試方法225
12.3 ADC構件227
12.3.1 ADC構件的知識要素227
12.3.2 ADC構件的API229
12.3.3 ADC構件API的測試方法229
12.4 Flash構件231
12.4.1 Flash構件的知識要素231
12.4.2 Flash構件的API232
12.4.3 Flash構件API的測試方法234
12.5 I2C構件235
12.5.1 I2C構件的知識要素235
12.5.2 I2C構件的API240
12.5.3 I2C構件API的測試方法242
12.6 SPI構件244
12.6.1 SPI構件的知識要素244
12.6.2 SPI構件的API247
12.6.3 SPI構件API的測試方法249
12.7 PWM構件250
12.7.1 PWM構件的知識要素251
12.7.2 PWM構件的API253
12.7.3 PWM構件API的測試方法254
12.8 本章小結255
第13章基於GEC的UE軟/硬件設計過程256
13.1 輸入/輸出分析256
13.1.1 輸入/輸出的共性分析256
13.1.2 輸入/輸出的個性分析257
13.2 快速規範的硬件評估258
13.2.1 復制User工程框架258
13.2.2 編程評估各259
13.3 硬件原理圖繪制與PCB電路板制作270
13.3.1 構件化硬件原理圖繪制的簡明規則270
13.3.2 PCB布板的簡明規則274
13.4 功能軟件的設計與測試277
13.4.1 功能需求277
13.4.2 GEC硬件需求277
13.4.3 軟件設計277
13.4.4 軟件測試280
13.5 本章小結281
第14章 UECom構件1

前言

窄帶物聯網（NB-IoT）是3GPP於2016年5月完成核心標準制定的，面向智能抄表、工廠設備遠程測控、智能農業、智能家居等應用領域的新一代物聯網通信體繫，是低功耗廣域網LPWAN的重要一員。NB-IoT應用繫統將成為許多實體行業的關鍵技術。然而，進行NB-IoT應用開發具有較高的技術門檻，研發成本高、周期長，是許多終端企業面臨的重要難題。為了解決這個難題，學術界需要從技術科學層面、從面向應用角度出發來研究NB-IoT應用產品開發的共性技術，為產業界進行NB-IoT應用開發提供基礎支撐。本書著眼於這一目標，研究與NB-IoT應用開發共性技術相對應的抽像模型，為降低NB-IoT應用開發的技術門檻提供技術基礎。
本書從技術科學層面出發，提出了NB-IoT應用架構。該架構由終端（UE）、信息郵局（MPO）和人機交互繫統（HCI）三個部分組成。UE是形式各異的NB-IoT應用產品，其共性技術研究是本書的重點之一。本書把負責NB-IoT通信的設施抽像為MPO，以便簡化應用繫統的編程。HCI是通用計算機、筆記本電腦、平板電腦、手機等設備的抽像，具有服務器、網頁、微信、短信、手機APP等技術表現形式，其共性技術的抽取以及與UE的通信的共性技術研究，也是本書重點內容之一。窄帶物聯網（NB-IoT）是3GPP於2016年5月完成核心標準制定的，面向智能抄表、工廠設備遠程測控、智能農業、智能家居等應用領域的新一代物聯網通信體繫，是低功耗廣域網LPWAN的重要一員。NB-IoT應用繫統將成為許多實體行業的關鍵技術。然而，進行NB-IoT應用開發具有較高的技術門檻，研發成本高、周期長，是許多終端企業面臨的重要難題。為了解決這個難題，學術界需要從技術科學層面、從面向應用角度出發來研究NB-IoT應用產品開發的共性技術，為產業界進行NB-IoT應用開發提供基礎支撐。本書著眼於這一目標，研究與NB-IoT應用開發共性技術相對應的抽像模型，為降低NB-IoT應用開發的技術門檻提供技術基礎。
本書從技術科學層面出發，提出了NB-IoT應用架構。該架構由終端（UE）、信息郵局（MPO）和人機交互繫統（HCI）三個部分組成。UE是形式各異的NB-IoT應用產品，其共性技術研究是本書的重點之一。本書把負責NB-IoT通信的設施抽像為MPO，以便簡化應用繫統的編程。HCI是通用計算機、筆記本電腦、平板電腦、手機等設備的抽像，具有服務器、網頁、微信、短信、手機APP等技術表現形式，其共性技術的抽取以及與UE的通信的共性技術研究，也是本書重點內容之一。
本書以構件為基礎、以與具體的微控制器芯片無關性為目標，提出了通用嵌入式計算機（GEC）的概念、基本組成及實現方法，通過分析凝練UE所共有的GPIO、UART、A/D、Flash、SysTick、I2C、SPI、UECom等模塊的基本知識要素，給出了遵循嵌入式軟件工程基本原則的底層驅動構件封裝，並把它們固化駐留在微控制器芯片中，類似於通用計算機的基本輸入/輸出繫統（BIOS）。在此基礎上給出了用戶（User）程序的應用模板，可以使用戶專注於應用程序的開發。本書以類為基礎，提出了HCI的應用模板。通過分析NB-IoT通信的共性，以MPO為基礎，在充分研究HCI共性技術的基礎上，以C#語言為藍本，遵循類封裝的基本原則，設計了PC方的通信接口類HCICom，具有良好的可移植性，實現了HCI應用層程序的可復用性。此外，通過數據庫及顯示頁面的動態設計，實現了在一定條件下物理量增減的程序自適應性。為了比較完整地涵蓋NB-IoT應用開發的知識要素，本書還給出了HCI應用的多樣性研究，在雲平臺（雲服務器）偵聽程序及數據入庫的基礎上，對客戶端程序、網頁程序、微信小程序、手機APP等多種不同表現形式給予了關注，也設計了對應的應用模板。
本書給出的NB-IoT應用開發共性技術，限度地凝練了NB-IoT應用開發過程的一般規律，形成可復用、可移植的模板、構件和類，成為NB-IoT應用產品開發的“基石”和模板（“葫蘆”），以便開發人員在此模板的基礎上進行特定的應用開發（“照葫蘆畫瓢”），體現了人類認識過程由個別到一般，又由一般到個別的哲學原理，可有效降低NB-IoT應用開發的技術門檻、減少研發成本、提高研發效率。
本書由王宜懷負責編制提綱和統稿工作，並編寫了第1～3章、第11～12章，張建編寫了第4～8章及對應的附錄，劉輝編寫了第9～10章、第13～14章及對應的附錄，劉銀龍編寫了第15和16章。博士研究生施連敏、彭濤，碩士研究生陳成、汪博、錢涵佳、周靖越、周欣、葛新越、張藝琳、範小青、孫亞軍、程宏玉、黃志賢、劉賢德、張蓉、徐昕等協助完成了程序編寫、調試及書稿整理等工作。他們卓有成效的工作，使本書更加實用。ARM教育生態部、蘇州電信、安芯教育、蘇嵌教育等對本書提供了大力支持，電子工業出版社的編輯為本書的出版做了大量細致的工作，在此一並表示誠摯的謝意。
本書雖歷時三載，但鋻於作者水平有限，書中難免會存在不足和錯誤之處，懇望廣大讀者提出寶貴意見和建議，以便再版時改進。

蘇州大學王宜懷
2019年1月

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