一、介紹

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用范圍日漸廣泛，小到手表大到各種家電甚至汽車，可見連接因特網(wǎng)的好處非常之多，實(shí)時(shí)監(jiān)控、記錄、統(tǒng)計(jì)裝置各種信息，甚至遠(yuǎn)程控制都可以快速達(dá)成，但這都必須以「有因特網(wǎng)」作為前提。目前物聯(lián)網(wǎng)裝置通訊方式大多采用Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)，它擁有高速、大流量的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在著基礎(chǔ)建設(shè)較麻煩、訊號(hào)覆蓋范圍短的缺點(diǎn)，應(yīng)用范圍如智能家電（e.g.電視、冰箱、照明燈、風(fēng)扇等）；而需要時(shí)常移動(dòng)的裝置則會(huì)采用4G/5G網(wǎng)絡(luò)，具有高速、大流量、基礎(chǔ)安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，但相對(duì)它的資費(fèi)較為昂貴、續(xù)航力較低（e.g.手機(jī)）。

因此，除了采用前述兩種通訊方式外，我們還可以選擇目前物聯(lián)網(wǎng)盛行的NB-IoT（Narrowband Internet of Things）通訊方式，它是建立在LTE 基地臺(tái)基礎(chǔ)之下，與4G/5G一樣透過電信商的基地臺(tái)通訊，省去自行維護(hù)及建置基礎(chǔ)建設(shè)的流程，并且具有流量不需要太大、較便宜的資費(fèi)、方便的基礎(chǔ)建設(shè)以及省電的特性，例如：在郊區(qū)收集大量感測資料并上傳至云端分析。

那么我們該如何實(shí)際使用NB-IoT 呢？本篇文章就要帶大家實(shí)作NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)裝置，將傳感器數(shù)據(jù)透過NB-IoT 模塊上傳至云端平臺(tái)，并且透過云端平臺(tái)遠(yuǎn)程控制裝置RGB LED。其中我們使用了 Linkit7697 結(jié)合OLED、PM2.5懸浮微粒傳感器PMS5003，NB-IoT模塊AM7020以及相關(guān)擴(kuò)展板來完成此次的NB-IoT 項(xiàng)目；軟件的部分使用BlocklyDuino，它提供了圖塊式的程序設(shè)計(jì)方式，對(duì)于初學(xué)者來說更加容易理解與實(shí)作。

●材料清單

Circus7697D 雙頻 2.4G/5G

7697:bitbreakout 擴(kuò)展板

MbitBotLite 擴(kuò)展板

Panasonic18650 鋰電池 3400mAh

PM2.5 濃度傳感器 PMS5003

NB-IoT 通訊模塊 AM7020

IoT定量制SIM卡(30MB)

二、BlocklyDuino使用教學(xué)

●安裝程序

在BlocklyDuino的大家庭中，我們使用的是BlocklyDuinoF1，大致上分成幾個(gè)步驟，如下所示：

1. 下載BlocklyDuinoV3主程序、其他的「開發(fā)板核心函式庫」與獨(dú)立制作的「擴(kuò)充積木包」，共三個(gè)壓縮文件案。

2. 接著將這些壓縮文件解壓縮后，依序?qū)ⅰ搁_發(fā)板核心函式庫」與「擴(kuò)充積木包」文件夾內(nèi)的檔案，復(fù)制并覆蓋到BlocklyDuino V3的文件夾內(nèi)。

3. 完成上述步驟即完成BlocklyDuinoF1的安裝，若您之前已安裝過BlocklyDuino F1，為了新增5G Wi-Fi的功能，只需下載新的「擴(kuò)充積木包」，并同樣解壓縮覆蓋即可，如下圖所示：

4. 最終完成圖

完成圖

三、NB-IoT 到底是什么？

（一）NB-IoT 介紹

NB-IoT是窄頻物聯(lián)網(wǎng)（NarrowbandInternet of Things）的簡稱，使用的是長期演進(jìn)技術(shù)（LTE）標(biāo)準(zhǔn)的一部份，是由3GPP訂定的LPWAN無線電標(biāo)準(zhǔn)，為了讓行動(dòng)設(shè)備及服務(wù)的范圍可以更遠(yuǎn)，NB-IoT特別著重在室內(nèi)的覆蓋率、低成本、長電池壽命以及高連接密度。

