Łączne wykorzystanie zestawu rozwojowego do technologii długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M), wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT) oraz DECT NR+ do rozpoczęcia projektowania bezprzewodowego Internetu rzeczy

Bezprzewodowe technologie komórkowych sieci rozległych niskiej mocy (LPWAN) dla Internetu rzeczy (IoT), takie jak komunikacja typu długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M) oraz wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT), obsługują zasięg przekraczający kilometr (km) dla łączności bezprzewodowej dla urządzeń z zasilaniem bateryjnym z wykorzystaniem istniejącej i sprawdzonej infrastruktury komórkowej. Technologia New Radio+ (DECT NR+) to nie wymagająca licencji alternatywa dla technologii LPWAN do zastosowań wymagających podejścia podobnego do komórkowego, w przypadku masowych wdrożeń Internetu rzeczy (IoT). Wszystkie trzy podejścia mogą być skomplikowane we wdrożeniu -nawet dla deweloperów, którzy mają doświadczenie w łączności bezprzewodowej bliskiego zasięgu.

Współpraca z dostawcą rozwiązań, który oferuje wstępnie certyfikowane produkty ze zintegrowanymi stosami oprogramowania protokołów LTE-M, NB-IoT lub DECT NR+ i zautomatyzowanymi modemami, może zniwelować złożoność projektu LPWAN. Takie rozwiązania pozwalają deweloperom skupić się bardziej na zróżnicowaniu zastosowań i osiągnąć docelowy czas wprowadzenia produktu na rynek.

W niniejszym artykule podsumowano zalety technologii długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M), wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT) i DECT NR+ dla łączności dalekiego zasięgu w Internecie rzeczy (IoT), a także omówiono wyzwania wdrożeniowe. Następnie przedstawiono połączenie komórkowego Internetu rzeczy (IoT) i urządzenia DECT NR+ oraz powiązanego z nim zestawu rozwojowego firmy Nordic Semiconductor i pokazano, w jaki sposób można je wykorzystać, aby sprostać omawianym wyzwaniom.

Dlaczego warto korzystać z technologii bezprzewodowych długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M), wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT) lub DECT NR+?

Aby urządzenia IoT stały się fundamentalną częścią globalnej sieci tworzącej Internet, muszą być w stanie komunikować się z chmurą za pomocą protokołu internetowego (IP) bez użycia kosztownych bram. W niektórych zastosowaniach, takich jak rolnictwo, miasta inteligentne i monitorowanie środowiska, komunikacja musi odbywać się na duże odległości i wymagać minimalnej konserwacji. Ta ostatnia przekłada się na niski pobór mocy w celu maksymalizacji czasu pracy baterii.

Długoterminowa ewolucja dla maszyn (LTE-M) i wąskopasmowy Internet rzeczy (NB-IoT) oferują komórkowe rozwiązanie tych problemów. Opierają się one na specyfikacjach określonych przez organizację 3GPP, dzięki czemu zapewniają interoperacyjność protokołów internetowych (IP) i zasięg ponad kilometra. Długoterminowa ewolucja dla maszyn (LTE-M) i wąskopasmowy Internet rzeczy (NB-IoT) działają w pasmach częstotliwości odpowiednio od 698MHz do 960MHz oraz od 1710MHz do 2200MHz. Szczegóły techniczne technologii długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M) oraz wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT) zestawiono w tabeli 1.

Tabela 1: porównanie technologii długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M) i wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT). (Źródło ilustracji: Nordic Semiconductor)

Technologia DECT NR+ stanowi alternatywę dla zastosowań wymagających łączności dalekiego zasięgu bez opłat licencyjnych. Jest ona oparta na specyfikacjach 5G, działa w paśmie 1900MHz, może obsługiwać sieci LPWAN wysokiej gęstości i jest odpowiednia do komunikacji maszyna-maszyna (M2M) oraz monitorowania jakości powietrza w całym mieście.

