Powody i sposoby realizacji projektów wykorzystujących komórkowy Internet rzeczy za pomocą płytek rozwojowych IoT firmy Microchip

Komórkowy Internet rzeczy (IoT), technologia LPWAN (sieci rozległe małej mocy, ang. Low Power Wide Area Network), oferuje przejrzystą i sprawdzoną drogę do bezpiecznego i solidnego Internetu rzeczy (IoT) w zastosowaniach obejmujących zarówno inteligentne miasta, jak i rolnictwo oraz zdalne monitorowanie infrastruktury. Mimo wszystko komórkowy Internet rzeczy jest skomplikowaną technologią, co zniechęca niedoświadczonych projektantów, dopiero rozpoczynających pracę nad projektem.

Jednak wyzwania związane z projektowaniem komórkowego Internetu rzeczy nie muszą być takie straszne dzięki wykorzystaniu projektów opartych na płytkach rozwojowych sieci komórkowej, które wykorzystują znane mikrokontrolery MCU ogólnego przeznaczenia i zintegrowane środowiska deweloperskie (IDE). Dzięki bibliotekom otwartoźródłowego oprogramowania i prostemu połączeniu z czujnikami, wspomniane płytki rozwojowe ułatwiają projektantom rozpoczęcie pracy z projektami dla komórkowego Internetu rzeczy, w zakresie zarówno rozmieszczenia elementów sprzętowych, jak i wysyłania danych do chmury.

W niniejszym artykule przedstawiono krótko korzyści płynące z komórkowego Internetu rzeczy, a następnie wyjaśniono zawiłości projektowania, które mogą wiązać się z tą technologią. W dalszej części artykułu opisano, w jaki sposób wykorzystanie płytek rozwojowych do komórkowego Internetu rzeczy może wyeliminować wiele z takich zawiłości. W artykule omówiono również sposób konfigurowania płytki rozwojowej firmy Microchip Technology na potrzeby przesyłania prostych danych dotyczących kolorów i temperatury do chmury.

Czym jest komórkowy Internet rzeczy?

Komórkowy Internet rzeczy (IoT) wykorzystuje technologię komórkową niskiej mocy do łączenia urządzeń końcowych Internetu rzeczy (IoT) (takich jak czujniki i aktuatory) z chmurą. Jest to technologia LPWAN charakteryzująca się zasięgiem powyżej jednego kilometra, obsługą dużej gęstości urządzeń końcowych i niską przepustowością.

Mimo że istnieją inne technologie LPWAN, w szczególności sieć rozległa dalekiego zasięgu (LoRaWAN) (patrz: „Przyspieszenie opracowywania projektów Internetu rzeczy (IoT) LoRaWAN za pomocą kompleksowego zestawu startowego”) i Sigfox - komórkowy Internet rzeczy ma kilka kluczowych zalet:

• Jest przyszłościowy: specyfikacje standardów komórkowego Internetu rzeczy, podlegają stałej analizie i rozwojowi.
• Skalowalność: istniejąca już infrastruktura komórkowa może ułatwić szybki rozwój komórkowego Internetu rzeczy.
• Jakość usług (QoS): komórkowy Internet rzeczy oferuje wysoką niezawodność, ponieważ opiera się na sprawdzonej i dojrzałej infrastrukturze w dużych zastosowaniach komercyjnych.
• Współpraca z IP: urządzenia końcowe mogą być bezpośrednio połączone z chmurą, co niweluje konieczność stosowania drogich i złożonych bramek.

Projektanci muszą uwzględnić fakt, że komórkowy Internet rzeczy wiąże się ze stałymi wydatkami związanymi z transferem danych. Nie ma to miejsca w przypadku konkurencyjnych technologii, takich jak sieć rozległa dalekiego zasięgu (LoRaWAN), która wykorzystuje nielicencjonowane widmo częstotliwości. Jednak koszty transmisji danych w komórkowym Internecie rzeczy są coraz niższe ze względu na presję ze strony konkurencji i zwiększone wykorzystanie obliczeń na poziomie urządzeń brzegowych, co zmniejsza ilość nieistotnych danych przesyłanych w sieci.

