5G低功耗蜂窝物联网开发与应用

序言1
物联网是以感知技术和网络通信技术为主要手段，实现人、机、物的泛在连接，提供信息感知、信息传输、信息处理等服务的基础设施。随着经济社会数字化转型和智能升级步伐的加快，物联网已经成为新型基础设施的重要组成部分，是新一轮产业革命的重要方向和推动力量。
5G时代的到来，将进一步实现物与物、物与人等更加多元化的连接，进一步推动物联网应用的创新与发展，实现万物智联。我国已经成为全球5G发展最快以及5G基站部署数量最多的国家。5G应用已经覆盖了第一、第二、第三产业等诸多领域，5G赋能经济社会数字化转型的潜能不断释放，近五成的5G应用实现了商业落地。工业互联网的创新应用持续深化扩展，广泛被应用于钢铁、机械、交通、能源等40多个国民经济重点行业，其中“5G 工业互联网”在建项目已经超过1800个。
5G的发展在于应用，其生命力也在于应用。5G的发展需要更多行业、企业的参与，以及更多应用场景的拓展，同时也需要更多了解和掌握5G相关技术的技术人员，从这个角度来说，本书具有较好的现实意义和价值。

目　　录
第1章　5G的发展历程 （1）
1.1　人类的文明发展与通信 （1）
1.2　移动通信的起源与发展 （1）
1.3　从1G到5G来看移动通信技术的发展 （2）
1.3.1　1G：初试锋芒的移动通信系统 （2）
1.3.2　2G：进入数字通信时代的移动通信系统 （3）
1.3.3　3G：百花齐放的数据通信时代 （4）
1.3.4　4G：移动互联网时代的全面爆发 （5）
1.3.5　5G：万物互联时代的到来 （7）
1.4　5G的应用场景 （10）
1.5　5G低功耗蜂窝网络的演进 （10）
1.6　基于Nordic的5G低功耗蜂窝物联网解决方案 （12）
第2章　基于nRF9160模块的硬件设计 （15）
2.1　nRF9160模块简介 （15）
2.1.1　Arm Cotex-M33简介 （16）
2.1.2　支持LTE-M/NB-IoT的低功耗蜂窝网络标准 （16）
2.1.3　支持GNSS （17）
2.1.4　nRF9160模块的版本区别 （18）
2.2　nRF9160模块的主要特性 （18）
2.2.1　nRF9160模块的工作条件 （18）
2.2.2　nRF9160模块的引脚分布 （19）
2.2.3　nRF9160模块的硬件原理图设计 （19）
2.3  nRF9160模块的天线和射频接口 （20）
2.3.1　天线的要求 （20）
2.3.2　天线设计的注意事项 （23）
2.3.3　GPS接口和天线 （25）
2.3.4　射频前端控制接口 （30）
2.3.5　天线和射频测试 （31）
2.4　nRF9160模块的引脚和接口使用建议 （35）
2.4.1　VSS引脚 （36）
2.4.2　GND_Shield引脚 （36）
2.4.3　ENABLE引脚 （36）
2.4.4　VDD1引脚和VDD2引脚 （36）
2.4.5　VDD_GPIO引脚 （38）
2.4.6　GPIO引脚 （39）
2.4.7　DEC0引脚 （40）
2.4.8　nRESET引脚 （40）
2.4.9　SWD接口 （40）
2.4.10　UICC接口 （41）
2.4.11　MAGPIO引脚 （42）
2.4.12　MIPI RFFE接口 （42）
2.4.13　ANT引脚 （43）
2.4.14　AUX引脚 （43）
2.4.15　GPS引脚 （44）
2.4.16　COEX引脚 （45）
2.4.17　Reserved保留引脚 （46）
2.5　nRF9160模块的硬件应用设计 （46）
2.5.1　nRF9160模块的组件布局 （46）
2.5.2　关于天线的要求 （47）
2.5.3　nRF9160模块的放置 （48）
2.5.4　nRF9160模块的散热建议 （48）
2.5.5　PCB层叠的设计考虑 （48）
2.6　小结 （48）
第3章　NCS平台的搭建 （49）
3.1　NCS平台和Zephyr （49）
3.1.1　NCS简介 （49）
3.1.2　Zephyr是什么 （50）
3.1.3　NCS平台和Zephyr的主要区别 （51）
3.2　NCS平台的搭建 （51）
3.2.1　NCS平台的下载安装 （52）
3.2.2　SES嵌入式集成开发环境的搭建 （56）
3.2.3　west命令行工具的安装 （58）
