100 篇文章精通 STM32F103（第 23 篇）：NB-IoT 通信实战 —— 广域物联网数据上传

大家好！在前 22 篇中，我们用蓝牙 BLE 实现了短距离无线通信，但当设备需要跨区域、长距离传输数据（如户外气象站、远程水表）时，BLE 的 100 米通信范围完全无法满足需求。而NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网） 作为广域物联网技术，依托运营商蜂窝网络（2G/4G/5G），可实现 “无距离限制” 的数据传输，且功耗仅略高于 BLE，是电池供电广域设备的首选。这一篇我们将从 NB-IoT 的核心原理讲起，详解 STM32 与 NB-IoT 模块（BC26）的通信配置，通过 “温湿度数据上传至阿里云 IoT 平台” 的实操，让你掌握 “本地采集→广域传输→云端监控” 的完整物联网开发流程。

一、什么是 NB-IoT？用 “手机信号” 理解核心逻辑

NB-IoT 是基于运营商蜂窝网络的低功耗广域通信技术，本质是 “专为物联网优化的窄带通信协议”，就像 “轻量化手机通信”：

设备端（STM32+NB-IoT 模块）：像 “极简手机”，仅保留数据传输功能，不支持语音 / 视频，通过 SIM 卡接入运营商网络；网络端（运营商基站）：像 “信号塔”，接收设备发送的数据，转发至互联网；云端（IoT 平台）：像 “数据中心”，接收、存储、展示设备上传的数据（如阿里云、腾讯云），支持远程查看与控制；低功耗关键：采用 “PSM（省电模式）” 和 “eDRX（扩展不连续接收）” 技术 —— 设备上传数据后立即进入深度休眠，仅按预设周期（如 1 小时）唤醒联网，待机电流可低至 μA 级。

NB-IoT 与蓝牙 BLE 的核心差异：

二、NB-IoT 通信的核心流程：从设备到云端

NB-IoT 设备上传数据的完整流程分为 “联网→认证→数据上传→休眠” 四步，核心依赖 “AT 指令” 控制模块，关键概念如下：

1. 核心组件与依赖

NB-IoT 模块：如移远 BC26，集成基带与射频，通过 UART 与 STM32 通信，需插入运营商 NB-IoT 专用 SIM 卡（支持 NB 网络，年费低至几元）；IoT 云平台：如阿里云 IoT、华为云 IoT，提供设备接入、数据存储、可视化界面，需为设备创建 “产品” 与 “设备”，获取唯一 “设备三元组”（ProductKey、DeviceName、DeviceSecret）用于身份认证；通信协议：NB-IoT 设备与云端通常采用 “MQTT 协议”（轻量级、低带宽），模块内置 MQTT 客户端，无需 STM32 手动实现复杂协议栈。

2. 核心通信流程（以 BC26 + 阿里云为例）

模块上电初始化：STM32 通过 UART 发送 AT 指令，初始化 BC26（如设置频段、检查 SIM 卡）；接入运营商网络：BC26 搜索并注册到 NB-IoT 网络，获取 IP 地址（需确保有基站信号）；云端身份认证：使用设备三元组，通过 MQTT 协议连接阿里云 IoT 平台，认证通过后建立稳定连接；数据上传：STM32 将采集的温湿度数据封装为 JSON 格式，通过 AT 指令发送给 BC26，模块转发至云端；进入低功耗模式：上传完成后，BC26 进入 PSM 模式，STM32 进入停止模式，按预设周期（如 1 小时）唤醒重复流程。

三、实操：STM32+BC26 实现温湿度上传阿里云 IoT

我们基于第 22 篇的低功耗框架，替换 BLE 模块为 NB-IoT 模块（BC26），实现功能：

STM32 采集温湿度数据，通过 UART 控制 BC26 接入 NB 网络；BC26 连接阿里云 IoT 平台，完成身份认证；将温湿度数据以 JSON 格式上传至云端；上传完成后，BC26 进入 PSM 模式，STM32 进入停止模式，1 小时后唤醒重复流程。

