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一、介绍
物联网应用范围日渐广泛，小到手表大到各种家电甚至汽车，可见连接因特网的好处非常之多，实时监控、记录、统计装置各种信息，甚至远程控制都可以快速达成，但这都必须以「有因特网」作为前提。目前物联网装置通讯方式大多采用Wi-Fi 无线网络，它拥有高速、大流量的优点，但同时也存在着基础建设较麻烦、讯号覆盖范围短的缺点，应用范围如智能家电（e.g.电视、冰箱、照明灯、风扇等）；而需要时常移动的装置则会采用4G/5G网络，具有高速、大流量、基础安装方便等优点，但相对它的资费较为昂贵、续航力较低（e.g.手机）。
因此，除了采用前述两种通讯方式外，我们还可以选择目前物联网盛行的NB-IoT（Narrowband Internet of Things）通讯方式，它是建立在LTE 基地台基础之下，与4G/5G一样透过电信商的基地台通讯，省去自行维护及建置基础建设的流程，并且具有流量不需要太大、较便宜的资费、方便的基础建设以及省电的特性，例如：在郊区收集大量感测资料并上传至云端分析。
那么我们该如何实际使用NB-IoT 呢？本篇文章就要带大家实作NB-IoT物联网装置，将传感器数据透过NB-IoT 模块上传至云端平台，并且透过云端平台远程控制装置RGB LED。其中我们使用了 Linkit7697 结合OLED、PM2.5悬浮微粒传感器PMS5003，NB-IoT模块AM7020以及相关扩展板来完成此次的NB-IoT 项目；软件的部分使用BlocklyDuino，它提供了图块式的程序设计方式，对于初学者来说更加容易理解与实作。
●材料清单
Circus7697D 双频 2.4G/5G
7697:bitbreakout 扩展板
MbitBotLite 扩展板
PM2.5 浓度传感器 PMS5003
NB-IoT 通讯模块 AM7020
二、BlocklyDuino使用教学
●安装程序
在BlocklyDuino的大家庭中，我们使用的是BlocklyDuinoF1，大致上分成几个步骤，如下所示：
1. 下载BlocklyDuinoV3主程序、其他的「开发板核心函式库」与独立制作的「扩充积木包」，共三个压缩文件案。
2. 接着将这些压缩文件解压缩后，依序将「开发板核心函式库」与「扩充积木包」文件夹内的档案，复制并覆盖到BlocklyDuino V3的文件夹内。
3. 完成上述步骤即完成BlocklyDuinoF1的安装，若您之前已安装过BlocklyDuino F1，为了新增5G Wi-Fi的功能，只需下载新的「扩充积木包」，并同样解压缩覆盖即可，如下图所示：
4. 最终完成图
完成图
三、NB-IoT 到底是什么？
（一）NB-IoT 介绍
NB-IoT是窄频物联网（NarrowbandInternet of Things）的简称，使用的是长期演进技术（LTE）标准的一部份，是由3GPP订定的LPWAN无线电标准，为了让行动设备及服务的范围可以更远，NB-IoT特别着重在室内的覆盖率、低成本、长电池寿命以及高连接密度。
如下图所示，可将物联网架构分成三层，即「感知层」、「网络层」、「应用层」。「感知层」负责收集各种感测资料（e.g.使用Arduino结合SHT31温湿度传感器）；「网络层」提供各种传输数据方式，能进一步将感测数据传递到云端伺服（e.g. NB-IoT、Wi-Fi、4G、5G等）；「应用层」则是取得服务器传感器数据并进一步应用在各种需求上。
有了架构定义之后我们就能知道NB-IoT属于网络层，与WiFi、4G/5G同样是一种提供传输数据的通讯方式。
物联网架构
下图列出了目前市面上的物联网通讯的速度及传输距离，其中NB-IoT分类为LPWAN（Low-Power Wide-Area Network，低功率广域网），是一种用在物联网（例如以电池作为供电来源），可以用低速率进行长距离通讯的无线网络，它的特性非常适合运用在环境监测、智慧建筑、智慧停车等长距离传输、低功耗、低速率的应用上。
物联网通讯的速度及传输距离图表
下图为各种LPWAN的比较图，其中NB-IoT与4G同样属于国际标准，相比4G虽然速度慢了许多，但讯号强度更强、模块成本低、并且非常省电，电池运作时间可长达10年。
LPWAN比较图
了解NB-IoT资费也是重要的一环，以下图表大略计算了NB-IoT的每月资费以及参考情境，参考情境使用MQTT通讯协议，一个数据点可以看作一个传感器所上传的数值，使用者可以根据这些情境大约估算每月数据用量。
NBIo-T月费与参考情境
(三)特性与应用
以下整理出NB-IoT的特性与应用供大家参考：
1. 特性
超低电耗
较低的模块成本
不需要自建基础建设
需要支付月费
有基地台之处即可使用
基站连接速度慢
不适合移动载具
适合各装置点分散，并且位于郊区
适合没有市电的环境
应用
农业物联网：温室农棚、花卉、养殖
电力设备监控：电塔、变电箱、风力机组、太阳能电厂
公用设施：水利设施、瓦斯水表
智慧城市：智慧共杆、共享脚踏车停车桩、汽车收费
环境生态：生态保护、环境监控
NB-IoT 专案