Komórkowy Internet rzeczy podlega normie telekomunikacyjnej zarządzanej i aktualizowanej przez organizację 3rd Generation Partnership Project (3GPP). Wydanie 13. normy 3GPP rozszerzyło kategorie modemów typu „maszyna-maszyna” (M2M), aby umożliwić stosowanie tanich modemów niskiej mocy i niskiej przepustowości odpowiednich dla łączności w Internecie rzeczy (IoT). Kolejne wydania normy doprowadziły do dalszych ulepszeń modemów do Internetu rzeczy (IoT).

Czujniki bezprzewodowe wyposażone w modemy do komórkowego Internetu rzeczy mogą przesyłać dane na odległość wielu kilometrów do chmury bez konieczności stosowania drogiej i skomplikowanej bramki, a także zabezpieczeń i jakości usług (QoS), z których znana jest sieć komórkowa.

Różnica między technologią długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M) i wąskopasmowym Internetem rzeczy (NB-IoT)

Komórkowy Internet rzeczy występuje w dwóch formach: sieci długoterminowej ewolucji dla maszyn kategorii M2 (LTE-M) oraz wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT). Oba typy są przeznaczone do użytku z urządzeniami o ograniczonych zasobach, często zasilanymi bateryjnie, typowymi dla Internetu rzeczy (IoT) i przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT). Ponieważ modemy Internetu rzeczy (IoT) łączą się z istniejącą infrastrukturą komórkową, każdy z nich wymaga własnego modułu identyfikacji abonenta (SIM).

Sieć długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M) jest oparta na uproszczonej technologii LTE („4G”). Obsługuje ona bezpieczną komunikację, wszechobecny zasięg i dużą pojemność systemu. Jej zdolność do pracy w trybie systemu z pełnym dupleksem w stosunkowo szerokim paśmie (1,4MHz) poprawia latencję i przepustowość w porównaniu z wąskopasmowym Internetem rzeczy (NB-IoT). Przepustowość danych nieprzetworzonych wynosi 300kb/s dla pobierania i 375kb/s dla wysyłania. Technologia ta jest odpowiednia do bezpiecznych połączeń IP typu end-to-end, a mobilność gwarantują komórkowe techniki łączności LTE. Sieć długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M) nadaje się do zastosowań mobilnych, takich jak monitorowanie zasobów lub opieka zdrowotna.

Wąskopasmowy Internet rzeczy (NB-IoT) został zaprojektowany przede wszystkim z myślą o efektywności energetycznej i lepszej penetracji budynków i innych obszarów utrudniających propagację fal radiowych. W przeciwieństwie do sieci długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M), nie jest on oparty na warstwie fizycznej LTE (PHY). Złożoność modemu jest jeszcze mniejsza niż w przypadku urządzenia do sieci długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M) ponieważ wąskopasmowy Internet rzeczy (NB-IoT) używa pasma 200kHz. Mimo że przepustowość danych nieprzetworzonych wynosi zaledwie 60/30kb/s, zasięg jest lepszy niż sieci długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M). Wąskopasmowy Internet rzeczy (NB-IoT) nadaje się do zastosowań statycznych, takich jak liczniki inteligentne, które mogą być zasłonięte ścianami.

Komercyjne modemy do komórkowego Internetu rzeczy

Obecnie dostępna jest szeroka gama komercyjnych modemów do sieci długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M) i wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT). Jednym z przykładów jest moduł Monararch 2 GM02S firmy Sequans. Urządzenie obsługuje układ front-end o częstotliwości radiowej (RF) o tej samej pozycji magazynowej (SKU) dla 20 globalnych pasm sieci długoterminowej ewolucji (LTE). Jest dostarczane w kompaktowym module LGA o wymiarach 16,3 x 17 x 1,85mm. Moduł spełnia wymagania wydania 14/15 normy 3GPP. Opisywany modem jest zasilany z jednego źródła o napięciu od 2,2 do 5,5V, a jego maksymalna moc nadawania wynosi +23dBm.