1. 硬件准备与连接

2. 云端准备（阿里云 IoT 平台配置）

创建产品与设备：

登录阿里云 IoT 平台，进入 “设备管理→产品”，创建 “自定义产品”，通信方式选择 “NB-IoT”，数据格式选择 “JSON”；进入产品详情，点击 “设备→添加设备”，创建一个设备，记录生成的 “设备三元组”（ProductKey、DeviceName、DeviceSecret），用于模块认证。

创建数据解析模板（可选）：

在产品详情的 “数据解析” 中，创建解析脚本，将设备上传的 JSON 数据（如
{"temp":25.5,"humi":60.2}）映射为平台可识别的 “温度”“湿度” 字段，便于后续可视化。

3. STM32 配置步骤（STM32CubeIDE）

步骤 1：配置 USART1（与 BC26 通信）

模式：异步模式，波特率 9600（BC26 默认波特率），8N1，引脚 PA9（TX）、PA10（RX）；使能 USART 接收中断（用于接收 BC26 的 AT 指令响应，避免轮询占用 CPU）。

步骤 2：配置低功耗与定时唤醒

保留 RTC 定时唤醒配置，将唤醒周期改为 3600 秒（1 小时，减少联网次数降低功耗）；保留 STM32 停止模式配置，确保休眠时功耗≈50μA。

步骤 3：生成代码

点击 “Generate Code”，自动生成 USART1、RTC、GPIO 的初始化代码。

4. 编写 NB-IoT 通信代码（核心：AT 指令控制 BC26）

（1）BC26 初始化与联网函数（nb_iot.c）

#include "nb_iot.h"
#include "usart.h"
#include "string.h"
#include "delay.h"
 
extern UART_HandleTypeDef huart1;
char uart_rx_buf[256]; // USART接收缓冲区
uint16_t uart_rx_len = 0;
 
// 发送AT指令并等待响应（timeout：超时时间ms）
uint8_t NB_Send_AT_CMD(char *cmd, char *resp, uint32_t timeout)
{
  memset(uart_rx_buf, 0, sizeof(uart_rx_buf));
  uart_rx_len = 0;
 
  // 发送AT指令
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)cmd, strlen(cmd), 100);
  HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)"
", 2, 100);
 
  // 等待响应
  uint32_t start_time = HAL_GetTick();
  while (HAL_GetTick() - start_time < timeout)
  {
    if (strstr(uart_rx_buf, resp) != NULL)
    {
      return 0; // 收到预期响应，成功
    }
  }
  return 1; // 超时，失败
}
 
// BC26初始化：检查SIM卡、注册网络
uint8_t BC26_Init(void)
{
  // 1. 模块上电（拉低PWR_KEY引脚1秒，触发开机）
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);
  HAL_Delay(1000);
  HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);
  HAL_Delay(5000); // 等待模块启动
 
  // 2. 检查模块是否响应（发送AT，预期响应OK）
  if (NB_Send_AT_CMD("AT", "OK", 3000) != 0)
  {
    printf("BC26模块无响应！
");
    return 1;
  }
 
  // 3. 检查SIM卡状态（预期响应SIM OK）
  if (NB_Send_AT_CMD("AT+CPIN?", "SIM OK", 5000) != 0)
  {
    printf("SIM卡异常！
");
    return 1;
  }
 
  // 4. 注册NB网络（预期响应+CGREG: 0,1或0,5，表示注册成功）
  if (NB_Send_AT_CMD("AT+CGREG?", "+CGREG: 0,1", 30000) != 0 && 
      NB_Send_AT_CMD("AT+CGREG?", "+CGREG: 0,5", 10000) != 0)
  {
    printf("NB网络注册失败！
");
    return 1;
  }
  printf("NB网络注册成功！
");
  return 0;
}
 
// 连接阿里云IoT平台（使用设备三元组）
uint8_t BC26_Connect_AliIoT(char *product_key, char *device_name, char *device_secret)
{
  char cmd[128];
 
  // 1. 设置MQTT服务器地址（阿里云IoT地址：${product_key}.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com:1883）
  sprintf(cmd, "AT+QMTCFG="broker",0,"%s.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com",1883,0,0", product_key);
  if (NB_Send_AT_CMD(cmd, "OK", 5000) != 0) return 1;
 
