传感器与自动识别技术 课件 项目八 深井水位数据采集系统

项目八深井水位数据采集系统传感器及传感网技术应用引导案例：水位的检测系统性能可靠、运行稳定、覆盖范围广，可实现地下水位的准确测量、快速预警和有效管理，极大限度地减少的系统投入。图8-0-1基于NB-IoT的深井水位探测系统引导案例：地下水位的探测点通过超声波水位检测技术与NB-IoT低功耗广域网技术的结合。系统通过双探头超声波收发器、超声波传感模块检测模拟水位波动的水平移动的障碍物距探头的距离即水位的高度，所测数据在NB-IoT模块本地显示屏显示后，再经NB-IoT网络上传中国电信公网，最终送至新大陆物联网云上的管理项目，实现云端数据监测和报警管理。图8-0-2深井水位采集系统职业能力目标：任务一NB-IoT模块初始化掌握LoRa、NB-IoT等LPWAN组网技术的原理、特点及对比；理解NB-IoT技术的布署、状态、工作模式及特点；掌握lierdaNB模组的引脚定义及和主芯片的连接方式，具备NB-IoT网络的组建能力；掌握应用AT指令完成NB模组的检测、入网连接、状态检测的方法。某市水务部门委托天星公司在全市现有深水井中或开设新钻孔安装地下水位检测装置，并建立全市地下水位集中化管理云平台。水位检测装置安装在深井中，无法经常调换或更换部件；遍布全市的网点需将数据集中上报到控制平台，实现水位的定期观察和水位异常的及时处理。开发方决定基于中国电信公网的支持，采用合适的LPWAN技术构建深井水位检测管网。任务一NB-IoT模块初始化了解LPWAN组网典型技术LoRa、NB-IoT的组网原理、特点及应用方法；熟识NB-IoT技术的布署方式、状态、工作模式；深入了解NB-IoT模块的功能和入网方法，建立基于NB-IoT技术的深井水位检测模拟系统；应用AT指令完成NB模组检测、入网连接、状态检测即NB-IoT模块的初始化任务描述：任务要求：任务一NB-IoT模块初始化任务分析与规划01任务实施03任务小结05知识储备02任务检查与评价04任务拓展与延伸06任务一NB-IoT模块初始化任务分析与计划：任务一NB-IoT模块初始化任务分析与规划01任务实施03任务小结05知识储备02任务检查与评价04任务拓展与延伸06低功耗广域网（LPWAN，Low-PowerWide-AreaNetwork）技术是近年来出现的一项革命性的物联网接入技术，

LPWAN作为低比特率远距离无线通信网络，覆盖范围广、终端节点功耗低、运营维护成本低、网络结构简单，可以同时满足覆盖和续航的要求。LPWAN数据传送速率虽然较低但也足以支持智能抄表、智能停车、共享单车等需要长时间间隔上报数据量少的应用场景。低功耗广域网知识储备图8-1-1LPWAN和传统无线传输技术的比较LPWAN可分为两类：一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术.。一类是工作于授权频谱的，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，比如EC-GSM、LTECat-m、NB-IoT等。低功耗广域网知识储备LoRa技术NB-IoT技术12知识储备LoRaVSNB-IoT3应用AT指令初始化NB-IoT模块45lierda（利尔达）NB-IoT模组1.LoRa技术2018年7月Semtech公司研发了基于扩频调制技术的超远距离无线传输方案-—LoRa低功耗局域网无线标准，并成立了遍及全球的LoRa联盟，使其成为目前应用最为广泛的LPWAN网络技术之一。LoRa采用IEEE802.15.4g标准，工作于Sub-1G的433MHz、868MHz、915MHz等ISM免授权频段，无需申请便可建立网络设备，应用不需要额外支付通信费用，网络架构相对简单。1.LoRa技术图8-1-2LoRaWan网络架构

(1)LoRa网络架构LoRaWAN中采用典型的星形拓扑结构，由大量终端节点、连接器(又称网关或基站）、网络服务器、应用服务器等组成。终端节点可以是水位检测、水表、气表、垃圾箱、火灾检测、气体监测、资产跟踪器等各种设备，所有终端节点均经LoRa模块与连接器/网关间建立多对一的双向通信。连接器/网关通过3G/4G网络或者以太网络连接网络服务器，向其传输由终端采集的数据供其汇总存储与分析，再由网络服务器支持应用服务器根据各种实际需要提取。LoRa适合于低成本大规模的物联网部署。1.LoRa技术(2)Lora技术的特点①改善接收灵敏度，实现低功耗、远距离传输。LoRa无线组网技术信号穿透建筑物的能力很强；可覆盖的范围达约2-10公里；电池寿命可达3~10年；②支持多信道、多数据速率的并行处理，系统容量大。LoRaWAN网关通过2/3/4或者Ethernet技术，建立终端节点与IP网络间的连接。SX1301每天可以接受约150万包数据。LoRa网络中节点数可高达万级甚至百万级，每个网关每天可以处理500万次节点之间的通信。1.LoRa技术(2)Lora技术的特点③基于终端和连接器/网关的系统支持测距和定位。LoRa基于信号在经网关与节点间的多对一的网络中传输时的时间差来进行距离测量。在10km的范围内，LoRa定位精度可达5米。LoRa频段开放即使其得到广泛应用，又易受到其他相同频段设备的干扰。说明检测与提升测一测