3.2.4　工程示例 （58）
3.3　NCS平台的结构 （62）
3.3.1　文件目录 （62）
3.3.2　API函数的目录 （62）
3.3.3　工程编译后的目录 （63）
3.4　NCS平台的配置 （63）
3.4.1　NCS平台的配置工具 （63）
3.4.2　NCS平台的工程配置 （63）
3.5　nRF9160 DK开发板 （69）
3.5.1　nRF9160 DK开发板的功能 （70）
3.5.2　nRF9160 DK开发板的主要特性 （70）
3.5.3　使用nRF9160 DK开发板连接到蜂窝网络的注意事项 （71）
3.5.4　nRF9160 DK开发板的使用向导 （71）
3.6　LTE-BLE-DEV 评估板 （76）
3.7　小结 （77）
第4章　nRF9160模块的双核处理器 （79）
4.1　nRF9160模块的双核处理器架构 （79）
4.1.1　网络核处理器的使用 （80）
4.1.2　应用核处理器的使用 （82）
4.2　镜像管理 （93）
4.3　小结 （98）
第5章　nRF9160模块的应用核处理器及外设 （99）
5.1　概述 （99）
5.1.1　nRF9160模块应用核处理器的外设简介 （99）
5.1.2　nRF9160模块应用核处理器的外设驱动库 （99）
5.2　UART外设及其使用 （103）
5.2.1　nRF9160模块的UART简介 （103）
5.2.2　Zephyr的UART外设驱动库 （103）
5.2.3　Nordic的UARTE外设驱动库 （109）
5.3　ADC外设及其使用 （112）
5.3.1　nRF9160模块的SAADC简介 （112）
5.3.2　nRF9160模块的SAADC外设驱动库 （113）
5.4　小结 （119）
第6章　低功耗蜂窝物联网原型开发平台Thingy:91 （121）
6.1　背景知识 （121）
6.2　实验目标 （122）
6.3　Thingy:91简介 （122）
6.3.1　Thingy:91的主要特性 （122）
6.3.2　Thingy:91的应用场景 （123）
6.3.3　Thingy:91的硬件组成 （123）
6.3.4　Thingy:91的软件工具 （124）
6.4　Thingy:91的固件更新 （124）
6.4.1　准备工作 （124）
6.4.2　通过USB更新Thingy:91固件 （124）
6.4.3　通过烧录器更新Thingy:91的固件 （128）
6.5　小结 （131）
第7章　基于nRF9160模块和GNSS的定位实现 （133）
7.1　背景知识 （133）
7.1.1　GNSS简介 （133）
7.1.2　nRF9160模块的定位方式 （133）
7.2　GNSS接收机的使用 （134）
7.2.1　启动GNSS接收机 （134）
7.2.2　从GNSS接收机中读取数据 （134）
7.2.3　停止GNSS接收机 （135）
7.2.4　删除存储在非易失性内存中的GNSS数据 （135）
7.3　GNSS接收机的配置 （136）
7.3.1　GNSS接收机工作模式 （136）
7.3.2　GNSS掩码的设置 （137）
7.3.3　GNSS接收机卫星仰角阈值的设置 （137）
7.3.4　GNSS接收机的配置示例 （137）
7.4　基于nRF Cloud的A-GPS库的辅助定位 （142）
7.4.1　A-GPS库的配置 （143）
7.4.2　请求和处理A-GPS数据 （143）
7.4.3　nRF Cloud数据下载的优化方法 （143）
7.4.4　使用辅助数据时考虑的因素 （143）
7.4.5　A-GPS数据的局限性 （144）
7.4.6　A-GPS库的API函数 （144）
7.5　基于nRF Cloud的P-GPS库的辅助定位 （144）
7.5.1　P-GPS库的配置 （145）
7.5.2　P-GPS库的初始化 （146）
7.5.3　关于时间库的说明 （146）
7.5.4　请求和处理P-GPS预测数据 （146）
7.5.5　将P-GPS预测数据写入LTE调制解调器 （147）
7.5.6　应用程序与GNSS模块接口的交互 （147）
7.5.7　P-GPS库的API函数和结构体 （148）
7.6　小结 （152）
