Nordic Semiconductor云服務(wù)和nRF Cloud構(gòu)成了一個專為Nordic Semiconductor無線設(shè)備優(yōu)化的物聯(lián)網(wǎng)平臺。該平臺為使用Nordic Semiconductor芯片的原型和商用設(shè)備提供云連接和服務(wù)。

nRF Cloud的概況

nRF Cloud是一個為Nordic Semiconductor的無線設(shè)備優(yōu)化的云服務(wù)平臺，它提供了云連接和服務(wù)，適用于使用Nordic Semiconductor芯片的原型和商業(yè)設(shè)備。它的概念和優(yōu)勢如下：

它支持多種的傳輸協(xié)議，包括CoAP, MQTT和REST，使您可以根據(jù)您的應(yīng)用場景選擇最合適的方式與云端進(jìn)行通信。

它提供了一些商業(yè)可用的功能，如位置服務(wù)和固件遠(yuǎn)程更新，可以幫助您的設(shè)備和客戶應(yīng)用獲取快速和節(jié)能的位置信息，以及高效和靈活的設(shè)備固件管理 。

它提供了一個網(wǎng)頁端，讓您可以方便地查看和控制您的設(shè)備，以及查看設(shè)備的數(shù)據(jù)和狀態(tài)。

它提供了一個REST API，讓您可以使用任何編程語言或平臺來構(gòu)建您自己的用戶界面或應(yīng)用程序，以及與其他云服務(wù)進(jìn)行集成。

它基于Amazon Web Services (AWS)構(gòu)建，具有高可靠性，高安全性和高可擴展性。

它提供了不同的計劃和計費結(jié)構(gòu)，讓您可以根據(jù)您的需求和預(yù)算選擇最合適的方案。

以下圖表提供了nRF Cloud組件的概覽：

nRF Cloud賬號管理

nRF Cloud的賬號類型是指在nRF Cloud平臺上注冊和使用的不同級別的賬號，它們決定了您可以使用的設(shè)備數(shù)量，服務(wù)功能，計費方式等。nRF Cloud的賬號類型主要有以下三種：

Develop：Develop是免費的賬號類型，適用于開發(fā)和測試階段的用戶。您可以創(chuàng)建一個團隊，并連接最多10個設(shè)備。您可以使用nRF Cloud提供的基本服務(wù)，如位置服務(wù)和固件遠(yuǎn)程更新2您不需要提供任何付款信息。

Pro：Pro是付費的賬號類型，適用于商業(yè)化階段的用戶。您可以創(chuàng)建多個團隊，并連接最多2000個設(shè)備。您可以使用nRF Cloud提供的所有服務(wù)，如位置服務(wù)和固件遠(yuǎn)程更新，以及一些高級功能，如設(shè)備分組和API密鑰。您需要提供有效的付款信息，并按照每月每個設(shè)備的費用進(jìn)行結(jié)算。您的設(shè)備數(shù)據(jù)會永久保存在nRF Cloud上。

Enterprise：Enterprise是定制的賬號類型，適用于大規(guī)模部署階段的用戶。您可以創(chuàng)建多個團隊，并連接不限數(shù)量的設(shè)備。您需要與nRF Cloud的銷售團隊聯(lián)系，并根據(jù)您的需求和預(yù)算進(jìn)行定價協(xié)商。您的設(shè)備數(shù)據(jù)會永久保存在nRF Cloud上。

nRF Cloud所支持的位置服務(wù)

目前nRF Cloud支持Single-cell, Multi-cell, Wi-Fi, A+P GPS, P-GPS, A-GPS。所以，功耗排列順序，Single cell最省電，A-GPS最耗電。定位精度也如圖所示，single cell精度最低，A-GPS定位精度最高。下圖比較了各種定位模式的功耗和精度：

AGPS和PGPS，很多人不容易搞明白，下表詳細(xì)介紹了A-GPS 與P-GPS區(qū)別:

