MQTT用戶端入門 - 六、透過NB-IoT電信模組發送MQTT訊息，以Python和PHP為例
NB-IoT 或 LTE-M 都是 3GPP 電信組織針對 IoT 應用制訂的低功耗廣域無線電技術(LPWAN)。NB-IoT 資料透過 LTE/4G 電信網路傳遞。簡單說就是和 LTE/4G 共用基地台。你的手機收得到 LTE/4G 訊號的地方，你的 IoT 裝置就能使用 NB-IoT 電信模組發送資料。而 NB-IoT 模組也可以直接插一般 LTE/4G SIM 卡使用，只是資費比 NB-IoT 貴。
我在前公司接觸過兩家廠商的 NB-IoT 模組，一為 u-blox 的 SARA-N/SARA-R4系列，另一為 SIMCOM 的 SIM7000系列。因為是公司產品，不是我的著作權，所以不能公開程式碼。但可以說使用經驗，以及如何透過 NB-IoT 模組的 AT 指令發送原始的 MQTT 封包。
就價位上來說，SIMCOM SIM7000系列 最便宜。但功能和穩定度，還是 u-blox SARA-R4系列 比較好。一分錢一分貨。
設計程式時，我認為 u-blox 規劃的 AT 指令規律整齊， SIM7000 的 AT 指令就有些混亂了。
更進一步閱讀這兩家廠商的產品規格表，我們看到他們的產品價格是按功能豐富程度而定。最貴的產品提供 HTTP, MQTT 等協定的 AT 指令，我們可以用 AT 指令送出 HTTP 或 MQTT 資料。但最便宜的產品，只提供最基本的 TCP 支援，我們需要自己打包 HTTP 或 MQTT 資料。如何因應後者的狀況，就是本文的主要內容。
先看下圖的軟體技術堆疊。
左側是我們在一般作業系統下的工作情形，作業系統的硬體驅動程式和 Socket API 提供一致的網路傳輸介面。程式設計者在這之上設計各種網路協定的函數庫。最後我們直接利用這些現成的函數庫傳送資料。
但在 NB-IoT 情境，我們的 IoT 裝置通常沒有作業系統，例如 Arduino 微控制器。就算有作業系統，例如 Raspberry Pi 跑 Rasbian 系統時，我們使用的 NB-IoT 模組也沒有驅動程式。沒有驅動程式，自然疊在它上面的 Socket API 和現成函數庫就通通不能用。所以在 NB-IoT 情境，我們只能走右側的方式，直接透過 NB-IoT 模組提供的 AT 指令發送資料封包。
只是各種模組的 AT 指令並不統一，這要自己看廠商提供的 AT 指令手冊。如果 NB-IoT 模組支援高階應用協定 (HTTP,MQTT) 的 AT 指令，那當然是直接用。如果不支援 HTTP, MQTT 這些應用協定，那就要先用 TCP 連接的 AT 指令，再用傳送資料的 AT 指令。
SARA-R4系列的 TCP/Internet 連接指令範例：
serial_port.write(b'AT+USOCR=6') # 6 = TCP
resp = serial_port.read()
# +USOCR: 2
# OK
# socket id is 2
serial_port.write(b'AT+USOCO=2,"203.75.129.103",1833')
resp = serial_port.read()
# OK
SIM7000系列的 TCP/Internet 連接指令範例：
serial_port.write(b'AT+CIPSTART="TCP","203.75.129.103",1883')
resp = serial_port.read()
# CONNECT OK
注意，有些 NB-IoT 模組不支援 DNS 查詢。此類模組指定目的地時，只能用 IP ，不能用網域名稱。
透過上述的 AT 連接指令，NB-IoT 模組就處於 TCP/Internet 可用狀態。接著我們再用 AT 傳送指令送出我們打包的資料。
SARA-R4系列的 TCP/Internet 資料封傳送指令範例：
# if socket_id is 2
serial_port.write(b'AT+USOWR=2,5,"Hello"')
resp = serial_port.read()
# +USOWR: 2,5
# OK
SIM7000系列的 TCP/Internet 資料封傳送指令範例：
serial_port.write(b'AT+CIPSEND=5')
resp = serial_port.read()
# SEND OK
serial_port.write(b'hello')
serial_port.write(b'\x1A') # Ctrl+Z to send
上述範例只是往遠端送出一個 ‘hello’ 字串。正式場合，我們要按網路協定規定的格式打包資料。
打包 MQTT publish 資料封包的範例，我已經放在 rocksources@github 。請看下列兩個連結的內容：
刪減過的 MQTT publish 封包範例如下。QoS 為 0 ，不含 MQTT 伺服器身份認證。
def mqtt_publish(conn, topic, message, client_id):
def str_content(binstr):
slen = len(binstr)
msb = slen >> 8
lsb = slen & 0xff
return bytearray((msb, lsb)) + binstr
# MQTT CONNECT
variable_header = bytearray(b"\x00\x04MQTT\x04\xC2\x00\x0A")
variable_header += str_content(client_id.encode())
fixed_header = bytearray((0x10, len(variable_header)))
conn.send(fixed_header + variable_header):
# MQTT CONNACK
rsp = conn.readline()
# MQTT PUBLISH
payload = bytearray(str_content(topic.encode())) + message.encode()
payload_len = len(payload)
digest = bytearray()
while payload_len > 0:
digit = payload_len % 128
payload_len >>= 7
if payload_len > 0:
digit |= 0x80
digest.append(digit)
cmd = 0x30 # qos is 0
fixed_header = bytearray(chr(cmd).encode()) + digest
conn.send(fixed_header + payload):