Urządzenie GM02S obsługuje zewnętrzne karty SIM, wbudowane karty eSIM oraz zintegrowane karty SIM. W zestawie znajduje się złącze antenowe 50Ω. Urządzenie jest wyposażone w stos oprogramowania do sieci długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M) i wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT) oraz oprogramowanie Sequan Cloud Connector ułatwiające połączenie z komercyjnymi platformami chmurowymi (ilustracja 1).

Ilustracja 1: modem GM02S firmy Sequans do sieci długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M) i wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT) jest dostarczany w kompaktowej obudowie i ze sprawdzonym stosem oprogramowania. (Źródło ilustracji: Sequans)

Wyzwania w dziedzinie projektowania dla komórkowego Internetu rzeczy

Chociaż modem GM02S jest wysoce zintegrowanym urządzeniem dostarczanym wraz ze stosem oprogramowania i łącznością w chmurze, podobnie jak wszystkie modemy komercyjne, zanim aplikacja IoT będzie mogła bezproblemowo wysyłać dane do chmury na odległości wielu kilometrów, trzeba przeprowadzić dość intensywne prace rozwojowe.

Modem ten jest zaprojektowany wyłącznie do obsługi komunikacji między urządzeniem końcowym a stacją bazową. Do sterowania modemem podczas pracy z oprogramowaniem aplikacyjnym czujnika potrzebny jest osobny procesor nadzoru i aplikacji. Ponadto projektant musi również pochylić się nad obwodami antenowymi, zasilaczem oraz wyposażeniem urządzenia końcowego w kartę SIM, aby zapewnić bezproblemową łączność z siecią komórkową (patrz, „Sposób korzystania z wielopasmowych anten wbudowanych w celu oszczędzania miejsca, ograniczenia złożoności oraz obniżenia kosztów projektów Internetu rzeczy (IoT)”).

Oprócz zaprojektowania sprzętu, połączenie modułu komórkowego z siecią oraz odbieranie i wysyłanie danych wymaga pewnych umiejętności w zakresie kodowania. Jeśli projekt wykorzystuje zewnętrzny mikrokontroler MCU aplikacji, zazwyczaj komunikuje się z modułem komórkowym za pomocą łącza szeregowego UART (chociaż używane są również inne interfejsy wejścia-wyjścia). Standardowym sposobem sterowania modemem komórkowym są polecenia AT („uwaga”). Polecenia składają się z szeregu krótkich ciągów tekstowych, które można łączyć w celu tworzenia operacji, takich jak wybieranie numeru, rozłączanie i zmiana parametrów połączenia.

Istnieją dwa typy poleceń AT: podstawowe - czyli takie, które nie zaczynają się od „+”. Przykładami są „D” (wybieranie numeru), „A” (odpowiedź), „H” (sterowanie hakiem) i „O” (powrót do stanu danych online). Polecenia rozszerzone natomiast rozpoczynają się od znaku „+”. Na przykład „+CMGS” (wyślij wiadomość SMS), „+CMGL” (pokaż listę wiadomości SMS) i „+CMGR” (odczytaj wiadomości SMS) (patrz „Korzystanie z modułu komórkowego w celu połączenia projektu Maker z Internetem rzeczy”).

Wspomniane zagadnienia dotyczące sprzętu i oprogramowania komplikują komórkowy Internet rzeczy, co może spowalniać postęp w przypadku mniej doświadczonych projektantów. Na szczęście producenci mikrokontrolerów MCU aplikacji oraz modemów do komórkowego Internetu rzeczy połączyli siły, aby zaoferować narzędzia do projektowania sprzętu i oprogramowania, które znacznie ułatwiają korzystanie z tej ważnej technologii LPWAN.