Uproszczenie projektów na częstotliwości radiowe (RF)

Wdrażanie projektów na częstotliwości radiowe (RF) jest wyzwaniem dla wielu deweloperów i często może niekorzystnie wpływać na harmonogramy wprowadzania produktów na rynek. Jednak niektóre wyzwania sprzętowe można pokonać, wybierając zintegrowane rozwiązanie, które niweluje znaczną część złożoności. Jednym z przykładów jest układ SiP (System-in-Package) nRF9161 firmy Nordic Semiconductor (ilustracja 1).

Układ SiP (System-in-Package) zawiera procesor Arm^® Cortex^®-M33 dedykowany dla oprogramowania aplikacyjnego oraz modem obsługujący interfejsy radiowe długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M), wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT) oraz technologii DECT NR+. Zawiera on również układ front-end na częstotliwości radiowe (RFFE) i system zarządzania zasilaniem, a wszystko to w obudowie LGA o wymiarach 16,0 x 10,5 x 1,04mm. Modem obsługuje protokoły IPv4/IPv6 oraz szyfrowane bezprzewodowe aktualizacje oprogramowania układowego (FOTA). Procesor aplikacji ma do dyspozycji 1MB pamięci flash i 256kB pamięci RAM.

Ilustracja 1: układ SiP (System-in-Package) nRF9161 zawiera procesor Arm Cortex-M33, modem LTE, układ front-end na częstotliwości radiowe (RFFE), pamięć i zarządzanie zasilaniem. (Źródło ilustracji: Nordic Semiconductor)

Układ SiP (System-in-Package) zawiera również odbiornik globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS) do zastosowań takich jak śledzenie lokalizacji. Interfejsy i urządzenia peryferyjne to m.in. 12-bitowy przetwornik analogowo-cyfrowy (ADC), zegar czasu rzeczywistego (RTC), szeregowy interfejs urządzeń peryferyjnych (SPI), magistrala I²C, magistrala I²S, interfejsy uniwersalnych asynchronicznych nadajniko-odbiorników (UART), funkcja modulacji gęstości impulsów (PDM) oraz modulacji szerokości impulsu (PWM). Układ SiP (System-in-Package) pozwala na opracowanie rozwiązań komórkowych lub Internetu rzeczy w technologii DECT NR+ przy użyciu jednego urządzenia, anteny, baterii, karty SIM lub eSIM oraz czujnika (ilustracja 2).

Ilustracja 2: układ SiP (System-in-Package) nRF9161 jest charakteryzującym się wysokim stopniem integracji rozwiązaniem łączności komórkowej z obsługą technologii długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M) i wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT) oraz łączności Internetu rzeczy (IoT) z obsługą technologii DECT NR+. (Źródło ilustracji: Nordic Semiconductor)

Wyzwania związane z projektowaniem oprogramowania

Wyzwania związane z projektowaniem urządzeń Internetu rzeczy na częstotliwości radiowe (RF IoT) obejmują również oprogramowanie. Stosy komórkowe i DECT NR+ są duże i wysoce złożone. Budowanie ich od podstaw wymaga specjalistów ds. protokołów. W przypadku technologii długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M) i wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT), po zbudowaniu i przetestowaniu stosu deweloper musi wdrożyć komórkowe polecenia AT (Attention Command). Stanowią one podstawę komunikacji między dowolnym modemem komórkowym a jego kontrolerem hosta. Służą one głównie do konfigurowania i debugowania modemu oraz do nawiązywania połączeń sieciowych za pośrednictwem operatorów sieci komórkowych (MNO).

Firma Nordic rozwiązuje problemy z kodowaniem oprogramowania, dostarczając sprawdzony i stabilny stos długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M) wstępnie zaprogramowany w modemie układu SiP (System-in-Package). Ponadto aplikacja szeregowego modemu LTE firmy Nordic obsługuje polecenia AT instruujące modem o potrzebie nadawania i odbierania danych.

Oprócz sprostania wyzwaniom inżynieryjnym, modemy komórkowe muszą również spełniać surowe wymagania certyfikacyjne i regulacyjne specyficzne dla danego regionu. Należą do nich globalne certyfikaty zapewniające zgodność ze specyfikacjami LTE, umożliwiające urządzeniu końcowemu komunikację w sieciach długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M) lub wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT). Ponadto niektórzy operatorzy sieci komórkowych (MNO) mają własne wymagania dotyczące certyfikacji.