1.结合智能抄表、共享单车等应用分析LPWAN的特点。2.LoRaWAN网络由哪些部分组成？网络结构采用什么结构？想一想1.分析共享单车适合用LoRa技术吗？试说明原因。2.作为工作于未授权频谱的LoRa技术，其频谱分布使具备哪些优势与劣势？LoRa技术NB-IoT技术12知识储备LoRaVSNB-IoT3应用AT指令初始化NB-IoT模块45lierda（利尔达）NB-IoT模组2.NB-IoT技术近年来可穿戴产品、车载终端、智能水表电表等基于蜂窝网的M2M物联网终端数量在急剧增长，若其全要占用与手机网络相同的资源，势必会压垮现有的蜂窝网络。重耕GPRS、语音业务等频谱资源，挖掘价值更大的数据通信和物联网应用成为一种可行方案。5G技术带来了更快的网速，使万物智能互联成为可能，而5G商用的前奏就是NB-IoT技术。123NB-IoT的演进历程NB-IoT网络架构NB-IoT的关键技术4NB-IoT的优点2.NB-IoT技术5NB-IoT的应用(1)NB-IoT的演进历程图8-1-3NB-IoT的演进历程NB-IoT为窄带物联网（NarrowBand-InternetofThings）的缩写，是2015年9月3GPP标准组织提出的一种由LTE网络架构演进而来、使用运营商专门划分的授权频段、聚焦于低功耗广域网、支持物联网设备在广域网的蜂窝数据连接的新型LPWAN技术。(1)NB-IoT的演进历程早在2013年，相关业内厂商、运营商即开始发展窄带蜂窝物联网，命名为LTE-M。2014年5月由沃达丰、华为、中国移动、Orange、意大利电信、诺基亚等公司支持的LTE-M在3GPPGERAN工作组立项，被重新命名为CellularIoT。2015年5月，华为和高通共同宣布了NB-CIoT方案。同年8月，爱立信联合几家公司提出了NB-LTE概念。同年9月，NB-CIoT和NB-LTE两个技术方案进行融合，NB-IoT正式诞生。发展历程(1)NB-IoT的演进历程2016年6月实施的3GPPR13协议中NB-IoT核心标准已冻结。R15协议支持NR（即全球性5G标准，重要的蜂窝移动技术基础）与NB-IoT的共存部署方案，确保5G部署后存量的NB-IoT终端业务不受影响。R16协议中NB-IoT仍是LPWAN的主要应用技术，且明确支持NB-IoT接入5G新核心网，确保NB-IoT在5G时代持续发展。新推出的R17协议中，爱立信、高通等公司明确提出R17LPWAN基于NB-IoT继续演进。标准演变123NB-IoT的演进历程NB-IoT网络架构NB-IoT的关键技术4NB-IoT的优点2.NB-IoT技术5NB-IoT的应用图8-1-4NB-IoT网络架构①终端UE（UserEquipment）终端侧主要包含行业终端与NB-IoT模块。行业终端又包括芯片、模组、传感器接口、终端等。NB-IoT模块包括无线传输接口、软SIM装置、传感器接口等。UE遵守CoAP协议通过空中接口Uu连接到eNodeB基站（或称演进节点、E-UTRAN），其中U表示用户网络接口（UsertoNetworkinterface）、u表示通用（Universal）。UE和eNodeB基站间通过Uu实现通信，支持1.4MHz至20MHz的可变带宽，也使得大量UE硬件可采用很低的配置。(2)NB-IoT网络架构图8-1-4NB-IoT网络架构②无线网侧eNodeB一种是整体式无线接入网（SingelRAN），其中包括2G/3G/4G以及NB-IoT无线网，另一种是NB-IoT新建。eNodeB主要承担空口Uu接入处理、小区管理等相关功能，并通过S1-lite接口与IoT核心网进行连接，将非接入层数据转发给高层网元处理。(2)NB-IoT网络架构图8-1-4NB-IoT网络架构③核心网EPC（EvolvedPacketCore）核心网EPC承担与终端非接入层交互的功能，且将关于IoT业务的数据转发到IoT平台接受处理。网络结构可以为NB-IoT独立组网或者与LTE共用核心网两种，其中独立组网(SA)就是建立端到端的5G网络，非独立组网(NSA)则是5G与LTE联合组网。(2)NB-IoT网络架构图8-1-4NB-IoT网络架构④IoT云平台IoT云平台汇聚从各种入网终端得到的IoT数据，且将数据分发给不同的应用服务器AP。AP作为IoT最终的数据汇聚点，根据客户的需求完成数据处理操作。考虑代管和安全等因素，应用服务器AP通过调用物联网平台的开放API来控制设备，物联网云平台则把设备上报的数据转发给应用服务器。⑤应用服务器AP（ApplicationServer）(2)NB-IoT网络架构CoAP(ConstrainedApplicationProtocol，受限应用协议)是IETF专门为受限应用环境设计的物联网专用协议，功能上与HTTP类似，更轻量化且高效。UE的硬件资源配置一般很低，不适合使用HTTP/HTTPs等复杂协议，其与物联网云平台之间即使用CoAP等协议进行通信。物联网云平台与第三方应用服务器AP性能都很强大，考虑代管、安全等因素，两者间的通信一般会使用HTTP/HTTPs应用层协议。关于协议部分的说明(2)NB-IoT网络架构123NB-IoT的演进历程NB-IoT网络架构NB-IoT的关键技术4NB-IoT的优点2.NB-IoT技术5NB-IoT的应用①NB-IoT的布署方式ST-独立部署模式图8-1-5NBIOT布署模式NB-IoT终端发射带宽仅为200kHz的窄带信号，NB-IoT支持独立频段(Stand-alone)、保护频段(GuardBand)、在频段内(In-Band)三种部署模式ST部署独立于运营商的网络，不依赖LTE，在授权频带外面重做，即与LTE完全解耦，适合用于重耕GSM频段。GSM的信道带宽为200KHz，在为NB-IoT预留出180KHz带宽的同时两边还可留10KHz的保护间隔。ST模式可以利用GSM基站，覆盖能力强，IoT容量大，是被采用的主要部署方式。I.ST-独立部署模式（Standalone）(3)NB-IoT的关键技术①NB-IoT的布署方式(b)GB-保护带部署模式图8-1-5NBIOT布署模式GB部署不占LTE资源，要求保护带部署带宽大于200KHz，利用LTE边缘保护频带中未使用的180KHz带宽的资源块。II.GB-保护带部署模式（Guardbandoperation）(3)NB-IoT的关键技术①NB-IoT的布署方式

