Utilizați un kit de dezvoltare combinat LTE-M, NB-IoT și DECT NR+ pentru a demara un proiect IoT wireless

Tehnologiile wireless celulare de rețea de mică putere și de mare distanță (LPWAN) pentru Internetul lucrurilor (IoT), cum ar fi Long-Term Evolution Machine Type Communication (LTE-M) și NarrowBand-IoT (NB-IoT), oferă o rază de conectivitate wireless de peste un kilometru (km) pentru dispozitivele alimentate cu baterii, utilizând infrastructura celulară existentă și dovedită. New Radio+ (DECT NR+) este o alternativă LPWAN fără licență pentru aplicațiile care necesită o abordare similară celei celulare pentru implementări IoT masive. Toate cele trei abordări pot fi complexe de implementat pentru dezvoltatori, chiar și pentru cei care au experiență în domeniul wireless cu rază scurtă de acțiune.

Colaborarea cu un furnizor de soluții care oferă produse precertificate cu stive de software de protocol LTE-M, NB-IoT sau DECT NR+ integrate și modemuri automate poate compensa complexitatea proiectării LPWAN. Astfel de soluții permit dezvoltatorului să se concentreze mai mult pe diferențierea aplicațiilor și să atingă obiectivele de timp privind lansarea pe piață.

Acest articol rezumă beneficiile LTE-M, NB-IoT și DECT NR+ pentru conectivitatea IoT cu rază lungă de acțiune și analizează provocările legate de implementare. Apoi, prezintă o combinație de dispozitiv celular IoT și DECT NR+ și un kit de dezvoltare asociat de la Nordic Semiconductor și arată cum pot fi utilizate pentru a depăși aceste provocări.

De ce să folosiți LTE-M, NB-IoT sau DECT NR+ wireless?

Pentru a fi o parte fundamentală a rețelei globale care formează internetul, dispozitivele IoT trebuie să poată comunica cu cloud-ul folosind protocolul de internet (IP) fără a utiliza gateway-uri costisitoare. În unele aplicații, cum ar fi agricultura, orașele inteligente și monitorizarea mediului, comunicarea trebuie să se desfășoare pe distanțe lungi și să necesite o întreținere minimă. Aceasta din urmă se traduce printr-un consum redus de energie pentru maximizarea duratei de viață a bateriei.

LTE-M și NB-IoT oferă o soluție celulară la aceste provocări. Acestea se bazează pe specificațiile stabilite de 3GPP, astfel că sunt interoperabile prin IP și oferă o rază de acțiune de mai mulți km. LTE-M și NB-IoT funcționează în benzile de frecvență de la 698 megahertzi (MHz) la 960 MHz și, respectiv, de la 1710 MHz la 2200 MHz. Detaliile tehnice ale LTE-M și NB-IoT sunt rezumate în Tabelul 1.

Tabelul 1: Este prezentată o comparație între LTE-M și NB-IoT. (Sursa imaginii: Nordic Semiconductor)

DECT NR+ oferă o alternativă pentru aplicațiile care necesită conectivitate cu rază lungă de acțiune, fără taxă de licență. Acesta se bazează pe specificațiile 5G, funcționează în banda de 1900 MHz, poate accepta rețele LPWAN de mare densitate și este potrivit pentru comunicațiile de la mașină la mașină (M2M) și pentru monitorizarea calității aerului la nivelul întregului oraș.

Simplificarea proiectării RF

Implementarea proiectelor RF reprezintă o provocare pentru mulți dezvoltatori și poate compromite frecvent calendarul de lansare pe piață. Cu toate acestea, unele provocări hardware pot fi depășite prin selectarea unei soluții integrate care ascunde o mare parte din complexitate. Un exemplu este sistemul în pachet (SiP) nRF9161 de la Nordic Semiconductor (Figura 1).

SiP-ul încorporează un procesor Arm^® Cortex^®-M33 dedicat software-ului de aplicație și un modem care acceptă interfețele RF LTE-M, NB-IoT și DECT NR+. Acesta include și un front-end RF (RFFE), precum și un sistem de gestionare a energiei, toate într-o capsulă de tip Land Grid Array (LGA) de 16,0 x 10,5 x 1,04 milimetri (mm). Modemul acceptă IPv4/IPv6 și actualizări criptate de firmware-over-the-air (FOTA). Procesorul de aplicații este susținut de o memorie flash de 1 megaoctet (Mbyte) și de 256 de kiloocteți (Kbyte) de memorie RAM.