第8章　基于nRF9160模块的低功耗蜂窝网络通信 （153）
8.1　背景知识 （153）
8.1.1　LTE-M和NB-IoT简介 （153）
8.1.2　数据传输协议 （154）
8.1.3　安全协议 （155）
8.1.4　应用协议 （155）
8.1.5　云服务和云连接 （158）
8.1.6　本地应用处理 （159）
8.2　实验目标 （160）
8.3　实验准备 （160）
8.4　低功耗蜂窝网络通信例程at_client （160）
8.4.1　例程at_client的功能介绍 （160）
8.4.2　调制解调器库 （161）
8.4.3　例程at_client的构建 （161）
8.4.4　例程at_client的代码详解 （162）
8.4.5　通过例程at_client连接NB-IoT （170）
8.4.6　蜂窝网络链路的监听 （172）
8.4.7　NB-IoT的工作模式 （175）
8.4.8　密钥管理 （180）
8.5　UDP的应用 （181）
8.5.1　背景知识 （181）
8.5.2　例程udp的构建 （181）
8.5.3　UDP应用的代码详解 （183）
8.5.4　例程udp的验证 （187）
8.6　HTTP/HTTPS协议的应用 （188）
8.6.1　背景知识 （188）
8.6.2　例程download的构建 （188）
8.6.3　HTTP/HTTPS协议应用的代码详解 （189）
8.6.4　例程download的验证 （192）
8.7　MQTT协议的应用 （193）
8.7.1　背景知识 （193）
8.7.2　例程mqtt_simple的构建 （193）
8.7.3　MQTT协议应用的代码详解 （193）
8.7.4　例程mqtt_simple的验证 （197）
8.8　小结 （197）
第9章　nRF Cloud及其与nRF9160模块的云通信 （199）
9.1　Nordic Cloud简介 （199）
9.2　nRF Cloud的使用 （200）
9.2.1　注册账户 （200）
9.2.2　获取数字证书 （200）
9.2.3　下载数字证书 （202）
9.2.4　添加LTE设备 （204）
9.3　nRF9160模块与nRF Cloud的云通信例程 （206）
9.3.1　nRF9160模块与nRF Cloud云通信例程的构建 （206）
9.3.2　nRF9160模块与nRF Cloud云通信例程的代码详解 （206）
9.4　nRF9160模块与nRF Cloud云通信例程的验证 （209）
9.5　小结 （210）
第10章　低功耗蜂窝网络透传模块应用例程 （211）
10.1　背景知识 （211）
10.2　实验目标 （212）
10.3　实验准备 （213）
10.4　低功耗蜂窝网络透传例程的构建 （213）
10.5　低功耗蜂窝网络透传例程的代码详解 （213）
10.5.1　低功耗蜂窝网络透传例程的初始化 （213）
10.5.2　扩展AT命令的解析 （214）
10.5.3　在SLM中添加自定义的AT命令 （216）
10.5.4　低功耗蜂窝网络透传例程中包含的扩展AT命令 （216）
10.6　低功耗蜂窝网络透传例程的验证 （218）
10.7　小结 （219）
第11章　Tracker的低功耗蜂窝网络应用例程 （221）
11.1　背景知识 （221）
11.2　实验目标 （222）
11.3　实验准备 （222）
11.4　Tracker例程的构建 （223）
11.5　Tracker例程的代码详解 （224）
11.5.1　Tracker例程asset_tracker_v2的代码架构 （224）
11.5.2　建立MQTT与云服务器的通信 （227）
11.5.3　开启周期性定位模式 （229）
11.5.4　基站定位的实现 （230）
11.5.5　传感器的使用 （231）
11.5.6　Tracker的固件云端空中（FOTA）升级 （232）
11.6　Tracker例程asset_tracker_v2的验证 （233）
11.7　小结 （234）
第12章　低功耗蜂窝网络网关应用例程 （235）
12.1　背景知识 （235）
12.2　实验目标 （236）
12.3　实验准备 （236）
12.4　低功耗蜂窝网络网关例程构建 （237）