(c)IB-带内部署模式图8-1-5NBIOT布署模式III.IB-带内部署模式（In-bandoperation）NB-IoT带内部署模式下，Release13为NB-IoT指定了14个频段，国内的NB-IoT主要运行在B5和B8频段。(3)NB-IoT的关键技术②NB-IoT设备的状态转换与工作模式为实现低功耗，NB-IoT设备在Connected(已连接)、Idle(空闲)、PSM（PowerSavingMode，节能）三个状态间转换。

图8-1-6NB-IoT工作状态转换I.连接态(Connected)此状态可收发数据，设备注册入网后立刻进入连接态。数据交互停止一段时间后，模块进入空闲态，时间由核心网决定，范围为1~3600s。(3)NB-IoT的关键技术②NB-IoT设备的状态转换与工作模式图8-1-6NB-IoT工作状态转换II.空闲态(Idle)设备处于空闲态可收发数据，且接收到下行数据后会进入连接态。无数据交互超过一段时间会进入PSM态，时间可由核心网决定。(3)NB-IoT的关键技术②NB-IoT设备的状态转换与工作模式图8-1-6NB-IoT工作状态转换III.节能态（PSM）节能态设备虽然依旧注册在网络，但关闭收发信号机，功率很小，不再监听无线侧的寻呼，信令不可达，无法收到下行数据；有上行数据需要传输或TAU周期（跟踪区更新）结束时会进入连接态。PSM模式持续时间由核心网配置。(3)NB-IoT的关键技术图8-1-7DRX工作模式进一步低功耗，设备又分为DRX、eDRX、PSM三种工作模式，且对每种模式的功耗都有明确的要求。NB-IoT终端在三种模式间进行合理切换。设备在此模式时处于IDLE状态下能较为实时的接收平台下发的数据.DRX模式下设备能够随时随地找到设备。I.DRX-不连续接收工作模式DRX周期设置的越小，接收平台的下发数据时延越小。若干个DRX周期组成一个寻呼时间窗口(PTW)，其大小可由定时器设置，范围为2.56s~40.96s。DRX决定了窗口的大小和寻呼的次数。(3)NB-IoT的关键技术图8-1-8eDRX工作模式eDRX机制即一个完整的Idle过程包含若干个eDRX周期。eDRX周期可用定时器配置，范围为20.48秒~2.92小时。每个eDRX周期中又包含了若干个DRX寻呼周期。II.eDRX-扩展不连续接收工作模式eDRX模式可以理解为网络先开一会、再停一会。开时能收到数据，停时收不到数据。停的时间可配置为从几十秒到几个小时。此模式下设备的功耗低至0.2mA左右。(3)NB-IoT的关键技术图8-1-9PSM工作模式进一步低功耗，设备又分为DRX、eDRX、PSM三种工作模式，且对每种模式的功耗都有明确的要求。NB-IoT终端在三种模式间进行合理切换。在活跃时间(ActiveTime)超时后，NB-IoT终端由空闲态进入PSM模式，即处于休眠状态。III.PSM-省电工作模式（PowerSavingMode）eDRX模式可以理解为网络先开一会、再停一会。开时能收到数据，停时收不到数据。停的时间可配置为从几十秒到几个小时。此模式下设备的功耗低至0.2mA左右。(3)NB-IoT的关键技术三种模式的应用也需要根据具体场景合理选择，如共享单车开锁场景中一般都需要DRX模式支持较快的响应；又如货物物流监控，隔一两个小时观察一下位置即可，用eDRX是比较合适的；像远程水表煤气表，只要隔几天给服务器传输一次读数即可，需要用PSM模式，也是最省电的模式。(3)NB-IoT的关键技术(a)TI出品的NB-IoT终端