Figura 1: SiP nRF9161 încorporează un procesor Arm Cortex-M33, un modem LTE, RFFE, memorie și gestionarea energiei. (Sursă imagine: Nordic Semiconductor)

De asemenea, SiP-ul dispune de un receptor GNSS pentru aplicații precum urmărirea locației. Interfețele și perifericele includ un convertor analogic-digital (ADC) pe 12 biți, ceas în timp real (RTC), interfață serială periferică (SPI), Inter-Integrated Circuit (I²C), Inter-IC Sound (I²S), transmițător universal de emisie/recepție asincronă (UART), modularea în densitate a impulsurilor (PDM) și modularea în lățime a impulsurilor (PWM). SiP permite dezvoltarea unei soluții IoT celulare sau DECT NR+ cu un singur dispozitiv, o antenă, o baterie, un SIM sau eSIM și un senzor (Figura 2).

Figura 2: SiP nRF9161 este o soluție de conectivitate celulară (LTE-M, NB-IoT) și DECT NR+ IoT cu grad foarte ridicat de integrare. (Sursă imagine: Nordic Semiconductor)

Provocări de proiectare software

Provocările legate de proiectarea RF IoT se extind și la software. Stivele de rețea celulară și DECT NR+ sunt mari și extrem de complexe; pentru a le construi de la zero este nevoie de specialiști în protocoale. În cazul LTE-M și NB-IoT, dezvoltatorul trebuie să implementeze comenzi de atenție (AT) specifică celulară după ce stiva este construită și testată. Acestea reprezintă baza comunicării între orice modem celular și controlerul gazdă. Se utilizează în principal pentru configurarea și depanarea modemului și pentru a permite conectarea la rețea prin intermediul operatorilor de rețele mobile (MNO).

Nordic ameliorează problemele de codificare a software-ului prin furnizarea unei stive LTE-M dovedite și stabile, preprogramate în modemul SiP. În plus, aplicația Serial LTE Modem de la Nordic gestionează comenzile AT care instruiesc modemul să transmită și să primească date.

Dincolo de provocările tehnice, modemurile celulare trebuie, de asemenea, să îndeplinească cerințe stricte de certificare și reglementare specifice fiecărei regiuni. Acestea includ certificări globale pentru asigurarea compatibilității cu specificațiile LTE, permițând dispozitivului final să comunice în rețelele LTE-M sau NB-IoT. În plus, unii operatori de rețele mobile au propriile cerințe de certificare.

Din nou, Nordic a ușurat sarcina dezvoltatorului prin precertificarea SiP nRF9161 pentru a funcționa în cele mai critice regiuni, în rețelele cheie și în benzile LTE principale din aceste rețele.

Utilizarea kitului de dezvoltare nRF9161

În timp ce SiP nRF9161 simplifică unele provocări hardware și software critice asociate cu dezvoltarea IoT celulară și DECT NR+, crearea unui prototip funcțional necesită totuși un efort. Pentru a accelera procesul de proiectare, Nordic oferă kitul de dezvoltare nRF9161 DK (Figura 3) și o suită de instrumente software. Instrumentele sunt conduse de nRF Connect SDK al companiei, un mediu de dezvoltare unificat pentru soluțiile wireless ale Nordic.

Kitul de dezvoltare încorporează SiP și include circuitele necesare pentru a permite realizarea unui prototip complet funcțional. Kitul dispune de o antenă dedicată LTE-M/NB-IoT și DECT NR+ și de o antenă patch integrată pentru GNSS. Programarea și depanarea sunt permise prin intermediul SEGGER J-Link integrat, iar kitul este livrat împreună cu o cartelă SIM preîncărcată cu date. De asemenea, acceptă utilizarea unui SIM software, reducând și mai mult consumul de energie.

Figura 3: nRF9161 DK include SiP nRF9161 pentru LTE-M, NB-IoT și DECT NR+ și dispune de antene LPWAN și GNSS, de un SEGGER J-Link integrat pentru programare și depanare și de o cartelă SIM preîncărcată. (Sursă imagine: Nordic Semiconductor)

Pentru a începe să dezvoltați cu kitul nRF9161, cardul SIM trebuie să fie conectat (sau eSIM-ul activat), comutatorul PROG/DEBUG SW10 trebuie să fie setat pe „nRF91”, iar kitul trebuie să fie conectat la un computer desktop cu ajutorul unui cablu micro-USB 2.0. Kitul de dezvoltare necesită un sistem de operare (OS) Windows, macOS sau Ubuntu Linux.