Eliminowanie złożoności dzięki płytkom rozwojowym do Internetu rzeczy (IoT)

Rozwiązywanie problemów związanych z projektowaniem komórkowego Internetu rzeczy jest znacznie łatwiejsze, jeśli można oprzeć opracowywany prototyp na specjalnie do tego celu zaprojektowanej płytce rozwojowej. Płytka rozwojowa zazwyczaj jest wyposażona w antenę, źródło zasilania, kartę SIM z pewnym bezpłatnym przydziałem danych, procesor aplikacji i sieci dostrajania zapewniające dobre parametry działania na częstotliwościach radiowych (RF). Dzięki temu projektant może rozpocząć prace od solidnego sprzętu i skupić się na tworzeniu aplikacji. Dzięki dobrze dobranym płytkom rozwojowym aplikacje można tworzyć w znanym zintegrowanym środowisku deweloperskim (IDE).

Przykładem może być popularna płytka rozwojowa komórkowego Internetu rzeczy EV70N78A AVR-IoT Cellular Mini firmy Microchip. Jest to platforma sprzętu oparta na popularnym mikrokontrolerze MCU AVR128DB48 firmy Microchip oraz opisanym powyżej module komórkowym Monarch 2 GM02S firmy Sequans. Mikrokontroler MCU jest urządzeniem 8-bitowym o częstotliwości 24MHz. Posiada 128kB pamięci flash, 16kB pamięci SRAM, 512B pamięci EEPROM i jest dostarczany w obudowie z 48 wtykami.

W płytce rozwojowej zintegrowano również element bezpieczny ATECC608B. Po podłączeniu do sieci długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M) lub wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT) element ATECC608B służy do uwierzytelnienia sprzętu w chmurze w celu zapewnienia unikatowej identyfikacji każdej płytki.

Aby jeszcze bardziej ułatwić pracę projektanta, płytka rozwojowa firmy Microchip została wyposażona w gotową do aktywacji kartę SIM Truphone z limitem danych 150MB.

Płytka rozwojowa posiada pięć diod LED użytkownika, dwa przyciski mechaniczne, kryształ o częstotliwości 32,768kHz, czujniki koloru i temperatury, złącze brzegowe kompatybilne z płytką Feather firmy Adafruit, złącze Qwiic I²C, wbudowany debugger, port USB, opcje zasilania zewnętrznego i bateryjnego oraz ładowarkę ogniw litowo-jonowych i litowo-polimerowych (Li-ion/Li-po) MCP73830 z diodą LED statusu ładowania (ilustracja 2).

Ilustracja 2: płytka rozwojowa AVR-IoT Cellular Mini bazuje na mikrokontrolerze MCU AVR128DB48 i jest dostarczana wraz z kartą SIM i limitem danych 150MB. (Źródło ilustracji: Microchip Technology)

Rozpoczęcie projektu komórkowego Internetu rzeczy

Celem komórkowego Internetu rzeczy jest bezprzewodowe połączenie urządzeń końcowych Internetu rzeczy (IoT), takich jak czujniki i aktuatory, aby umożliwić przesyłanie danych na odległość wielu kilometrów do chmury. Mikrokontroler MCU na płytce rozwojowej firmy Microchip jest fabrycznie wyposażony w obraz oprogramowania sprzętowego stanowiący aplikację demonstracyjną, która umożliwia użytkownikom szybkie łączenie i wysyłanie danych z wbudowanych czujników temperatury i kolorów do otwartego środowiska chmurowego (obsługiwanego przez platformę Amazon Web Services (AWS)).

Aby przygotować sprzęt do prac rozwojowych, wystarczy aktywować i włożyć kartę SIM, podłączyć antenę zewnętrzną do płytki, podłączyć port debugowania USB-C na płytce do komputera, zeskanować kod QR na spodzie płytki lub otworzyć urządzenie pamięci masowej i postępować zgodnie z instrukcjami zawartymi w pliku CLICK-ME.HTM, przechodząc do witryny internetowej zestawu.