(b)新大陆物联网套件NB-IoT模块图8-1-10NB-IoT终端(3)NB-IoT的关键技术123NB-IoT的演进历程NB-IoT网络架构NB-IoT的关键技术4NB-IoT的优点2.NB-IoT技术5NB-IoT的应用①广覆盖(4)NB-IoT技术的优点②低功耗与GSM相比，覆盖面积提升了100倍，能轻易覆盖地下车库、地下室、地下管道等场所；其上行工具谱密度增益17dB，2~16倍的重传机制以付出延时为代价换取增益为3-12dB。设备一直在线，但是通过减少不必要的信令、更长的寻呼周期及终端进入PSM状态等机制来达到省电的目的，有些场景的电池供电可以高达10年之久。NB-IoT技术特别适用于一些不能经常更换电池的设备和场合，如安置于高山荒野偏远地区中的各类传感监测设备，移动性的管理可以简化。③低成本(4)NB-IoT技术的优点④大连接基于蜂窝网络，可直接部署于现有的LTE网络，NB-IoT无需重新建网，射频和天线基本上都是复用的，运营商部署成本也比较低。低速率、低功耗、低带宽同样给NB-IoT芯片以及模块带来低成本优势。模块预期价格不超过5美元。NB-IoT基站的单区可支持超过5万个用户终端与核心网的连接，比现有2G、3G、4G有50～100倍的用户容量提升。NB-IoT终端99%的时间都工作在节能模式（PSM），处于深度睡眠。⑤授权频谱(4)NB-IoT技术的优点⑥安全性NB-IoT可直接部署于LTE网络，也可以利用2G、3G的频谱重耕来部署，无论是数据安全和建网成本，还是在产业链和网络覆盖，相对于非授权频谱都具有很强的优越性。继承4G网络安全的能力，支持双向鉴权和空口严格的加密机制，确保UE在发送接收数据时的空口安全性。123NB-IoT的演进历程NB-IoT网络架构NB-IoT的关键技术4NB-IoT的优点2.NB-IoT技术5NB-IoT的应用(5)NB-IoT的应用图8-1-11智能抄表无线传感网体系在低速物联网领域，NB-IoT技术在成本、覆盖、功耗、连接数等方面性能卓越，被广泛应用于公共事业、医疗健康、智慧城市、农业环境、物流仓储、智能楼宇、制造行业等领域。LoRa技术NB-IoT技术12知识储备LoRaVSNB-IoT3应用AT指令初始化NB-IoT模块45lierda（利尔达）NB-IoT模组3.LoRa技术和NB-IoT技术的比较表8-1-2NB-IoT与LoRa技术参数对比检测与提升测一测

1.综合描述NB-IoT技术的特点。2.LoRaWan网络由哪几部分组成？简述LoRaWan网络的通信体系？想一想1.调查NB-IoT技术对企业生产带来哪些变化？2.请调查TI公司的NB-IoT模块的参数及应用场景。LoRa技术NB-IoT技术12知识储备LoRaVSNB-IoT3应用AT指令初始化NB-IoT模块45lierda（利尔达）NB-IoT模组4.lierda（利尔达）NB-IoT模组图8-1-12NB86-G系列模组lierdaNB86系列模组基于HISILICONHi2110的Boudica芯片开发，符合3GPP标准，为全球领先的NB-IoT无线通信模块.(1)NB86-G系列模组简介LCCandStampholepackage封装，20mm×16mm×2.2mm，重1.3g；VBAT为3.1V～4.2V、VDD_IO为2.1V～4.2V,超低功耗达到≤3uA；发射功率为23dBm±2dB（Max），最大耦合损耗MCL为164dBm，最大链路预算较GPRS或LTE提升20dB；工作温度-30℃~＋85℃；2路UART接口、1路SIM/USIM卡通信接口、1个复位引脚、

1路ADC接口、1个天线接口等类型丰富的接口；支持3GPPRel.13/14NB-IoT无线电通信接口和协议，可内嵌Ipv4、UDP、CoAP、LWM2M等网络协议栈；所有器件符合EURoHS标准，支持频段Band1、3、8、5、20、28；模组内部MCU可供终端用户二次开发。4.lierda（利尔达）NB-IoT模组(2)NB86-G模块引脚描述图8-1-13NB86-G引脚处理表8-1-4NB86-G引脚说明4.lierda（利尔达）NB-IoT模组(2)NB86-G模块引脚描述图8-1-13NB86-G引脚处理表8-1-4NB86-G引脚说明检测与提升测一测

lierdaNB86系列NB模组的有哪些特点？结合模组的参数指标说明其特点？想一想lierdaNB86系列NB模组通过什么方式实现终端的NB-IoT入网？LoRa技术NB-IoT技术LPWAN技术简介和分类出现、性能，分类网络架构结构体系、终端节点形式特点灵省远，并快大，测距定位LWAN模组简介

四—封装、功耗、接口、协议与频率NB86-G模块引脚描述引脚分布、描述与应用任务小结lierdaNB-IoT模组简介演进历程网络架构网络组件与组网形式关键技术

三种布署方式、设备的状态转换与工作模式优点与应用谢谢大家学习汇报人：XXX汇报时间：XX年XX项目八深井水位数据采集系统传感器及传感网技术应用某市水务部门委托天星公司在全市现有深水井中或开设新钻孔安装地下水位检测装置，并建立全市地下水位集中化管理云平台。水位检测装置安装在深井中，无法经常调换或更换部件；遍布全市的网点需将数据集中上报到控制平台，实现水位的定期观察和水位异常的及时处理。开发方决定基于中国电信公网的支持，采用合适的LPWAN技术构建深井水位检测管网。任务一NB-IoT模块初始化了解LPWAN组网典型技术LoRa、NB-IoT的组网原理、特点及应用方法；熟识NB-IoT技术的布署方式、状态、工作模式；深入了解NB-IoT模块的功能和入网方法，建立基于NB-IoT技术的深井水位检测模拟系统；应用AT指令完成NB模组检测、入网连接、状态检测即NB-IoT模块的初始化任务描述：任务要求：任务一NB-IoT模块初始化任务分析与规划01任务实施03任务小结05知识储备02任务检查与评价04任务拓展与延伸06LoRa技术NB-IoT技术12知识储备LoRaVSNB-IoT3应用AT指令初始化NB-IoT模块45lierda（利尔达）NB-IoT模组5.应用AT指令初始化NB-IoT模块NB模组的工作状态配置、连网测试以及终端UE向云平台的数据上报都是NB-IoT模块中NB模组接收并执行主芯片发送给它的AT指令完成的。应用AT指令使NB模组完成初始化、搜索入网、向云平台发送按CoAP协议封装的数据包的处理过程大体可分5个阶段，(1)检测NB模组基本信息检测。AT：检测NB模组是否处于可用状态。

