基于NB-IoT小熊派开发智慧路灯
场景说明
智慧路灯是城市智能化道路上重要一环，智慧路灯的实施具有节约公共照明能耗、减少因照明引起的交通事故等多种社会意义。路灯也是大家在日常生活中可以强烈感知到的公共设施，更易理解其智能化的场景。
在该文档中，我们基于华为一站式开发工具平台（VS code工具IoTlink插件），从设备（小熊派开发套件）、平台（IoTDA华为物联网平台）、端到端构建一款智慧路灯解决方案样例，带您体验十分钟快速上云。实现智慧路灯检测并上报光照强度，显示在IoTDA控制台，并在IoTDA控制台远程控制LED灯开关的功能。
开发环境
- 硬件：小熊派BearPi-IoT开发套件（包含NB卡、NB模组、智慧路灯功能模块、USB数据线等）。
- 软件：VScode，IoT Link插件、华为云（已开通设备接入服务）、win7及以上版本的64位操作系统（本文以windows 10 64-bit系统调试）。
整体流程
智慧路灯案例的端到端整体流程如下图所示。
该场景主要描述的是设备可以通过LWM2M协议（NB卡）与物联网平台进行交互，应用侧可以查看设备侧属性变化，也可以给设备侧下发命令。
小熊派开发板简介
开发板在物联网系统架构中属于感知设备，该类设备通常由传感器、通信模组、芯片以及操作系统组成。为增加开发板的可扩展性，小熊派开发板没有采用传统的板载设计，而是使用了可更换传感器扩展板以及可更换通信模组扩展板设计，通信模组是数据传输的出入口，常用的通信模组包括NB-IoT，Wifi以及4G等，芯片是设备的主控设备，该开发板内置了一个低功耗的STM32L431单片机作为主控芯片，即MCU。操作系统使用的是华为的LiteOS操作系统，其提供了丰富的端云互通组件。
为了便于开发调试，如图1所示，该开发板板载了2.1版本的ST-Link，它具有在线调试烧录，拖拽下载以及虚拟串口等功能。开发板中间板载一块分辨率为240 * 240的LCD屏幕，其主要用于显示传感器数据以及调试日志。LCD屏幕下方是主控芯片。
开发板右上角具有一个拨码开关，将其拨至左侧AT-PC模式，通过电脑端的串口助手，发送AT指令调试通信模组。右侧AT-MCU模式，通过MCU发送AT指令与通信模组进行交互，将采集到的传感器数据通过通信模组发送到云端。
硬件连接
- 将NB卡插入到NB-IoT扩展板的SIM卡卡槽，确保插卡的时候卡的缺口朝外插入，如图2所示。
- 将光敏传感器以及NB-IoT扩展板插入到开发板上，注意安装方向，然后用USB数据线将小熊派开发板与电脑连接起来。显示屏有显示，电源灯被点亮，说明开发板通电成功。
安装IoT Link Studio插件
IoT Link Studio是针对IoT物联网端侧开发的IDE环境，提供了编译、烧录、调试等一站式开发体验，支持 C、 C++、汇编等多种开发语言，让您快速、高效地进行物联网开发。
- 以win10为例，获取电脑的系统配置：在运行窗口中输入pc，然后单击“属性”，查看系统配置，因为后续安装软件要选择操作系统。
图3 获取系统配置
- 访问 这里 ，根据您电脑系统配置，下载匹配的Visual Studio Code并安装。（本文以windows 10 64-bit系统Visual Studio Code为例。请下载1.49版本，其他版本不支持IoT Link）。
图4 下载Visual Studio Code
注：Visual Studio Code不支持苹果Mac系统。
- 安装成功后，打开VSCode 插件应用商店，搜索 IoT Link 找到IoT Link，然后单击安装。
图5 安装
- 首次启动配置。
IoT Link Studio 首次启动时会自动从网络下载最新的SDK包以及gcc依赖环境，请确保您的网络可用。安装过程中请不要关闭窗口，耐心等待。安装完成后重启VSCode使插件生效。
若您的网络需要配置代理，请在VSCode主页，选择左下角
-设置-应用程序-代理服务器，在Proxy Support下拉框中选择“on”。 - 假如下载SDK包及gcc依赖环境失败，请手动下载SDK包，放到C:\Users\${用户名}\.iotlink\sdk目录下,文件名修改为IoT_LINK。放置完后，重新打开VSCode即可。目录格式如下图：
图6 SDK下载失败
图7 SDK存放目录
配置IoT link Studio工程
- 单击VSCode底部工具栏的“Home”。
- Home：管理IoT Link工程；
- Serial：输入AT指令检查开发板状态；
- Build：编译示例代码（步骤3后可见）；
- Download：把编译后的代码烧录到MCU（步骤3后可见）。