在量產(chǎn)階段的設(shè)備批量注冊

1. 在以下鏈接中，下載批量注冊腳本

~$ git clone https://github.com/nRFCloud/utils.git

2. 使用Python的pip工具安裝所需的包：

~$ pip3 install -r requirements.txt

3. Create CA Cert

該腳本創(chuàng)建一個自簽名的CA證書和相應(yīng)的EC密鑰對。CA證書和私鑰可以用來創(chuàng)建設(shè)備憑證。通常情況下，只需要運行該腳本一次，然后可以使用其輸出生成多個設(shè)備憑證。

以下是輸出文件的格式：

_ca.pem
_prv.pem
pub.pem

usage: create_ca_cert.py [-h] -c, C, [-st ST] [-l L] [-o O] [-ou OU] [-cn CN] [-dv DV] [-e EMAIL] [-p PATH] [-f FILEPREFIX]

Create CA Certificate

例如

python create_ca_cert.py -c CN -l CITY -o "COMPANY NAME" -ou "DEPARTMENT" -cn DOMAIN.cn -e FIRST.LAST@DOMAIN.CN -p ./my_ca

  Creating self-signed CA certificate...
  File created: /my_ca/my_company-0x3bc7f3b014a8ad492999c594f08bbc2fcffc5fd1_ca.pem
  File created: /my_ca/my_company-0x3bc7f3b014a8ad492999c594f08bbc2fcffc5fd1_prv.pem
  File created: /my_ca/my_company-0x3bc7f3b014a8ad492999c594f08bbc2fcffc5fd1_pub.pem

4. 對每個設(shè)備寫入證書

device_credentials_installer.py這個腳本自動生成并寫入設(shè)備證書，程序中必須支持AT指令，腳本通過串口寫入設(shè)備證書。

例如

python device_credentials_installer.py -d -t YOUR-DK1 --ca my_caxx.pem --ca_key my_caxx_prv.pem -a --csv closed_dk_prov.csv --devinfo closed_dk_info.csv --devinfo_append --term CRLF

5. 批量注冊，每1000個設(shè)備，執(zhí)行一次腳本

python ./nrf_cloud_provision.py --apikey $API_KEY --csv example_prov.csv

云服務(wù)的模式

這節(jié)，重點講nRF Cloud支持的模式，主要分為三種，從設(shè)備到nRF Cloud，從客戶cloud到nRF Cloud，從設(shè)備到多個云。會以從云到云為重點講解。

1. 從設(shè)備到nRF Cloud

目前nRF Connect SDK 默認(rèn)是從設(shè)備到nRF Cloud，這種模式客戶不需要修改。

2. 從設(shè)備到多個云

從設(shè)備端需要集成多個云接口，客戶需要開發(fā)除nRF Cloud接口之外的云接口。

3. 從設(shè)備到客戶cloud，從客戶cloud到nRF Cloud

Cloud to nRF Cloud是一種可以讓你的設(shè)備通過你自己的云端服務(wù)來連接nRF Cloud平臺的方法。這樣，你可以利用nRF Cloud提供的位置服務(wù)，固件更新服務(wù)，設(shè)備管理服務(wù)和安全服務(wù)，同時保持對你的設(shè)備通信流程的靈活性和控制。從客戶云到nRF Cloud，從設(shè)備到客戶云訪問接口，需要客戶自己開發(fā)。

3.1. 從云到云的要求

nRF Cloud Pro或Enterprise的賬戶類型。

必須使用代理服務(wù)器。

必須生成一個服務(wù)密鑰。

要使用Cloud to nRF Cloud，你需要遵循以下步驟：

在你自己的云端服務(wù)上注冊和配置你的設(shè)備，使其能夠與你的云端服務(wù)進(jìn)行雙向通信。

在nRF Cloud平臺上創(chuàng)建一個賬戶，并在設(shè)置中啟用Cloud to nRF Cloud 功能。

在nRF Cloud平臺上生成一個API密鑰，并將其保存在你自己的云端服務(wù)中。

POST /devices: 用于在nRF Cloud平臺上注冊你的設(shè)備，并獲取一個設(shè)備ID。

GET /devices/{device_id}: 用于查詢你的設(shè)備在nRF Cloud平臺上的狀態(tài)和屬性。

PUT /devices/{device_id}: 用于更新你的設(shè)備在nRF Cloud平臺上的屬性，如名稱，標(biāo)簽，元數(shù)據(jù)等。