如果模组可用，返回OK。AT+CGMI：请求制造商名称。AT+CGMM：请求模块生产编号/模型。AT+CGMR：请求模块版本信息。(2)检测通信参数。AT+CIMI：查询IMSI信息。如果返回具

体数值，说明已经正常识别SIM卡。AT+CSQ?：查询信号强度。5.应用AT指令初始化NB-IoT模块(3)设置连接通知，支持通信状态跟踪。AT+CSCON=1：设置基站连接通知。

如果执行成功，返回OK。AT+CEREG=2：设置核心网连接通知。

如果执行成功，返回OK。AT+NNMI=1：开启下行数据通知。

如果执行成功，返回OK。(4)建立入网连接。AT+CFUN=1：设置开启NB-IoT模块射频单元。AT+CGATT=1：NB-IoT模块尝试入网。如果执行成功，返回OK。AT+NCDP=IP,Port：建立NB-IoT模块与云平台服务器的连接。

其中IP为服务器的IP地址，Port为服务器为NB-IoT建立连接的端口，多为5683。5.应用AT指令初始化NB-IoT模块(5)检测模块工作状态。AT+CFUN?：检测NB-IoT模块是否处于全工作模式，即打开射频电路搜索信号。

如果返回0表示射频单元未正常开启工作。AT+CSQ?：查询信号强度。返回的第一个数值代表信号强度，0~31代表有信号，

数值越大信号越强，99代表没有NB-IoT网络信号；第二个参数还未定义，一直为99。AT+CGATT?：查询是否模块附着成功。返回1代表成功，0则表示未成功。AT+CEREG?：查询网络注册状态，返回值如“0,0”。第二个数值返回1代表网络