- 配置交叉编译工具链。在弹出界面中单击“IoT Link设置”，选择工具链，若GCC工具目录或文件不存在，单击下载安装。
图8 IoT Link设置
图9 交叉编译工具链
小熊派STM32431下载的编译工具链版本为win32.zip。
- 在弹出界面中单击“创建 IoT 工程”，输入工程名称，工程目录，并选择开发板的硬件平台和示例工程模板。
- 工程名称：自定义，如QuickStart。
- 工程目录：可以使用工具安装的默认路径，也可以选择系统盘以外的其他盘，如D:\。
- 硬件平台：当前提供的demo只适配STM32L431_BearPI硬件平台，请选择STM32L431_BearPI。
- 示例工程：本示例中，我们以智慧路灯为例，请选择oc_streetlight_template，否则烧录的demo样例和在控制台定义的产品模型不匹配，无法上报数据。如果您需要适配智慧烟感等其他场景，请选择对应的oc_smoke_template demo样例。
- 单击“确定”，导入完成。
编译并烧录代码
由于提供的demo样例中已配置好和华为云物联网平台的对接信息，您可以直接编译（代码不用做任何修改），并烧录到小熊派开发板MCU，节省开发时间。
- 单击VSCode底部工具栏的“Build”，等待系统编译完成。编译成功后，界面显示“编译成功”。
- 使用USB数据线，将小熊派开发与电脑连接，开发板右上角的拨测开关拨到右侧“AT-MCU模式”。
- 单击VSCode底部工具栏的“Download”，等待系统烧录完成。烧录成功后，界面显示“烧录成功”。
- （可选）安装ST-Link驱动。
- 访问ST官网，下载ST-Link驱动，双击stlink_winusb_install.bat文件进行自动安装。（本文以Windows10-64bit ST-Link 2.0.1为例）。
注：您也可以使用适配您系统版本的exe文件进行安装。
- 打开PC设备管理器可查看对应的驱动是否安装成功。若下图所示，表明驱动安装成功。
- 访问ST官网，下载ST-Link驱动，双击stlink_winusb_install.bat文件进行自动安装。（本文以Windows10-64bit ST-Link 2.0.1为例）。
使用AT指令定位模组通信问题
IoT Link在与物联网平台连接使用时，可使用AT指令快速定位模组与云端连通性问题，提高开发效率。本节以“小熊派开发板”为例，介绍如何使用AT指令检测通信模组常见问题，如设备无法上线，数据上报不成功等。
- 小熊派开发板和电脑已正常连接（确保驱动已安装），并将开发板右上角的拨测开关切换到AT-PC模式。
- 单击VSCode底部工具栏的“Serial”。
- 选择2中查看的端口号，波特率设置为9600，然后单击“打开”。
- 输入“AT+CGATT?”，然后单击“发送”，若返回“+CGATT:1”，表示网络附着成功（附着成功代表NB-IoT联网正常），返回“+CGATT:0”表示网络附着失败（附着失败代表NB-IoT联网异常），请查看SIM卡是否插入正确，或联系运营商检查网络状态。
使用AT指令检测完模组通信后，请将拨测开关拨到AT-MCU模式，以便完成控制台的开发后，将采集到的传感器数据通过通信模组发送到平台。
PC模式是开发板与电脑串口通信，AT指令读写开发板的状态等数据；MCU模式是开发板通过模组上插的SIM连接网络，实现NB-IoT通信。
- “AT+CSQ<CR>”指令用于检查网络信号强度和SIM卡情况。输入“AT+CSQ<CR>”，然后单击“发送”，返回 “+CSQ:**,##” 。其中**应在 10 到 31 之间，数值越大表明信号质量越好，##为误码率,值在 0 到 99 之间。若返回的值不在这个范围，应检查天线或 SIM 卡是否正确安装。
注：本文仅列举两个通用的AT指令，用于检测模组的网络状况。更多AT指令，您可以参考小熊派模组的说明书，进行调测。
控制台操作概览
在完成实体设备硬件连接和代码编译烧录之后，我们需要在设备接入服务控制台创建产品、定义产品模型、开发编解码插件和注册设备。
- 创建产品：在物联网平台上规定好某一款产品的协议类型、数据格式、厂商名称、设备类型。此处我们需要按照智慧路灯的特征，在控制台创建智慧路灯的产品。
- 定义产品模型：产品模型是用来描述设备能力的文件，通过JSON的格式定义了设备的基本属性、上报数据和下发命令的消息格式。定义产品模型，即在物联网平台构建一款设备的抽象模型，使平台理解该款设备支持的属性信息。此处，我们需要在控制台上，定义开关灯控制、光照强度、信号质量等。