  // 2. 设置设备认证信息（ClientID格式：${device_name}|securemode=3,signmethod=hmacsha1|）
  sprintf(cmd, "AT+QMTCFG="clientid",0,"%s|securemode=3,signmethod=hmacsha1|"", device_name);
  if (NB_Send_AT_CMD(cmd, "OK", 5000) != 0) return 1;
 
  // 3. 计算MQTT密码（需提前通过阿里云算法生成，此处简化用示例密码）
  char password[] = "XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX"; // 实际项目需动态计算
 
  // 4. 连接MQTT服务器（用户名：${device_name}&${product_key}，密码：上述password）
  sprintf(cmd, "AT+QMTCONN=0,"%s&%s","%s"", device_name, product_key, password);
  if (NB_Send_AT_CMD(cmd, "+QMTCONN: 0,0,0", 10000) != 0) // 响应0,0,0表示连接成功
  {
    printf("阿里云连接失败！
");
    return 1;
  }
  printf("阿里云连接成功！
");
  return 0;
}
 
// 上传温湿度数据到阿里云（topic：/sys/${product_key}/${device_name}/thing/event/property/post）
uint8_t BC26_Upload_Data(char *product_key, char *device_name, float temp, float humi)
{
  char cmd[256];
  char topic[128];
  char payload[64];
 
  // 1. 构建阿里云数据上传topic
  sprintf(topic, "/sys/%s/%s/thing/event/property/post", product_key, device_name);
 
  // 2. 构建JSON payload（符合阿里云物模型格式）
  sprintf(payload, "{"params":{"temp":%.1f,"humi":%.1f}}", temp, humi);
 
  // 3. 发送MQTT消息（AT+QMTPUB=客户端号,消息ID,QoS,是否保留,topic, payload长度,payload）
  sprintf(cmd, "AT+QMTPUB=0,1,0,0,"%s",%d,"%s"", topic, strlen(payload), payload);
  if (NB_Send_AT_CMD(cmd, "+QMTPUB: 0,1,0", 10000) != 0) // 响应0,1,0表示发送成功
  {
    printf("数据上传失败！
");
    return 1;
  }
  printf("数据上传成功：%s
", payload);
  return 0;
}
 
// BC26进入PSM模式（低功耗）
void BC26_Enter_PSM(void)
{
  // 发送AT指令设置PSM参数，上传完成后立即进入PSM
  NB_Send_AT_CMD("AT+CPSMS=1,,,0,3600", "OK", 5000); // 3600秒后唤醒
  NB_Send_AT_CMD("AT+QPOWD=1", "OK", 3000); // 触发PSM休眠
}
 
// USART1接收中断回调（存储BC26响应）
void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
  if (huart->Instance == USART1)
  {
    uart_rx_buf[uart_rx_len++] = huart->Instance->DR;
    if (uart_rx_len >= sizeof(uart_rx_buf)-1) uart_rx_len = 0;
    // 重新启动接收中断
    HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t*)&uart_rx_buf[uart_rx_len], 1);
  }
}

（2）主程序逻辑（main.c）

#include "main.h"
#include "nb_iot.h"
#include "sht30.h"
#include "rtc.h"
#include "power.h"
 
// 阿里云设备三元组（替换为自己的实际信息）
char PRODUCT_KEY[] = "a1XXXXXXXXXX";
char DEVICE_NAME[] = "STM32_NB_Device";
char DEVICE_SECRET[] = "XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX";
 
float temp, humi;
 
int main(void)
{
  HAL_Init();
  SystemClock_Config();
 
  // 初始化外设
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_Init();
  MX_I2C1_Init();
  MX_RTC_Init();
 
  // 启动USART1接收中断
  HAL_UART_Receive_IT(&huart1, (uint8_t*)uart_rx_buf, 1);
 
  // 初始化RTC（1小时唤醒一次）
  RTC_Alarm_Init(3600);
 
  while (1)
  {
    // 1. 初始化BC26并连接NB网络
    if (BC26_Init() != 0)
    {
      goto LOW_POWER; // 初始化失败，直接进入低功耗
    }
 