Również w tym przypadku firma Nordic odciąża deweloperów, wstępnie certyfikując układ SiP (System-in-Package) nRF9161 do pracy w najbardziej krytycznych regionach, kluczowych sieciach i głównych pasmach LTE w tych sieciach.

Korzystanie z zestawu rozwojowego nRF9161

Układ SiP nRF9161 ułatwia sprostanie niektórym krytycznym wyzwaniom sprzętowym i programowym związanym z pracami rozwojowymi w obszarze rozwiązań komórkowych, Internetu rzeczy (IoT) i technologii DECT NR+, jednak stworzenie działającego prototypu nadal wymaga wysiłku. Aby przyspieszyć proces projektowania, firma Nordic oferuje zestaw rozwojowy nRF9161 DK (ilustracja 3) oraz pakiet narzędzi programowych. Najważniejszym z narzędzi jest zestaw rozwojowy oprogramowania (SDK) Connect nRF, czyli ujednolicone środowisko rozwojowe dla rozwiązań bezprzewodowych firmy Nordic.

Zestaw rozwojowy zawiera układ SiP (System-in-Package) i obwody niezbędne do stworzenia w pełni funkcjonalnego prototypu. Zestaw zawiera dedykowaną antenę LTE-M/NB-IoT i DECT NR+ oraz zintegrowaną antenę płytkową dla globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS). Programowanie i debugowanie jest możliwe z poziomu wbudowanego emulatora J-Link firmy SEGGER. W zestawie znajduje się karta SIM z fabrycznie załadowanymi danymi. Obsługuje on również programową kartę SIM, co dodatkowo obniża pobór mocy.

Ilustracja 3: zestaw DK nRF9161 zawiera układ SiP (System-in-Package) nRF9161 dla technologii długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M), wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT) oraz DECT NR+ i posiada anteny LPWAN oraz GNSS, wbudowany emulator J-Link firmy SEGGER do programowania i debugowania oraz kartę SIM z fabrycznie załadowanymi danymi. (Źródło ilustracji: Nordic Semiconductor)

Aby rozpocząć pracę z zestawem nRF9161, należy podłączyć kartę SIM (lub aktywować kartę eSIM), ustawić przełącznik PROG/DEBUG SW10 w pozycji „nRF91” i podłączyć zestaw do komputera stacjonarnego za pomocą kabla micro-USB 2.0. Omawiany zestaw rozwojowy wymaga systemu operacyjnego (OS) Windows, macOS lub Ubuntu Linux.

Następnym krokiem jest zainstalowanie programu nRF Connect for Desktop firmy Nordic oraz jego aktywacja. Na tym etapie można zainstalować aplikację Quick Start, która jest narzędziem wspomagającym procedury konfiguracji i instalacji. Oprogramowanie to upraszcza aktualizację oprogramowania układowego zestawu rozwojowego i aktywację karty SIM. Aby przesyłać dane z zestawu do chmury, deweloper może skonfigurować konto Nordic nRF Cloud lub połączyć się z innymi usługami w chmurze.

Aplikacja Quick Start przekieruje następnie dewelopera do zestawu rozwojowego oprogramowania (SDK) nRF Connect firmy Nordic. Zestaw rozwojowy oprogramowania (SDK) działa w Visual Studio Code, czyli popularnym zintegrowanym środowisku deweloperskim (IDE), wykorzystując rozszerzenie nRF Connect for VS Code firmy Nordic. Zestaw rozwojowy oprogramowania (SDK) służy do tworzenia aplikacji i zawiera przydatne przykłady, takie jak pobieranie lokalizacji urządzenia za pomocą pozycjonowania z wykorzystaniem globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS), sieci komórkowej lub Wi-Fi oraz przesyłanie danych z czujników z zestawu nRF9161 do chmury.

