窄帶物聯網NB-IoT應用開發共性技術（簡體書）

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，形成可複用、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)、人機交互系統(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硬件最小系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，本書將其抽象為固定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應用開發生態系統。

王宜懷，男，1962年2月生，博士，教授、博士生導師、網絡工程系主任；蘇州大學嵌入式系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系統與物聯網專業委員會主任、中國軟件行業協會嵌入式系統分會理事。主要研究方向：嵌入式系統、物聯網與智能控制技術。

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系，是低功耗廣域網LPWAN的重要一員。NB-IoT應用系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、週期長，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象模型，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）和人機交互系統（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通信的設施抽象為MPO，以便簡化應用系統的編程。HCI是通用計算機、筆記本電腦、平板電腦、手機等設備的抽象，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/輸出系統（BIOS）。在此基礎上給出了用戶（User）程序的應用模板，可以使用戶專注于應用程序的開發。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應用層程序的可複用性。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，最大限度地凝練了NB-IoT應用開發過程的一般規律，形成可複用、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緻的工作，在此一併表示誠摯的謝意。
本書雖歷時三載，但鑒於作者水平有限，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

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人機交互系統（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 與人機交互系統（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開發套件的硬件系統快速測試方法 30
3.4.2 終端（UE）與人機交互系統（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-UserPrgUpdate 32
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UECom 46
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HCICom 58
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-Monitor 78
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 複製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 運行已發佈的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佈 171
9.7 本章小結 172
第10章　通過Android APP的數據訪問 173
10.1 查看已發佈的NB-IoT的Android APP 173
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 APP 175
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 APP 189
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