12.5　低功耗蜂窝网络网关例程的代码详解 （238）
12.5.1　例程peripheral_uart解析 （238）
12.5.2　例程hci_lpuart解析 （239）
12.5.3　例程lte_ble_gateway_nus解析 （240）
12.6　例程实验验证 （247）
12.7　小结 （247）
第13章　固件云端空中升级 （249）
13.1　背景知识 （249）
13.2　实验目标 （250）
13.3　实验准备 （250）
13.4　应用固件云端空中升级例程application_update （250）
13.4.1　例程application_update简介 （250）
13.4.2　例程application_update的构建 （252）
13.4.3　例程application_update的代码详解 （252）
13.4.4　例程application_update的验证 （258）
13.5　调制解调器差分固件云端空中升级例程modem_delta_update （259）
13.5.1　例程modem_delta_update简介 （259）
13.5.2　例程modem_delta_update的构建 （260）
13.5.3　例程modem_delta_update的代码详解 （260）
13.5.4　例程modem_delta_update的验证 （265）
13.6　调制解调器整包固件云端空中升级例程full_modem_update （266）
13.6.1　例程full_modem_update简介 （266）
13.6.2　例程full_modem_update的构建 （266）
13.6.3　例程full_modem_update的代码详解 （267）
13.6.4　例程full_modem_update的验证 （273）
13.7　小结 （273）
第14章　物联网卡的简介及使用 （275）
14.1　背景知识 （275）
14.1.1　什么是物联网卡 （275）
14.1.2　物联网卡的主要形态 （275）
14.1.3　物联网卡的应用 （276）
14.2　物联网卡的主要功能 （276）
14.3　物联网卡的使用 （277）
14.3.1　物联网卡的开卡 （277）
14.3.2　物联网卡如何在开卡后激活 （278）
14.3.3　物联网卡的计费方式 （278）
14.3.4　机卡绑定的注意事项 （278）
14.4　nRF9160模块的工作模式及物联网卡的使用 （279）
14.4.1　nRF9160模块的工作模式 （279）
14.4.2　在nRF9160模块上使用物联网卡 （280）
14.5　小结 （280）
第15章　nRF9160模块的编程烧录工具 （281）
15.1　背景知识 （281）
15.2　实验目标 （283）
15.3　实验准备 （283）
15.4　nRF9160模块的在线烧录工具 （283）
15.4.1　使用nrfjprog进行在线烧录 （283）
15.4.2　使用west进行在线烧录 （283）
15.4.3　nRF9160模块的命令行批处理烧录 （284）
15.5　nRF9160模块的量产烧录工具 （284）
15.5.1　nRF91高速多通道烧录器简介 （284）
15.5.2　硬件环境准备 （284）
15.5.3　软件环境准备 （285）
15.5.4　上位机烧录软件的使用说明 （285）
15.6　小结 （288）
第16章　基于CMW500的nRF9160模块测试 （289）
16.1　背景知识 （289）
16.2　CMW500简介 （289）
16.2.1　CMW500的常用按键 （290）
16.2.2　CMW500工作参数的设置 （290）
16.3　nRF9160 DK开发板和CMW500的连接 （291）
16.4　烧录测试程序 （291）
16.5　测试LTE-M的设置 （293）
16.6　测试命令 （294）
16.7　NB-IoT信令测试的流程 （294）
16.7.1　添加NB-IoT信令小区 （294）
16.7.2　NB-IoT小区的参数设置 （294）
16.7.3　CMW500与测试模块的连接 （295）
16.7.4　发射功率的测试 （296）
16.8　小结 （297）
参考文献 （299）