DELETE /devices/{device_id}: 用于從nRF Cloud平臺上刪除你的設(shè)備。

POST /messages: 用于向你的設(shè)備發(fā)送消息，如位置請求，固件更新指令等。

GET /messages: 用于接收來自你的設(shè)備的消息，如位置響應(yīng)，固件更新狀態(tài)等。

3.2. 下面以基站定位為例，說明從C2C模式的原理

首先我們講下，如何使用CLOUD to nRF Cloud中的JSON Web Token和service key

JSON Web Token是一種可以在不同方之間安全地傳遞信息的標(biāo)準(zhǔn)。它由三部分組成：頭部，有效載荷和簽名。頭部包含了JWT的類型和算法。有效載荷包含了JWT的主題，過期時間，發(fā)行者等信息。簽名是用來驗證JWT的完整性和來源的。

service key是一種可以用來簽署JWT的密鑰。它是由nRF Cloud平臺生成的，并且只能由團隊所有者獲取。service key可以用來啟用或禁用不同的位置服務(wù)，如A-GPS，P-GPS，SCELL，MCELL和Wi-Fi位置。

要使用CLOUD to nRF Cloud中的JSON Web Token和service key，你需要遵循以下步驟：

在nRF Cloud平臺上創(chuàng)建一個賬戶，并在設(shè)置中啟用CLOUD to nRF Cloud功能。

在nRF Cloud平臺上生成一個API密鑰，并將其保存在你自己的云端服務(wù)中。

在nRF Cloud平臺上生成一個service key，并將其保存在你自己的云端服務(wù)中。

在你自己的云端服務(wù)中，使用service key來簽署一個JWT，并將其作為Authorization: Bearer header來發(fā)送請求給nRF Cloud平臺。

在nRF Cloud平臺上接收并驗證JWT，并根據(jù)其有效載荷中的信息來提供相應(yīng)的服務(wù)。

基站位置服務(wù)使你能夠根據(jù)設(shè)備當(dāng)前連接的基站和它能夠通信的基站獲取設(shè)備的大致位置。關(guān)于基站的信息可以轉(zhuǎn)換為一個地理位置，并可以在地圖上顯示。

截圖顯示了一個設(shè)備的三個位置：

它最新的已知GNSS位置（一個藍(lán)色的點）。

基于它當(dāng)前連接的cell的大致位置（黃色的圓）。

基于它當(dāng)前連接的cell和它能夠接收信號的鄰近cell的大致位置（紅色的圓）。

運行在 nRF9160 上的固件需要獲取它所連接的移動網(wǎng)絡(luò)的信息，并將這些小區(qū)位置數(shù)據(jù)發(fā)送到 nRF Cloud。

3.2.1. 從設(shè)備發(fā)cell信息到cloud

運行在 nRF9160 上的固件需要獲取它所連接的移動網(wǎng)絡(luò)的信息，并將這些小區(qū)位置數(shù)據(jù)發(fā)送到 nRF Cloud。

在設(shè)備上，你可以使用 Modem information library 來獲取設(shè)備當(dāng)前連接的網(wǎng)絡(luò)的信息。這些信息可以在后端用來解析設(shè)備的位置。Digital twin（在 AWS 上稱為設(shè)備影子）是一個存儲這些信息的好地方。信息可能如下：