如下圖所示，可將物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)分成三層，即「感知層」、「網(wǎng)絡(luò)層」、「應(yīng)用層」。「感知層」負(fù)責(zé)收集各種感測資料（e.g.使用Arduino結(jié)合SHT31溫濕度傳感器）；「網(wǎng)絡(luò)層」提供各種傳輸數(shù)據(jù)方式，能進(jìn)一步將感測數(shù)據(jù)傳遞到云端伺服（e.g. NB-IoT、Wi-Fi、4G、5G等）；「應(yīng)用層」則是取得服務(wù)器傳感器數(shù)據(jù)并進(jìn)一步應(yīng)用在各種需求上。

有了架構(gòu)定義之后我們就能知道NB-IoT屬于網(wǎng)絡(luò)層，與WiFi、4G/5G同樣是一種提供傳輸數(shù)據(jù)的通訊方式。

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

下圖列出了目前市面上的物聯(lián)網(wǎng)通訊的速度及傳輸距離，其中NB-IoT分類為LPWAN（Low-Power Wide-Area Network，低功率廣域網(wǎng)），是一種用在物聯(lián)網(wǎng)（例如以電池作為供電來源），可以用低速率進(jìn)行長距離通訊的無線網(wǎng)絡(luò)，它的特性非常適合運(yùn)用在環(huán)境監(jiān)測、智慧建筑、智慧停車等長距離傳輸、低功耗、低速率的應(yīng)用上。

物聯(lián)網(wǎng)通訊的速度及傳輸距離圖表

下圖為各種LPWAN的比較圖，其中NB-IoT與4G同樣屬于國際標(biāo)準(zhǔn)，相比4G雖然速度慢了許多，但訊號(hào)強(qiáng)度更強(qiáng)、模塊成本低、并且非常省電，電池運(yùn)作時(shí)間可長達(dá)10年。

LPWAN比較圖

了解NB-IoT資費(fèi)也是重要的一環(huán)，以下圖表大略計(jì)算了NB-IoT的每月資費(fèi)以及參考情境，參考情境使用MQTT通訊協(xié)議，一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)可以看作一個(gè)傳感器所上傳的數(shù)值，使用者可以根據(jù)這些情境大約估算每月數(shù)據(jù)用量。

NBIo-T月費(fèi)與參考情境

(三)特性與應(yīng)用

以下整理出NB-IoT的特性與應(yīng)用供大家參考：

1. 特性

超低電耗

較低的模塊成本

不需要自建基礎(chǔ)建設(shè)

需要支付月費(fèi)

有基地臺(tái)之處即可使用

基站連接速度慢

不適合移動(dòng)載具

適合各裝置點(diǎn)分散，并且位于郊區(qū)

適合沒有市電的環(huán)境

應(yīng)用

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)：溫室農(nóng)棚、花卉、養(yǎng)殖

電力設(shè)備監(jiān)控：電塔、變電箱、風(fēng)力機(jī)組、太陽能電廠

公用設(shè)施：水利設(shè)施、瓦斯水表

智慧城市：智慧共桿、共享腳踏車停車樁、汽車收費(fèi)

環(huán)境生態(tài)：生態(tài)保護(hù)、環(huán)境監(jiān)控

NB-IoT 專案

接下來就要與大家分享本篇NB-IoT 實(shí)作項(xiàng)目-空氣質(zhì)量檢測，首先會(huì)跟大家介紹本次項(xiàng)目會(huì)使用到的材料，接著是項(xiàng)目的硬件裝置連接與程序設(shè)定介紹。

(一)材料介紹

1.AM7020 NB-IoT 通訊模塊

AM7020 是一款 NB-oT 通訊模塊，它在腳位及大小皆能完整相容于Arduino MKR系列產(chǎn)品。內(nèi)部系統(tǒng)芯片為聯(lián)發(fā)科MT2625，模塊為 SIMCOM 的SIM7020E。采 UART 接口運(yùn)行 AT Command，更方便中低階處理器使用。

頻段支持主要電信商，在 SIM卡的選用上更為彈性便利。AM7020不僅支持寬電壓輸入外，Grove UART的防呆插槽及附加的 Arduino 范例程序更能讓入門用戶輕松跨足NB-IoT領(lǐng)域；兼具低功耗、低成本、覆蓋廣等優(yōu)勢的AM7020，適用于各種場域的物聯(lián)網(wǎng)裝置應(yīng)用。

AM7020硬件詳細(xì)請(qǐng)參考之前的文章。

2. IoT 定量制SIM 卡

IoT 定量制SIM 卡

此IoT定量制SIM卡提供30MB流量，超過將自動(dòng)切斷數(shù)據(jù)聯(lián)機(jī)，下載速度最高5Mbps，須搭配支持4G 或NB-IoT 之終端設(shè)備。

3.Circus 7697D

Circus7697D 雙頻 2.4G/5G (相容 LinkIt 7697)?