注册成功；返回2代表正在注册网络，注册时间和信号强度有关。AT+CSCON?：查看NB-IoT模块工作的连接状态，返回值为“<n>,<mode>”。

<mode>为0表示模块处于Idle态，为1表示NB-IoT模块处于Connected态；检测与提升测一测

1.按如下流程写出相应AT指令序列：（1）检测可用否；(2）检查信号强度；(3）开启下行数据通知；(4）建立NB模块与云平台服务器的连接。想一想调查四类AT指令的格式有什么区别？本小节给出AT指令各属于哪一类？NB-IoT模组与主芯片间的通信结构NB-IoT模块与应用AT指令初始化说明12任务规划与设计1.NB-IoT模组与主芯片间的通信结构图8-1-14NB-IoT模块主部件通信结构新大陆实训套件NB-IoT模块中两大部件的通信结构。主芯片STM32通过串口USART2以9600bps的速率和lierdaNB86-G模组建立串行通信，向NB86-G模组发送AT指令，进行NB86-G模组的配置管理和UE入网及数据上报功能。STM32串口USART1则以115200bps的速率支持上位机向其烧写程序。2.NB-IoT模块与应用AT指令初始化NB-IoT模块上设计有拨码开关实现程序启动与下载选择（见①处）、串口选择（见②处）及相应的引脚连通选择（见③处），设有【复位】按键（见④处）重启主芯片中程序和其他三个支持自主功能开发的按键KEY2（见⑤处）、KEY3（见⑥处）、KEY4（见⑦处）；反面设计有SIM卡的插槽（见⑧处）。图8-1-15NB-IoT模块模组说明2.NB-IoT模块与应用AT指令初始化通过串行通信建立NB-IoT模块和上机位的连接；上位机上应用“串口调试助手”等工具软件向NB模组发送AT指令，完成NB模组的检测、配置与状态测试，最终使其与NB-IoT网络基站建立连接。应用AT指令对NB模组初始化任务一NB-IoT模块初始化设备与资源准备：实施流程：任务一NB-IoT模块初始化1.建立硬件连接按图所示将NB-IoT模块正确放置在NEWLab平台上，并按照标注①、②、③所示完成连接串口线电源线的连接、将开关旋钮旋至通讯模式，最后为底座加电。图8-1-16NB-IoT模块配置准备调整使主芯片经UART2向NB-IoT模组发送信息图8-1-16NB-IoT模块配置准备2.实现主芯片与NB模组间的连接设置(1)把④处拨码开关1、2向上方拨，拨码开关3、4向下方拨，即选通丝印为NB_TX、NB_RX的连接；(2)把⑤处开关向右方向拨，即拨向丝印NB串口。完成两处拨码开关调整后，即选通了上位机与NB串口连通的NB通信；(3)将⑥处开关拨向左方向丝印【启动】处，使NB-IoT模块进入正常工作状态。3.设置串口通信参数与NB通信匹配图8-1-18应用串口调试助手连接NB-IoT模块图8-1-17上位机端查看串口先在上机位的【设备管理器】面板中查看当前连接NB-IoT模块的串口；再启动“串口调试助手”类工具软件并设置通信参数后，打开串口，建立配置连接。注意【波特率】设置为9600。4.应用AT指令进行模块参数检测图8-1-19NB模组可用否检测图8-1-20NB模组IMEI、模块版本检测【AT】检测NB模组是否可用；【AT+CIMI】查询IMSI信息,测正常识别到否SIM卡；【AT+CGMM】读取模块生产编号/模型；处理流程5.应用AT指令配置NB模组入网连接图8-1-21查询信号强度、尝试入网图8-1-22建立与服务器的连接【AT+CSQ】查询网络信号强度;【AT+CGATT=1】配置模组入网;【AT+NCDP=IP,Port】使模组建立与云平台服务器的连接;处理流程5.应用AT指令配置NB模组入网连接图8-1-23开启射频入网及设置连接通知图8-1-24NB模组的工作状态检测【AT+CFUN=1】设置开启模组射频单元，结果显示成功；【AT+CSCON=1】设置开启基站连接通知;【AT+CEREG=2】设置开启核心网连接通知;【AT+NNMI=1】开启下行数据通知;处理流程6.检测NB模组的工作状态【AT+CEREG?】查询网络注册状态，返回值第二个数返回1代表网络注册成功，返回2代表正在注册网络，其中注册时间和信号强度有关;【AT+CSCON?】查看模块工作的连接状态，返回值为【1，0】，第二个返回值0表示模块处于Idle态，若为1表示模块处于Connected态;主芯片中执行的应用程序经串口UART2向NB模组发送AT指令，控制其完成检测、入网及通知配置，使网络通信进入正常状态后，执行【AT+NMGS=长度，数据串】将按协议封装的数据发往UE向云端服务器。处理流程成功建立连接且完成各项连接通知设置后，执行后继指令进行NB模组当前工作参数的手动检测：任务分析与规划01任务实施03任务小结05知识储备02任务检查与评价04任务拓展与延伸06任务一NB-IoT模块初始化任务小结知识与技能提升任务拓展应用AT指令完成NB-IoT模块的请求制造商名称查询、查询IMSI信息查询、开启设置基站连接通知、与本机的5683口建立连接。延伸阅读基于NB-IoT网络的智慧照明图8-1-26基于NB-IoT的智慧路灯及关键部件职业能力目标：任务二超声波传感器的应用掌握超声波传感器的工作原理、特性和测量电路等理论，掌握选择和应用方法；具有应用超声波传感器的系统搭建、调试与测量的能力；掌握用FlashLoaderDemonstrator进行NB-IoT模块的烧写方法。超声波传感器测水位技术已经相当成熟，出于对检测的精度、可靠性、稳定性和设备使用寿命、安装维护等因素的考虑，深井水位探测系统中决定选择超声波液位计。本任务将超声波传感器水位检测装置经NB-IoT模块接入网络，并将面向STM32L15C8主芯片和NB模组的开发程序烧写入NB-IoT模块，使NB-IoT模块的LED屏显示超声波传感器检测的结果。任务二超声波传感器的应用掌握超声波传感器的工作原理、特性和测量电路，完成传感器的选择；熟练进行超声波传感器相关资料查阅，能够实现传感器的选择与应用；构建并调试水位检测系统，完成应用超声波传感器的数据采集；向NB-IoT模块烧写.hex文件，完成通过LED屏观察超声波传感器检测的结果任务描述：任务要求：任务二超声波传感器的应用任务分析与计划：任务二超声波传感器的应用任务分析与规划01任务实施03任务小结05知识储备02任务检查与评价04任务拓展与延伸06了解超声波传感器超声波传感器的工作原理及应用12知识储备1.了解超声波传感器超声波是频率高于20000赫兹的声波，振动频率高于机械波，具有频率高、波长短、方向性好、穿透本领强、绕射现象小、有多普勒效应等特点，因此基于超声波的特性研制出超声波传感器，在工业、生物医学、国防等各个领域得到广泛应用。图8-2-1声波按频率界限的类别划分超声波传感器是将超声波信号转换成电信号的传感器，其利用不同介质对超声波传播的影响来探测物体和进行测量，主要涉及超声波的产生、传播与接收以及信号的加工处理。不同类型的超声波传感器形态各异，密封形式有塑料的、不锈钢的，外形有圆形、柱形、方形的。1.了解超声波传感器图8-2-2固体超声波探头

(a)单晶直探头(b)双晶直探头(C)接触式斜探头超声波传感器又称为超声波探头。固体超声波探头分单晶直探头、双晶直探头、斜探头。1.了解超声波传感器直探头发出一束持续时间很短的超声波，垂直投射到试件内后遇到反射界面后反射回到探头，其发射与接收分时工作，测量精度低且控制电路复杂。双晶直探头是将两个单晶探头组合在一起，即将两片压电晶片装配在同一个壳体内，两片晶片分别完成超声波发射和超声波接收。双晶探头收发同时，检测精度比单晶直探头高，控制电路也比单晶直探头简单。斜探头是将压电晶片粘贴在与底面成30°、45°等角度的有机玻璃斜楔上，当楔块与不同材料的试件接触时，超声波将按一定角度折射入试件中，在介质中经多次反射传播到较远处，到达接收探头。1.了解超声波传感器图8-2-3空气超声波传感器空气超声波探头作为典型的超声波探头，应用时不需要与试件接触，超声波发射出后在空气中传播时遇障物后发生反射，再传播到接收探头。检测与提升测一测