Următorul pas este instalarea aplicației nRF Connect for Desktop de la Nordic și activarea software-ului. De aici, se poate instala aplicația Quick Start, un instrument pentru procedurile de configurare și instalare ghidate. Software-ul simplifică actualizarea firmware-ului kitului de dezvoltare și activarea cartelei SIM. Pentru a transmite datele din kit în cloud, dezvoltatorul poate configura un cont nRF Cloud de la Nordic sau se poate conecta la alte servicii cloud.

Aplicația Quick Start va direcționa apoi dezvoltatorul către nRF Connect SDK de la Nordic. SDK-ul funcționează cu Visual Studio Code, un mediu de dezvoltare integrat (IDE) popular, utilizând extensia nRF Connect for VS Code de la Nordic. SDK-ul este utilizat pentru a dezvolta aplicații și include mostre utile, cum ar fi recuperarea locației unui dispozitiv utilizând poziționarea GNSS, celulară sau Wi-Fi și transmiterea datelor senzorilor de la kitul nRF9161 către cloud.

Odată ce aplicația este construită, programarea procesorului de aplicații Arm al SiP nRF9161 integrat este simplă. Primul pas este să conectați kitul la un PC cu ajutorul unui cablu USB și să îl alimentați. Din extensia nRF Connect pentru VS Code, dezvoltatorul trebuie să facă clic pe opțiunea „Flash” din „Actions View” (Vizualizarea acțiunilor). Apare o notificare care afișează progresul programării și confirmă finalizarea.

De asemenea, kitul de dezvoltare permite dezvoltatorului să verifice semnalul RF LTE-M, NB-IoT sau DECT NR+. O bună performanță RF este esențială pentru a maximiza raza de comunicare între dispozitivul IoT și stația de bază. Pentru a efectua măsurătorile, se montează un cablu între conectorul coaxial mic (J1) de pe kit și un analizor de spectru (Figura 4).

Figura 4: Semnalul RF al kitului de dezvoltare nRF9161 poate fi măsurat prin conectarea acestuia la un analizor de spectru cu un cablu coaxial. (Sursă imagine: Nordic Semiconductor)

Instrumente avansate de dezvoltare pentru nRF9161 DK

Odată ce o aplicație este programată, Nordic oferă două instrumente care permit dezvoltatorului să observe performanța acesteia. Primul este Power Profiler Kit II (PPK2) (Figura 5). Această unitate autonomă poate măsura consumul de curent al kitului de dezvoltare pe o gamă de la 200 de nanoamperi (nA) până la 1 amper (A), cu o rezoluție care variază între 100 nA și 1 miliamper (mA). De asemenea, PPK2 poate furniza până la 5 volți la 1 A către kitul de dezvoltare.

Figura 5: PPK2 poate măsura consumul mediu și instantaneu de curent al kitului de dezvoltare nRF9161 atunci când rulează o aplicație. (Sursă imagine: Nordic Semiconductor)

PPK2 este utilizat cu o aplicație Power Profiler, parte a software-ului nRF Connect for Desktop. Dezvoltatorul poate utiliza aplicația pentru a analiza consumul mediu și instantaneu de curent al kitului nRF9161 atunci când rulează o aplicație. Valorile pot fi înregistrate pe o durată extinsă, în timp ce, dacă este necesar, se poate face simultan zoom pe un interval de milisecunde. Datele măsurate pot fi exportate pentru a fi prelucrate ulterior.

Analiza consumului de energie permite dezvoltatorului să vadă unde poate fi modificat codul aplicației pentru a economisi energie și a prelungi durata de viață a bateriei (Figura 6).

Figura 6: Aplicația Power Profiler din nRF Connect for Desktop afișează consumul de curent al aplicației pe măsură ce aceasta rulează. (Sursă imagine: Nordic Semiconductor)

Instrumentul Cellular Monitor de la Nordic ajută la dezvoltarea aplicațiilor și este susținut de software-ul nRF Connect for Desktop. Monitorul arată ce face modemul SiP nRF9161 în timp ce kitul de dezvoltare rulează aplicația. Aceasta include performanța rețelei, starea dispozitivului și transmiterea datelor. Aceste detalii permit dezvoltatorului să analizeze traficul modemului și să optimizeze performanța aplicației. Informațiile sunt afișate pe un terminal serial.

Concluzie

Tehnologiile LTE-M, NB-IoT și DECT NR+ LPWAN susțin conectivitatea fiabilă, sigură și scalabilă pe distanțe lungi pentru dispozitivele IoT, dar dezvoltarea de dispozitive hardware și software wireless poate fi o provocare. SiP-ul nRF9161, software-ul de protocol încorporat și kitul de dezvoltare și aplicațiile nRF9161 DK de la Nordic reduc o mare parte din complexitatea proiectării.