Circus7697D 雙頻 2.4G/5G (兼容 LinkIt 7697) 特別增加連接5GHz Wi-Fi頻段功能，相較2.4Ghz擁有干擾較少、速度更快的優(yōu)點(diǎn)，并完全兼容之前的LinkIt 7697。

4.MbitBot Lite 擴(kuò)展板

MbitBotLite 擴(kuò)展板

MbitBotLite 擴(kuò)展板最大特色是具備18650鋰電池供電，并且可透過Micro USB充電，讓項(xiàng)目能獨(dú)立穩(wěn)定運(yùn)作，其中還提供了多達(dá)20Pin的擴(kuò)充IO，并且輸出電壓支持3.3/5V，板上還內(nèi)建了兩顆WS2812以及一顆蜂鳴器，使用它作為物聯(lián)網(wǎng)裝置底板是非常合適的選擇。

5.7697:bit breakout 擴(kuò)展板

7697:bitbreakout 擴(kuò)展板

7697:bitbreakout 擴(kuò)展板可將 Circus 7697D轉(zhuǎn)換成micro:bit形式，并且完全兼容各種開發(fā)環(huán)境，在正面還板載兩個(gè)按鈕及1.3吋的OLED，讓使用者能夠做出更多有趣的應(yīng)用。

6. PM2.5濃度傳感器 PMS5003

PMS5003是一款可量測PM1.0、PM2.5、PM10 懸浮微粒的傳感器，通訊方式使用UART，設(shè)定成自動(dòng)模式將會(huì)主動(dòng)傳送感測數(shù)據(jù)，不需被動(dòng)請(qǐng)求感測數(shù)據(jù)，下圖表為PMS5003接腳說明，出廠默認(rèn)為自動(dòng)模式，最終只需使用到三個(gè)IO（VCC、GND、TXD）。

PMS5003接腳說明

(二)實(shí)作步驟

1. 硬件接線表順序

首先將18650電池裝入MbitbotLite（注意正負(fù)極標(biāo)示），接著將Circus 7697D插入7697:bit breakout 擴(kuò)展板，再將7697:bit breakout 擴(kuò)展板插入Mbitbot Lite，PMS5003、AM7020請(qǐng)對(duì)照以下表格連接

2.AM7020 BlocklyDuino積木使用說明

接下來將詳細(xì)說明AM7020BlocklyDuino各個(gè)積木的功能及使用方式。

首先，打開BlocklyDuino并找到左側(cè)ICSHOP里面的AM7020積木，點(diǎn)開后如下圖所示：

紫色區(qū)塊為AM7020 NB-IoT相關(guān)積木，負(fù)責(zé)將AM7020初始化，并連接到電信商基地臺(tái)。

藍(lán)色區(qū)塊是專為AM7020量身打造的MQTT積木。

以下將依照上圖中的編號(hào)說明各個(gè)積木的功能及參數(shù)：

1. 初始化AM7020 模塊，Baud(鮑率)推薦選擇115200，內(nèi)部已將UART設(shè)定為7697Serial1（Hardware Serial，7697 IO6、IO7）；重起腳位對(duì)應(yīng)到AM7020 模塊EN Pin（用來控制AM7020 Hardware Reset）；此積木只需執(zhí)行一次。