超声波传感器的信号检测依据是什么？涉及哪些环节？想一想虽然各类超声波传感器的形态虽有不同，但共同点也很突出，同学们发现了吗？说说有哪些？了解超声波传感器超声波传感器的工作原理及应用12知识储备123超声波传感器的工作原理超声波传感器的特性超声波传感器的应用2.超声波传感器的工作原理及应用(1)超声波传感器的工作原理图8-2-4超声波探头的内部结构超声波探头的核心部件是一块压电晶片即振子。传感器引脚外接高频电压脉冲时，压电晶片因电致伸缩效应将高频电振动转换成机械振动，产生超声波并向外发射。超声波传感器检测到超声波时，压电晶片因正压电效应，将机械振动的机械能转换成电振动信号。(1)超声波传感器的工作原理图8-2-5两个探头收发协作过程超声波传感器的应用系统由发送器、接收器、控制部分和电源构成。发送器由发送器和换能器构成，换能器用于将振子振动产生的能量转换为超声波的形式并向空中辐射接收器部分由换能器和放大电路构成，换能器用于接收超声波产生机械振动以将其转换为电能。控制部分主要完成对整体系统工作的控制，如控制发送器发送超声波、判断接收器是否接受超声波、识别已接受超声波的大小等等；电源部分主要为系统的工作提供能量。(1)超声波传感器的工作原理图8-2-6超声波传感器应用的类型超声波发射器与接收器分别置于被测物两侧的方式称为透射型。透射型可以用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。(a)透射型

(b)分离式反射型

（c）一体化反射型超声波发射器与接收器置于同侧的属于反射器，又因发射器与接收器是否合为一体分为分离式反射型和一体化反射型。反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。实际应用中，超声波传感器的发射探头和接收探头多做成一体。采用超声波传感器可以进行非接触式测量距。123超声波传感器的工作原理超声波传感器的特性超声波传感器的应用2.超声波传感器的工作原理及应用(2)超声波传感器的特性工作频率当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。工作温度超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。灵敏度机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。指向性指向性表征超声波传感器探测的范围。圆形压电晶片发射出的超声波波束截面类似椭圆，具有一定的指向性。图8-2-7超声波的方向性123超声波传感器的工作原理超声波传感器的特性超声波传感器的应用2.超声波传感器的工作原理及应用(3)超声波传感器的应用图8-2-8超声波测距应用场景(3)超声波传感器的应用图8-2-9超声波传感器单元电路单片机在程序控制下产生频率为40kHz的标准数字脉冲信号其经具有放大功能的脉冲发送电路送至发送器，引起发送器的压电晶片产生逆压电效应，将高频电振动转换成机械振动，产生超声波向外发射。超声波信号因良好的指向性直线传播至障碍物，反射回的超声波信号引起接收器中的敏感元件的压电效应产生周期性的电压脉冲信号，再经具有放大和锁相环检波功能的接收电路进行信号放大和与标准电压脉冲的匹配处理后，送至单片机系统。超声波发射器发射出超声波并在发射时系统开始计时，超声波在空气中传播碰到障碍物立即返回后被超声波接收器收到立即停止计时。在温度相对稳定的空气中超声波以为固定的速度沿直线传播，将超声波传输时间和速度代入距离公式，可以得出超声波传播的距离。目前超声波测距的量程能达到百米。根据目标不同，超声波测距体现为超声波测厚度、探伤、建筑工地或工业现场距离测量等不同的应用。检测与提升测一测