接下来就要与大家分享本篇NB-IoT 实作项目-空气质量检测，首先会跟大家介绍本次项目会使用到的材料，接着是项目的硬件装置连接与程序设定介绍。
(一)材料介绍
1.AM7020 NB-IoT 通讯模块
AM7020 是一款 NB-oT 通讯模块，它在脚位及大小皆能完整相容于Arduino MKR系列产品。内部系统芯片为联发科MT2625，模块为 SIMCOM 的SIM7020E。采 UART 接口运行 AT Command，更方便中低阶处理器使用。
频段支持主要电信商，在 SIM卡的选用上更为弹性便利。AM7020不仅支持宽电压输入外，Grove UART的防呆插槽及附加的 Arduino 范例程序更能让入门用户轻松跨足NB-IoT领域；兼具低功耗、低成本、覆盖广等优势的AM7020，适用于各种场域的物联网装置应用。
AM7020硬件详细请参考之前的文章。
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，超过将自动切断数据联机，下载速度最高5Mbps，须搭配支持4G 或NB-IoT 之终端设备。
3.Circus 7697D
Circus7697D 双频 2.4G/5G (相容 LinkIt 7697)
Circus7697D 双频 2.4G/5G (兼容 LinkIt 7697) 特别增加连接5GHz Wi-Fi频段功能，相较2.4Ghz拥有干扰较少、速度更快的优点，并完全兼容之前的LinkIt 7697。
4.MbitBot Lite 扩展板
MbitBotLite 扩展板
MbitBotLite 扩展板最大特色是具备18650锂电池供电，并且可透过Micro USB充电，让项目能独立稳定运作，其中还提供了多达20Pin的扩充IO，并且输出电压支持3.3/5V，板上还内建了两颗WS2812以及一颗蜂鸣器，使用它作为物联网装置底板是非常合适的选择。
5.7697:bit breakout 扩展板
7697:bitbreakout 扩展板
7697:bitbreakout 扩展板可将 Circus 7697D转换成micro:bit形式，并且完全兼容各种开发环境，在正面还板载两个按钮及1.3吋的OLED，让使用者能够做出更多有趣的应用。
6. PM2.5浓度传感器 PMS5003
PMS5003是一款可量测PM1.0、PM2.5、PM10 悬浮微粒的传感器，通讯方式使用UART，设定成自动模式将会主动传送感测数据，不需被动请求感测数据，下图表为PMS5003接脚说明，出厂默认为自动模式，最终只需使用到三个IO（VCC、GND、TXD）。
PMS5003接脚说明
(二)实作步骤
1. 硬件接线表顺序
首先将18650电池装入MbitbotLite（注意正负极标示），接着将Circus 7697D插入7697:bit breakout 扩展板，再将7697:bit breakout 扩展板插入Mbitbot Lite，PMS5003、AM7020请对照以下表格连接
2.AM7020 BlocklyDuino积木使用说明
接下来将详细说明AM7020BlocklyDuino各个积木的功能及使用方式。
首先，打开BlocklyDuino并找到左侧ICSHOP里面的AM7020积木，点开后如下图所示：
紫色区块为AM7020 NB-IoT相关积木，负责将AM7020初始化，并连接到电信商基地台。
蓝色区块是专为AM7020量身打造的MQTT积木。
以下将依照上图中的编号说明各个积木的功能及参数：
1. 初始化AM7020 模块，Baud(鲍率)推荐选择115200，内部已将UART设定为7697Serial1（Hardware Serial，7697 IO6、IO7）；重起脚位对应到AM7020 模块EN Pin（用来控制AM7020 Hardware Reset）；此积木只需执行一次。
2. 联机到NB-IoT 基地台，选择对应的电信商即可，此积木只需执行一次。
3. 用来检查AM7020NB-IoT 是否与基地台联机，回传是或否，推荐在重复循环里检查。
4. 用来将AM7020NB-IoT重新联机到基地台，若与基地台断线可使用此积木快速重新联机。
5. 首次联机到MQTTBroker，输入MQTT Broker位置（字符串）、端口（整数，一般为1883）、MQTT ID（字符串）（注意此ID不可与其他同一Broker内装置相同，尽量使用任意字符串加上随机随机数组合MQTT ID [e.g. icshop_<随机随机数>]），若Broker需要账号密码（字符串）验证则需填入，否则留空即可，KeepAlive（整数，单位秒）为MQTT 发送Heartbeat的间隔，用来确保与Broker保持联机，此数值可依照Broker规范调整，以AdafruitIO 为例，5分钟内若都没有与Broker传输一次则Broker将自动与Client断开连接，即若上传数据的间隔超过5分钟，则KeepAlive必须设为低于5分钟（<300s，建议270s）。
6. MQTT 订阅主题（字符串），须注意此订阅Qos只支持0。