2. 聯(lián)機(jī)到NB-IoT 基地臺(tái)，選擇對(duì)應(yīng)的電信商即可，此積木只需執(zhí)行一次。

3. 用來檢查AM7020NB-IoT 是否與基地臺(tái)聯(lián)機(jī)，回傳是或否，推薦在重復(fù)循環(huán)里檢查。

4. 用來將AM7020NB-IoT重新聯(lián)機(jī)到基地臺(tái)，若與基地臺(tái)斷線可使用此積木快速重新聯(lián)機(jī)。

5. 首次聯(lián)機(jī)到MQTTBroker，輸入MQTT Broker位置（字符串）、端口（整數(shù)，一般為1883）、MQTT ID（字符串）（注意此ID不可與其他同一Broker內(nèi)裝置相同，盡量使用任意字符串加上隨機(jī)隨機(jī)數(shù)組合MQTT ID [e.g. icshop_<隨機(jī)隨機(jī)數(shù)>]），若Broker需要賬號(hào)密碼（字符串）驗(yàn)證則需填入，否則留空即可，KeepAlive（整數(shù)，單位秒）為MQTT 發(fā)送Heartbeat的間隔，用來確保與Broker保持聯(lián)機(jī)，此數(shù)值可依照Broker規(guī)范調(diào)整，以AdafruitIO 為例，5分鐘內(nèi)若都沒有與Broker傳輸一次則Broker將自動(dòng)與Client斷開連接，即若上傳數(shù)據(jù)的間隔超過5分鐘，則KeepAlive必須設(shè)為低于5分鐘（<300s，建議270s）。

6. MQTT 訂閱主題（字符串），須注意此訂閱Qos只支持0。

7. MQTT 發(fā)布訊息，主題（字符串），訊息（字符串），須注意此發(fā)布Qos只支持0。

8. 當(dāng)收到MQTT 訂閱的主題訊息時(shí)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行此積木內(nèi)的程序（注意須搭配第11項(xiàng)積木），定時(shí)呼叫「MQTT處理」積木，只有此積木執(zhí)行時(shí)才會(huì)檢查是否收到訂閱數(shù)據(jù)。

9. 用來檢查MQTT 是否與Broker聯(lián)機(jī)，回傳是或否。

10. 用來將MQTT 重新聯(lián)機(jī)到Broker，若與Broker斷線可使用此積木快速重新聯(lián)機(jī)。

11. 處理MQTT背景程序，負(fù)責(zé)檢查是否收到訂閱數(shù)據(jù)并呼叫第8項(xiàng)積木內(nèi)容；依照第5項(xiàng)積木參數(shù)KeepAlive 定時(shí)向Broker發(fā)送Heartbeat以維持聯(lián)機(jī)狀態(tài)（須注意盡量避免過久呼叫此積木，否則將無法實(shí)時(shí)接收訂閱數(shù)據(jù)）。

12. 回傳接收到訊息的主題名稱，此積木用來搭配第8項(xiàng)積木，依照主題名稱判斷訊息來源。

13. 回傳接收到的訊息，此積木用來搭配第8項(xiàng)積木。

以上就是關(guān)于AM7020BlocklyDuino積木說明，若是想了解其詳細(xì)特性可參考上述說明；如果只是一般使用的話，可依照以下范例程序操作即可。

3. 設(shè)定云端平臺(tái)

此次項(xiàng)目使用AdafruitIO作為云端平臺(tái)，首先要設(shè)定Group（群組）與Feed（節(jié)點(diǎn)），設(shè)定的方式如下圖所示

接下來是建立Dashboard(儀表板)，請(qǐng)參照下圖設(shè)定。

4. 程序設(shè)計(jì)

以上我們?yōu)榇蠹医榻B了物聯(lián)網(wǎng)的概念，與NB-IoT的特性及用途，并且認(rèn)識(shí)此次項(xiàng)目的各個(gè)零件功能與用途，以及了解AM7020積木的使用方式與注意事項(xiàng)，接下來我們將結(jié)合前述的信息及零件完成NB-IoT 項(xiàng)目。