Narzędzie Microchip IoT Provisioning Tool, dostępne w serwisie Github, stanowi łatwe w użyciu rozwiązanie do konfiguracji płytki AVR-IoT Cellular Mini dla wybranego dostawcy usług w chmurze, ustawiania dostawcy sieci i wybierania pasm częstotliwości sieci komórkowej. (Aby demonstracyjne oprogramowanie układowe otwartego środowiska chmurowego działało, potrzebna jest płytka rozwojowa dla otwartego środowiska AWS Microchip).

Po zdobyciu przez deweloperów pewnego doświadczenia w pracy z aplikacją demonstracyjną, mogą zacząć budować własną aplikację przy użyciu pełnego wsparcia zintegrowanego środowiska deweloperskiego (IDE) Arduino. Wsparcie to opiera się na bibliotece kodów dla płytek AVR do rozwiązań komórkowego Internetu rzeczy napisanych na platformę Arduino, przechowywanej w serwisie Github. Biblioteka jest zbudowana na bazie otwartoźródłowego interfejsu DxCore (ilustracja 3).

Ilustracja 3: biblioteka kodów dla płytek AVR do rozwiązań komórkowego Internetu rzeczy (pomarańczowa) zawiera moduły oprogramowania do programowania i sterowania płytką rozwojową (przedstawione w uproszczeniu, oznaczone kolorem zielonym). (Źródło ilustracji: Microchip Technology)

Wbudowany debugger (PKOB nano) zapewnia pełne wsparcie programistyczne dla zintegrowanego środowiska deweloperskiego (IDE) Arduino. Nie wymaga stosowania żadnych narzędzi zewnętrznych, a także zapewnia dostęp do interfejsu szeregowego (mostek port szeregowy-USB) i dwóch kanałów analizatora logicznego (wejście-wyjście ogólnego przeznaczenia (GPIO) do debugowania). Wbudowany debugger na płytce AVR IoT Cellular Mini przyjmuje formę urządzenia z interfejsem użytkownika (HID) w podsystemie USB komputera hosta. W przypadku bardziej ambitnych projektów złącza krawędziowe płytki rozwojowej kompatybilne ze standardami Qwiic i Feather ułatwiają rozbudowę o jedną z wielu możliwych do wyboru płytek dodatkowych firm Sparkfun i Adafruit (ilustracja 4).

Ilustracja 4: schemat blokowy płytki rozwojowej AVR IoT pokazuje, że połączenie z komputerem hosta odbywa się za pośrednictwem łącza USB debuggera, podczas gdy programowanie mikrokontrolera MCU aplikacji odbywa się za pośrednictwem łącza UART debuggera. Uwaga: połączenie między mikrokontrolerem MCU aplikacji a modemem komórkowym jest również nawiązywane za pośrednictwem łącza UART. (Źródło ilustracji: Microchip Technology)

Rozpoczęcie programowania aplikacji wymaga pobrania i zainstalowania zintegrowanego środowiska deweloperskiego (IDE) Arduino oraz interfejsu DxCore. Następnie należy skonfigurować zintegrowane środowisko deweloperskie (IDE) Arduino, aby umożliwić uruchomienie biblioteki kodów dla płytek AVR do rozwiązań dla komórkowego Internetu rzeczy napisanych na platformę Arduino (Lista 1).

Lista 1: konfiguracja zintegrowanego środowiska deweloperskiego (IDE) Arduino pozwalająca na uruchomienie biblioteki kodów dla płytek AVR do rozwiązań dla komórkowego Internetu rzeczy napisanych na platformę Arduino. (Źródło kodu: Microchip Technology)

Po skonfigurowaniu zintegrowanego środowiska deweloperskiego (IDE) można zainstalować bibliotekę. Po wykonaniu tej czynności można uzyskać dostęp do kilku przykładów z biblioteki dla płytki rozwojowej. Projektanci zaznajomieni ze zintegrowanym środowiskiem deweloperskim (IDE) Visual Studio Code mogą używać tego środowiska do prac rozwojowych nad rozwiązaniami Internetu rzeczy (IoT) na płytki AVR, pod warunkiem zainstalowania wtyczki Arduino. Kod aplikacji Arduino opracowany w obu zintegrowanych środowiskach deweloperskich (IDE) jest przenoszony do mikrokontrolera MCU płytki rozwojowej za pośrednictwem wbudowanego debuggera.