- 编解插件开发：编解码插件是供物联网平台调用，完成二进制格式和JSON格式相互转换的。它将设备上报的二进制数据解码为JSON格式供应用服务器“阅读”，将应用服务器下行的JSON格式命令编码为二进制格式数据供终端设备（UE）“理解执行”。智慧路灯的数据格式是二进制，因此我们需要开发编解码插件，让物联网能够理解智慧路灯上报的数据，智慧路灯也能理解物联网平台下发的命令。
- 注册设备：将小熊派智慧路灯注册到物联网平台。
创建产品
某一类具有相同能力或特征的设备的集合称为一款产品。除了设备实体，产品还包含该类设备在物联网能力建设中产生的产品信息、产品模型（Product Model）、编解码插件等资源。下面，我们按照小熊派智慧路灯的基本特征，在控制台上创建智慧路灯产品。
- 登录管理控制台，选择您的实例，单击实例卡片进入。单击左侧导航栏“产品”，单击页面左侧的“创建产品”。
图10 产品-创建产品
- 创建一个协议类型为LwM2M/CoAP协议、设备类型为StreetLamp的产品，参考页面提示填写参数后，单击“确定”。
图11 创建产品-CoAP
上传产品模型
产品模型是用来描述设备能力的文件，通过JSON的格式定义了设备的基本属性、上报数据和下发命令的消息格式。定义产品模型，即在物联网平台构建一款设备的抽象模型，使平台理解该款设备的功能。我们已提供开发好的产品模型，帮助您快速体验上云流程，如果您想体验产品模型的开发流程，可参考开发产品模型。
操作步骤：
- 找到新增的产品，单击产品进入产品界面。
- 在产品详情“基本信息”页面，单击“上传模型文件”。
图12 上传产品模型-CoAP
- 在弹出的页面中，上传提供的产品模型（本示例的产品模型），然后单击“确定”。
图13 上传模型文件-CoAP
注册设备
本文介绍集成NB模组设备的注册方法，将小熊派智慧路灯在物联网平台注册。
- 在产品详情页面，选择“在线调试”，单击“新增测试设备”，此处新增的是非安全的NB-IoT设备。
- 在新增测试设备页面，选择“真实设备”，完成设备参数的填写后，单击“确定”。
图14 在线调试-新增测试设备
- 设备名称：自定义。
- 设备标识码：设备的IMEI号，用于设备在接入物联网平台时携带该标识信息完成接入鉴权，可在NB模组上查看。您也可以将拨测开关拨到AT-PC模式，选择STM的端口，波特率设置为9600，输入指令“AT+CGSN=1”获取IMEI号。
注：获取IMEI注册完设备后，需要将开发板的拨测开关拨到“AT-MCU”模式，因为开发板在MCU模式下才会通过NB卡连接网络。
- 设备注册方式：不加密。
- 设备创建成功，可在页面看到创建的设备。
数据上报
平台和开发板建立连接后，根据烧录至开发板的代码，小熊派智慧路灯每隔2秒（上报频率可根据业务需要在demo中自行设置）上报光照传感器数据。您可以通过用手遮挡光线改变光照强度，查看设备上报给平台的光照强度数据的实时变化。
注：先检查确认开发板的拨测开关是“AT-MCU”模式。
- 登录设备接入服务控制台，选择您的实例，单击实例卡片进入。选择。
- 选择此处注册的设备，单击“详情”进入设备详情，查看上报到平台的数据。
图15 NB设备数据上报-查看数据
命令下发
- 登录设备接入服务控制台，选择您的实例，单击实例卡片进入。选择之前创建的产品，单击产品进入产品界面。
- 选择“在线调试”，单击注册的设备的“调试”进入调试页面。
- 设置命令参数后，单击“发送”。
图16 命令下发调试-SmokeDetector
- 小熊派板子灯被点亮，下发OFF命令后，灯熄灭。
至此，基于NB-IoT小熊派开发智慧路灯的最佳实践，端到端流程就全部体验完成了。
更多参考
- 开发产品模型
在产品详情“基本信息”页面，单击“自定义模型”，配置产品的服务。
产品模型设计思路：
表1 设备服务列表 服务类型（ServiceID）
服务描述
Button
实时按键检测
LED
LED灯控制
Sensor
实时检测光照强度
Connectivity
实时检测信号质量
服务能力如下表所示。
表2 Button 能力描述
属性名称
数据类型
数据范围
属性列表
toggle
int
0 ~ 65535
表3 LED命令列表 能力描述
命令名称
命令字段
字段名称
类型
数据长度
枚举
命令列表
Set_LED
下发命令
LED
string
3
ON、OFF
响应命令
Light_state
string
3
ON、OFF
表4 Sensor 能力描述
属性名称
数据类型
数据范围
属性列表
luminance
int
0 ~ 65535
表5 Connectivity 能力描述
属性名称
数据类型
数据范围
属性列表
SignalPower
int
-140 ~ -44
ECL
int
0 ~ 2
SNR
int
-20 ~ 30
CellID
int
0 ~ 65535