7. MQTT 发布讯息，主题（字符串），讯息（字符串），须注意此发布Qos只支持0。
8. 当收到MQTT 订阅的主题讯息时会自动执行此积木内的程序（注意须搭配第11项积木），定时呼叫「MQTT处理」积木，只有此积木执行时才会检查是否收到订阅数据。
9. 用来检查MQTT 是否与Broker联机，回传是或否。
10. 用来将MQTT 重新联机到Broker，若与Broker断线可使用此积木快速重新联机。
11. 处理MQTT背景程序，负责检查是否收到订阅数据并呼叫第8项积木内容；依照第5项积木参数KeepAlive 定时向Broker发送Heartbeat以维持联机状态（须注意尽量避免过久呼叫此积木，否则将无法实时接收订阅数据）。
12. 回传接收到讯息的主题名称，此积木用来搭配第8项积木，依照主题名称判断讯息来源。
13. 回传接收到的讯息，此积木用来搭配第8项积木。
以上就是关于AM7020BlocklyDuino积木说明，若是想了解其详细特性可参考上述说明；如果只是一般使用的话，可依照以下范例程序操作即可。
3. 设定云端平台
此次项目使用AdafruitIO作为云端平台，首先要设定Group（群组）与Feed（节点），设定的方式如下图所示
接下来是建立Dashboard(仪表板)，请参照下图设定。
4. 程序设计
以上我们为大家介绍了物联网的概念，与NB-IoT的特性及用途，并且认识此次项目的各个零件功能与用途，以及了解AM7020积木的使用方式与注意事项，接下来我们将结合前述的信息及零件完成NB-IoT 项目。
●目标功能
1.将PMS5003PM1.0、PM2.5、PM10悬浮微粒数值显示在OLED上。
2.将AM7020联机状态显示在OLED上（第一行）。
3.每分钟将PMS5003PM1.0、PM2.5、PM10悬浮微粒数值上传（Protocol使用MQTT）至云端AdafruitIO平台。
4.使用AM7020 MQTT订阅两个AdafruitIO平台颜色选择器主题，用以控制Mbitbot Lite板上两颗WS2812 LED灯。
5.接收到云端讯息时，利用蜂鸣器发出「哔」一声通知使用者。
●程序初始化
在开发板7697初始化里，我们只需做以下三件事情即可：
1. 建立程序所需变量。
(1)变数timer（无号长整数），初始值0，用来记录发布讯息的时间间隔。
(2)变数oled_timer（无号长整数），初始值0，用来记录更新OLED的时间间隔。
2. 初始化MbitbotLite上的两颗WS2812 LED、初始化OLED、AM7020、将AM7020联机到基地台，过程中透过OLED显示联机状态（显示在OLED第一行）。
3. 设定MQTT 各项参数（请务必将MQTTID、账号、密码改为自己的，勿依照下图范例输入一样的数据）并联机到MQTT Broker（范例中使用AdafruitIO）、订阅两个颜色选择器主题（icshop.rgb-l、icshop.rgb-r）、显示MQTT联机状态、归零发布定时器。
●重复执行
1. 读取PMS5003传感器数据
2. 检查AM7020NB-IoT联机状态，若断开联机则更新OLED显示状态并重新联机到基地台。
3. 检查MQTT联机状态，若断开联机则更新OLED显示状态并重新联机到MQTTBroker，联机完成后重新订阅主题（icshop.rgb-l、icshop.rgb-r）。
4. 执行MQTT 处理用以实时接收订阅数据。
5. 检查是否已到达发布讯息的间隔并发布数据到各主题上（icshop.pm1、icshop.pm2-5、icshop.pm10）。
6. 检查是否已到达更新OLED的间隔并更新OLED显示内容（显示MQTT联机状态、PM1.0、PM2.5、PM10感测数值）。
●处理收到的MQTT订阅数据
1. 当收到订阅数据时透过蜂鸣器发出「哔」一声（声音长度300ms）。
2. 判断消息主题（icshop.rgb-l、icshop.rgb-r）并控制WS2812LED颜色。
以上就是所有的积木程序代码，读者可以依照上述程序代码自行操作或直接下载所有范例程序。
https://github.com/CIRCUSPi/AM7020_X_BlocklyDuino
●查看结果
回到云端平台后我们可以查看PM1.0、PM2.5、PM10传感器数据，长期观察空气质量，也可透过右边两个颜色选择器修改装置上的RGB LED灯颜色；了解了远程控制的方式后，我们也可将它改为控制其他装置，例如：郊区的路灯、农田中的洒水器、遮阳帘、排风扇等装置。
五、小结
NB-IoT 日渐普及化，并且符合国际标准，拥有不需要自建基础建设等多项优势，让我们可以将物联网装置任意安装到各种地方，不再需要担心网络来源、管理以及稳定性的问题，这些都是由电信商维护，我们只需要把重点放在数据收集、分析及应用上，并且藉由搭配NB-IoT模块AM7020，积木软件BlocklyDuino 就能轻松使用NB-IoT 网络技术，对于初学者来说更加容易上手。
编辑：黄飞
工商网监
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