描述两个超声波探头收发协作的过程。想一想调查常用汽车倒车雷达中使用的超声波探头的参数，分析其特性。除教材中提到的调查超声波探头还有哪些特性？了解超声波传感器NB-IoT模块的烧写12任务规划与设计了解超声波传感器NB-IoT模块的烧写12任务规划与设计1.超声波传感部件图8-2-10超声波传感模块与探头的组装深井水位检测模拟系统将探头安装在超声波传感器模块上，采用了TCT40-16R/T超声波收发器，供电采用5V和3.3V，两种发射频率为40KHz，测距可达1.2m以上。(1)超声波发送电路图8-2-11超声波发送电路STC15W408S及外围电路构成超声波信号源电路。单片机的SIG_OUTA（TP8）、SIG_OUTB(TP9)向L9110输入控制信号，使其在内部经过H桥驱动超声波发生器生成超声波向外发射，且输入滤波信号供回波检测识别用。L9110是一个两通道推挽式功率放大专用集成电路，接收两个TTL/CMOS兼容电平的输入，将分离的电路集成单片IC中，具有较大的电流驱动能力，能直接驱动电机的正反向运动，这里用来驱动超声波发送器。(a)单片机主要引脚(b)L9110驱动电路(2)超声波接收电路图8-2-13超声波接收电路超声波接收器与由LM324组成的三级放大电路相连。接收器接收到超声波信号，由放大器进行放大后并与发送时同步生成的滤波信号比较，得到匹配后的接收信号。(3)应用超声波传感模块检测模拟水位图8-2-14超声波传感器模块输出端子时序超声波传感模块可测试距离范围为2cm~1.2m；超声波传感模块的J1输入检测启动信号和检测停止信号，J2在超声波发出时输出上升沿、在检测到超声波回波时输出下降沿而形成与宽度与超声波传传输距离成正比的距离脉冲输出信号。(3)应用超声波传感模块检测模拟水位测量过程中，先使【测量触发信号】端子J1输出低电平即进入测距状态，而后接收【距离脉冲输出】端子J2输出脉冲。当【测量触发信号】端子J1持续处于低电平时，重复测试的周期约为50mS。将超声波传感模块上J1、J2端子接到NB-IoT模块通用数字I/O接口且分别设置为GPIO输出模式和输入模式。其中连接J2端子的MCU引脚要设置为复用推挽输出。根据分离反射型应用的原理，距离的计算可采用公式L=C×T/2，其中C---超声波在空气中的传播速度；T--超声波自探头发射到经障碍物反射后的回波被探头接收传播的时间，即【距离脉冲输出】端子输出的脉冲波的波宽。了解超声波传感器NB-IoT模块的烧写12任务规划与设计2.NB-IoT模块的烧写FlashLoaderDemonstrator功能强大、使用简单，适用于为STM32烧写程序的软件,烧写程序时要串口通信参数为波特率为115200bps、数据位为8、奇偶检验为Even、停止位为1，且将MCU的boot0引脚置高电位处理。图8-2-15FlashLoaderDemonstrator实现程序烧写2.NB-IoT模块的烧写FlashLoaderDemonstrator功能强大、使用简单，适用于为STM32烧写程序的软件,烧写程序时要串口通信参数为波特率为115200bps、数据位为8、奇偶检验为Even、停止位为1，且将MCU的boot0引脚置高电位处理。图8-2-15FlashLoaderDemonstrator实现程序烧写任务小结知识与技能提升谢谢大家学习汇报人：XXX汇报时间：XX年XX项目八深井水位数据采集系统传感器及传感网技术应用任务二超声波传感器的应用设备与资源准备：实施流程：任务二超声波传感器的应用1.建立硬件连接(1)超声波传感器模块的J1、J2分别与NB-IoT模块扩展接口PB9、SCK相连；(2)将两个模块的GND端口连接起来；(3)NB-IoT模块的PA8口连到继电模块上面单元的RelayIn；(4)继电器输出端接指示灯供电部分。图8-2-16超声波测水位检测系统硬件连接先将超声波收发器牢固安装在超声波模块预留的接口上，再完成模块间的连线。连线处理2.设置串口连接参数图8-2-17设置上位机串口支持程序烧写的通讯参数程序烧写前将NEWLab平台加电，在上机位上设置串口参数要与烧写程序软件FlashLoaderDemonstrator要求的相一致。。3.设定程序烧写状态。图8-2-18NB-IoT模块烧写设置程序烧写前必需将STM32L15C8的boot0引脚置高电位后复位。①处拨码开关拨向右侧下载；②处拨码开关拨向左侧选择M3芯片；③处拨码开关1、2向下，3、4向上进行串口选择；4.进行程序烧写图8-2-21HEX文件选择①首先配置串口号与上位机连接NB-IoT模块串口号一致，其余参数默认值，单击【next】。②选择芯片型号及待烧写HEX文件。③选择烧写的HEX文件图8-2-19烧写软件端口设置图8-2-20芯片类型选择①处拨码开关拨向左侧启动处，②处拨码开关拨向右侧选择NB-IoT模块串口处，③处拨码开关1、2向上，3、4向下进行选通。单击模块的复位按钮，系统执行新程序即进行测距，NB-IoT模块上的LED屏将显示的模拟水位距离超声波收发器的距离。图8-2-20芯片类型选择5.设定模块进入程序执行状态先测试报警指示灯。图8-2-23系统启动及指示灯检测6.水位检测功能测试超声波水位检测终端设计有水位检测及自动报警功能和手动取消报警功能。测试水位检测功能和自动报警功能。模拟待测水位正对探头放置后，第一次按下【KEY2】启动测距，测得数值单位为mm，再次按下【KEY2】结束测距。系统将水位异常时设为120mm左右，水位检测小于120mm值时，指示灯自动亮起发出报警信号；大于125mm时指示灯熄灭。注意

任务小结知识与技能提升任务拓展在水位检测系统工作时，将数字万用表调至直流V档，黑表笔接超声波传感模块的GND端子，红色表笔测量J1触发信号的电压，再测J2距离脉冲输出电压，观察两个端子的输出电压情况。延伸阅读超声波探伤图8-2-25超声波探伤职业能力目标：任务三深井水位采集数据接入云平台掌握NB-IoT网络中UE终端的搭建方法和入网接入操作；能够熟练完成NB-IoT终端的程序烧写和设备调试；能够完成云平台项目创建、设备添加、云端系统运行管理。水位数据采集终端利用超声波传感器采集的深井水位数据在NB-IoT模块上LED屏上展示并不是系统最终目的，而是希望能在云平台上集中监测和分析整个城市的地下水位，在水位出现异常时允许管理人员通NB-IoT网络关注UE终端报警情况，灵活管制报警灯的开关。本任务要求将分布式的水位检测UE终端接入新大陆物联网云平台，实现深井水位检测系统的模拟管控。完成水位数据采集终端的硬件搭建与程序烧写和本地调试；检测UE终端的NB-IoT入网能力；将所有UE终端接入云平台，完成整个深井水位检测系统集中与功能测试。任务描述：任务要求：任务三深井水位采集数据接入云平台任务分析与计划：任务三深井水位采集数据接入云平台任务分析与规划01任务实施03任务小结05知识储备02任务检查与评价04任务拓展与延伸06任务三深井水位采集数据接入云平台接入云平台的NBIOT网络体系架构水位数据采集终端的设计12知识储备1.接入云平台的NBIOT网络体系架构图8-3-1深井水位检测系统网络架构①是项目实现的重点，需要根据功能要求设计硬件体系，完成搭建，并将程序烧写进去；②和③由电信运营商支持，项目实现时可做透明化处理；④在云平台上项目的创建、运维管理需要根据终端上报的数据和需要接受的执行控制人工创建与设定。目前电信云、华为云、阿里云、腾讯云等多家物联网云平台