●目標(biāo)功能

1.將PMS5003PM1.0、PM2.5、PM10懸浮微粒數(shù)值顯示在OLED上。

2.將AM7020聯(lián)機(jī)狀態(tài)顯示在OLED上（第一行）。

3.每分鐘將PMS5003PM1.0、PM2.5、PM10懸浮微粒數(shù)值上傳（Protocol使用MQTT）至云端AdafruitIO平臺(tái)。

4.使用AM7020 MQTT訂閱兩個(gè)AdafruitIO平臺(tái)顏色選擇器主題，用以控制Mbitbot Lite板上兩顆WS2812 LED燈。

5.接收到云端訊息時(shí)，利用蜂鳴器發(fā)出「嗶」一聲通知使用者。

●程序初始化

在開發(fā)板7697初始化里，我們只需做以下三件事情即可：

1. 建立程序所需變量。

(1)變數(shù)timer（無號(hào)長整數(shù)），初始值0，用來記錄發(fā)布訊息的時(shí)間間隔。

(2)變數(shù)oled_timer（無號(hào)長整數(shù)），初始值0，用來記錄更新OLED的時(shí)間間隔。

2. 初始化MbitbotLite上的兩顆WS2812 LED、初始化OLED、AM7020、將AM7020聯(lián)機(jī)到基地臺(tái)，過程中透過OLED顯示聯(lián)機(jī)狀態(tài)（顯示在OLED第一行）。

3. 設(shè)定MQTT 各項(xiàng)參數(shù)（請(qǐng)務(wù)必將MQTTID、賬號(hào)、密碼改為自己的，勿依照下圖范例輸入一樣的數(shù)據(jù)）并聯(lián)機(jī)到MQTT Broker（范例中使用AdafruitIO）、訂閱兩個(gè)顏色選擇器主題（icshop.rgb-l、icshop.rgb-r）、顯示MQTT聯(lián)機(jī)狀態(tài)、歸零發(fā)布定時(shí)器。

●重復(fù)執(zhí)行

1. 讀取PMS5003傳感器數(shù)據(jù)

2. 檢查AM7020NB-IoT聯(lián)機(jī)狀態(tài)，若斷開聯(lián)機(jī)則更新OLED顯示狀態(tài)并重新聯(lián)機(jī)到基地臺(tái)。

3. 檢查MQTT聯(lián)機(jī)狀態(tài)，若斷開聯(lián)機(jī)則更新OLED顯示狀態(tài)并重新聯(lián)機(jī)到MQTTBroker，聯(lián)機(jī)完成后重新訂閱主題（icshop.rgb-l、icshop.rgb-r）。

4. 執(zhí)行MQTT 處理用以實(shí)時(shí)接收訂閱數(shù)據(jù)。

5. 檢查是否已到達(dá)發(fā)布訊息的間隔并發(fā)布數(shù)據(jù)到各主題上（icshop.pm1、icshop.pm2-5、icshop.pm10）。

6. 檢查是否已到達(dá)更新OLED的間隔并更新OLED顯示內(nèi)容（顯示MQTT聯(lián)機(jī)狀態(tài)、PM1.0、PM2.5、PM10感測數(shù)值）。

●處理收到的MQTT訂閱數(shù)據(jù)

1. 當(dāng)收到訂閱數(shù)據(jù)時(shí)透過蜂鳴器發(fā)出「嗶」一聲（聲音長度300ms）。

2. 判斷消息主題（icshop.rgb-l、icshop.rgb-r）并控制WS2812LED顏色。

以上就是所有的積木程序代碼，讀者可以依照上述程序代碼自行操作或直接下載所有范例程序。

https://github.com/CIRCUSPi/AM7020_X_BlocklyDuino

●查看結(jié)果

回到云端平臺(tái)后我們可以查看PM1.0、PM2.5、PM10傳感器數(shù)據(jù)，長期觀察空氣質(zhì)量，也可透過右邊兩個(gè)顏色選擇器修改裝置上的RGB LED燈顏色；了解了遠(yuǎn)程控制的方式后，我們也可將它改為控制其他裝置，例如：郊區(qū)的路燈、農(nóng)田中的灑水器、遮陽簾、排風(fēng)扇等裝置。

五、小結(jié)

NB-IoT 日漸普及化，并且符合國際標(biāo)準(zhǔn)，擁有不需要自建基礎(chǔ)建設(shè)等多項(xiàng)優(yōu)勢，讓我們可以將物聯(lián)網(wǎng)裝置任意安裝到各種地方，不再需要擔(dān)心網(wǎng)絡(luò)來源、管理以及穩(wěn)定性的問題，這些都是由電信商維護(hù)，我們只需要把重點(diǎn)放在數(shù)據(jù)收集、分析及應(yīng)用上，并且藉由搭配NB-IoT模塊AM7020，積木軟件BlocklyDuino 就能輕松使用NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)于初學(xué)者來說更加容易上手。

編輯：黃飛

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