Po zbudowaniu aplikacji, zaprogramowanie wbudowanego procesora aplikacji ARM układu SiP (System-in-Package) nRF9161 jest proste. Pierwszym krokiem jest podłączenie zestawu do komputera za pomocą kabla USB i włączenie go. W rozszerzeniu nRF Connect for VS Code deweloper musi kliknąć opcję „Flash” w części „Actions View” (Widok działań). Pojawi się powiadomienie wyświetlające postęp programowania i potwierdzające zakończenie.

Zestaw rozwojowy pozwala również deweloperowi sprawdzić sygnał radiowy LTE-M, NB-IoT lub DECT NR+. Dobre parametry działania na częstotliwościach radiowych (RF) są niezbędne dla maksymalizacji zasięgu komunikacji między urządzeniem Internetu rzeczy (IoT) a stacją bazową. Aby dokonać pomiaru, należy podłączyć kabel pomiędzy małym złączem koncentrycznym (J1) w zestawie i analizatorem widma (ilustracja 4).

Ilustracja 4: sygnały o częstotliwościach radiowych (RF) w zestawie rozwojowym nRF9161 można mierzyć, podłączając zestaw do analizatora widma za pomocą kabla koncentrycznego. (Źródło ilustracji: Nordic Semiconductor)

Zaawansowane narzędzia rozwojowe dla zestawu nRF9161 DK

Po zaprogramowaniu aplikacji, deweloper może skorzystać z dwóch oferowanych przez firmę Nordic narzędzi, które umożliwią mu obserwowanie jej działania. Pierwszym z nich jest Power Profiler Kit II (PPK2) (ilustracja 5). To autonomiczne urządzenie może mierzyć pobór prądu przez zestaw rozwojowy w zakresie od 200nA do 1A z rozdzielczością od 100nA do 1mA. Zestaw PPK2 może również zasilać zestaw rozwojowy napięciem do 5V przy natężeniu 1A.

Ilustracja 5: zestaw Power Profiler Kit II (PPK2) może zmierzyć średni i chwilowy pobór prądu przez zestaw rozwojowy nRF9161 podczas uruchamiania aplikacji. (Źródło ilustracji: Nordic Semiconductor)

Zestaw PPK2 jest używany z aplikacją Power Profiler stanowiącą część oprogramowania nRF Connect for Desktop. Deweloper może użyć aplikacji do analizy średniego i chwilowego poboru prądu przez zestaw nRF9161 podczas uruchamiania aplikacji. W razie potrzeby, odczytów można dokonywać przez dłuższy czas, jednocześnie powiększając ich obraz w milisekundowych odstępach. Zmierzone dane można eksportować celem dalszego przetwarzania.

Analiza poboru mocy pozwala deweloperowi zobaczyć, gdzie można zmodyfikować kod aplikacji w celu oszczędzania energii i wydłużenia czasu pracy baterii w projekcie (ilustracja 6).

Ilustracja 6: aplikacja Power Profiler w oprogramowaniu nRF Connect for Desktop wyświetla bieżący pobór prądu przez aplikację. (Źródło ilustracji: Nordic Semiconductor)

Narzędzie Cellular Monitor firmy Nordic wspomaga rozwój aplikacji i jest obsługiwane przez oprogramowanie nRF Connect for Desktop. Monitor pokazuje, co robi modem układu SiP (System-in-Package) nRF9161, gdy zestaw rozwojowy uruchamia aplikację. Obejmuje to m.in. parametry działania sieci, status urządzeń i transmisję danych. Szczegóły te pozwalają deweloperowi na analizę ruchu danych na modemie i optymalizację działania aplikacji. Informacje są wyświetlane na terminalu szeregowym.

Podsumowanie

Technologie LPWAN z obszaru długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M), wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT) oraz DECT NR+ zapewniają niezawodną, bezpieczną i skalowalną łączność dalekiego zasięgu dla urządzeń Internetu rzeczy (IoT), ale opracowanie bezprzewodowych urządzeń sprzętowych i programowych może być trudne. Układ SiP (System-in-Package) nRF9161 firmy Nordic z wbudowanym oprogramowaniem protokołowym i obsługującym go zestawem rozwojowym nRF9161 DK oraz aplikacjami znacznie zmniejszają złożoność projektowania.