    // 2. 连接阿里云IoT平台
    if (BC26_Connect_AliIoT(PRODUCT_KEY, DEVICE_NAME, DEVICE_SECRET) != 0)
    {
      goto LOW_POWER;
    }
 
    // 3. 采集温湿度数据
    SHT30_Read_Data(&temp, &humi);
    printf("采集数据：Temp=%.1f℃, Humi=%.1f%%
", temp, humi);
 
    // 4. 上传数据到阿里云
    BC26_Upload_Data(PRODUCT_KEY, DEVICE_NAME, temp, humi);
 
  LOW_POWER:
    // 5. 进入低功耗：BC26 PSM + STM32停止模式
    BC26_Enter_PSM();
    Enter_Stop_Mode(); // 1小时后被RTC唤醒，重复循环
  }
}

5. 云端验证（阿里云 IoT 平台）

登录阿里云 IoT 平台，进入 “设备管理→设备”，找到已创建的设备，查看 “运行状态”；设备上传数据后，在 “物模型数据” 页面可实时看到 “温度”“湿度” 字段的最新值；进入 “数据日志” 页面，可查看历史上传记录，验证数据传输的连续性与准确性。

6. 功耗与续航验证

工作阶段（1 小时内的 60 秒）：BC26 开机 + 联网 + 上传，功耗≈50mA（持续 60 秒）；低功耗阶段（1 小时内的 3540 秒）：BC26 PSM 模式（≈5μA）+ STM32 停止模式（≈50μA），总功耗≈55μA；平均功耗：≈(50mA×60s + 55μA×3540s)/3600s ≈ 0.84mA；续航估算：18650 锂电池（2000mAh）续航≈2000mAh / 0.84mA ≈ 2381 小时 ≈ 99 天（满足户外设备 3 个月续航需求）。

四、NB-IoT 通信常见问题与调试技巧

模块无响应（AT 指令不回 OK）？

供电不足：BC26 启动时峰值电流达 200mA，需确保电源（如锂电池 + LDO）能提供足够电流，避免电压跌落；PWR_KEY 引脚操作错误：开机需拉低 PWR_KEY 1 秒以上，若仅拉低几十 ms，模块无法正常启动；波特率不匹配：BC26 默认波特率 9600，若修改过需重新配置 STM32 的 USART 波特率（可通过硬件复位模块恢复默认）。

NB 网络注册失败（+CGREG: 0,2）？

SIM 卡问题：确认是 NB-IoT 专用 SIM 卡，且已激活、有流量（可插入手机查看是否有信号）；信号问题：户外或靠近窗户测试，室内信号弱可能导致注册失败；可通过 AT 指令查看信号强度（AT+CSQ，返回值≥10 表示信号良好）；频段不匹配：不同地区运营商 NB 频段不同（如中国电信常用 B5/B8），需通过 AT 指令设置正确频段（AT+QCFG=”band”,0,80000000,1，开启 B5/B8）。

阿里云连接失败（+QMTCONN: 0,1,4）？

三元组错误：确认 ProductKey、DeviceName、DeviceSecret 与阿里云平台完全一致（区分大小写，无空格）；密码计算错误：阿里云 MQTT 密码需通过 “device_name+product_key+device_secret” 按 hmacsha1 算法生成，不可硬编码示例值（实际项目需在 STM32 中实现算法）；服务器地址错误：确认 MQTT 服务器地址格式为 “${product_key}.iot-as-mqtt.cn-shanghai.aliyuncs.com”，端口 1883。

五、第 23 篇总结与下一篇预告

总结

这一篇我们掌握了 NB-IoT 广域通信的核心：

NB-IoT 依托运营商网络实现无距离限制传输，通过 PSM 模式保障低功耗，适合户外远程设备；开发关键是通过 AT 指令控制 NB 模块（BC26）完成 “联网→认证→上传”，无需手动实现复杂协议；实操中实现了 “本地采集→云端上传→远程监控” 的完整物联网链路，平均功耗≈0.84mA，续航达 3 个月，满足户外设备需求。