Wykonywanie pomiarów mocy

Komórkowy Internet rzeczy został zaprojektowany do pracy przy niskim poziomie mocy, aby wydłużyć czas pracy zasilanych bateryjnie urządzeń końcowych Internetu rzeczy (IoT). Dlatego ważne jest, aby zoptymalizować kod aplikacji pod kątem minimalnego poboru mocy.

Zasilanie wszystkich komponentów na płytce rozwojowej firmy Microchip jest podłączane za pośrednictwem pięciu przecinanych pasków. Są one również przeznaczone do pomiarów prądu. Aby zmierzyć natężenie prądu wybranego obwodu, należy przeciąć pasek i podłączyć amperomierz pomiędzy otworami (ilustracja 5).

Ilustracja 5: przecinane paski na płytce rozwojowej AVR IoT mogą być używane do pomiaru poboru mocy przez kluczowe obwody. (Źródło ilustracji: Microchip Technology)

Płytka rozwojowa posiada również obwód pomiaru napięcia układu za pomocą przełącznika MIC94163 i dzielnika napięcia podłączonego do styku przetwornika analogowo-cyfrowego na mikrokontrolerze MCU, umożliwiając pomiar na żądanie i zapobiegając upływowi prądu przez dzielnik napięcia. Aby zmierzyć napięcie układu, należy wykonać następujące czynności:

1. Skonfigurować napięcie referencyjne dla przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC).
2. Ustawić stan wysoki na wtyku aktywacji pomiaru napięcia układu GPIO mikrokontrolera MCU (PB3).
3. Ustawić wtyk pomiaru napięcia układu ADCO mikrokontrolera MCU (PE0) jako wejście dla przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC).
4. Przeprowadzić jednostronną konwersję sygnału analogowego na cyfrowy (ADC).
5. Obliczyć napięcie za pomocą równania: V = wynik z przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) x V_REF x 4 / rozdzielczość przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC).

Pomiar napięcia zasilania jest równie łatwy - należy wykonać następujące czynności:

1. Skonfigurować napięcie referencyjne dla przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC).
2. Jako wejście dodatnie do przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) należy wybrać V_DD lub _VDDIO2. (V_DD i V_DDIO2 są dostępnymi wewnętrznymi kanałami wejściowymi do przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) mikrokontrolera MCU).
3. Przeprowadzić jednostronną konwersję sygnału analogowego na cyfrowy.
4. Obliczyć napięcie za pomocą równania: V = wynik ADC x V_REF x 10 / rozdzielczość ADC.

Podsumowanie

Komórkowy Internet rzeczy jest popularną siecią wykorzystującą technologię LPWAN o rosnącym potencjale komercyjnym. Jednakże projektowanie urządzeń końcowych dla komórkowego Internetu rzeczy wymaga specjalistycznej wiedzy zarówno w dziedzinie sprzętu, jak i oprogramowania. Z myślą o projektantach opracowano nowe płytki rozwojowe komórkowego Internetu rzeczy (IoT), takie jak EV70N78A AVR-IoT Cellular Mini firmy Microchip, które pozwalają przyspieszyć proces prototypowania.

Płytka rozwojowa wykorzystuje wysokiej klasy modem sieci długoterminowej ewolucji dla maszyn (LTE-M) i wąskopasmowego Internetu rzeczy (NB-IoT) oraz popularny mikrokontroler MCU firmy Microchip. Tworzenie kodu aplikacji jest uproszczone dzięki wykorzystaniu zintegrowanego środowiska deweloperskiego (IDE) Arduino lub Visual Studio.