{
  "nw": "LTE-M GPS",
  "area": 2305,
  "mccmnc": 24202,
  "cell": 33703712
}

3.2.2. 將當(dāng)前連接的cell和鄰近cell的信息發(fā)送到你的后端

%NCELLMEAS AT 命令掃描鄰近的小區(qū)，并返回當(dāng)前連接的小區(qū)和零個或多個設(shè)備可以通信的鄰近小區(qū)。

這些信息可以在后端用來確定設(shè)備的位置。如果找到相鄰的小區(qū)，那么大概的位置就會更精確。因為報告的大小可能很大，所以在device shadow中存儲它是不可行的。因此，建議將它作為一個單獨的消息發(fā)送到一個自定義的MQTT主題上。如下是個例子：

{
  "area": 2310,
  "adv": 65535,
  "mnc": 2,
  "rsrq": 8,
  "rsrp": 24,
  "mcc": 242,
  "cell": 34288908,
  "earfcn": 6300,
  "nmr": [
    {
      "rsrp": 22,
      "cell": 291,
      "rsrq": 6,
      "earfcn": 6300
    },
    {
      "rsrp": 21,
      "cell": 129,
      "rsrq": 4,
      "earfcn": 6300
    }
  ]
}

3.2.3 將小區(qū)位置數(shù)據(jù)存儲在云端

設(shè)備發(fā)送的小區(qū)數(shù)據(jù)需要存儲到物聯(lián)網(wǎng)digital twin服務(wù)或數(shù)據(jù)庫中。這樣可以在以后的時間向應(yīng)用程序提供這些信息，并使用nRF Cloud Cell Location服務(wù)REST API異步地將小區(qū)信息解析為地理位置。如果數(shù)據(jù)處理失敗，可以重試。

對于單個小區(qū)位置，這個存儲可以作為一個緩存。一個小區(qū)的位置信息可以被重用，如果有很多設(shè)備連接到同一個小區(qū)。它們的大概地理位置是相同的。

3.2.4. 解析小區(qū)位置信息

使用GetPositionFromCells API方法將小區(qū)位置數(shù)據(jù)解析為地理位置

存儲小區(qū)位置服務(wù)密鑰：使用服務(wù)密鑰簽名的JSON Web Token (JWT)對所有API調(diào)用進(jìn)行身份驗證。在你的云端后臺以安全的方式存儲服務(wù)密鑰。

搭建小區(qū)位置解析器：你需要實現(xiàn)一個解析器，它使用存儲的單個cell或相鄰cell數(shù)據(jù)來查詢 GetPositionFromCells API 方法。它使用服務(wù)密鑰來驗證請求，并將結(jié)果存儲在數(shù)據(jù)庫中。你可以稍后檢索結(jié)果，并使用它們?yōu)樵O(shè)備提供歷史位置跟蹤。

位置解析器解析后的數(shù)據(jù)如下格式：

{
  "lat": 45.524098,
  "lon": -122.688408,
  "uncertainty": 300,
  "fulfilledWith": "MCELL"
}

完整圖：

以下完整圖表顯示了設(shè)備單元位置數(shù)據(jù)的流程，以及將這些數(shù)據(jù)解析為地理位置并使其可供 Web 應(yīng)用程序使用所涉及的必要組件

3.2.5. 從云到云模式有以下幾個優(yōu)點：

客戶可以使用自己熟悉和信任的云服務(wù)平臺，無需改變設(shè)備的配置或代碼。

客戶可以靈活地選擇使用哪些nRF Cloud服務(wù)，以及如何使用它們。

客戶可以更好地保護設(shè)備和數(shù)據(jù)的安全性和隱私性。

從云到云模式也有一些缺點：

客戶需要額外地搭建和維護一個代理服務(wù)器。

客戶需要付費購買nRF Cloud Pro或Enterprise計劃。

客戶需要定期更新JWT以保持對nRF Cloud服務(wù)的訪問權(quán)限。

總之，從云到云模式是一種適合高級用戶和商業(yè)用戶的使用nRF Cloud服務(wù)的方式，它提供了更多的靈活性和控制性。

審核編輯 黃宇