De ce și cum să demarăm proiecte IoT celulare utilizând placa de dezvoltare IoT de la Microchip

Internetul celular al lucrurilor (IoT), o tehnologie de rețea de mare distanță și cu consum redus de energie (LPWAN), oferă o cale clară și dovedită către un IoT sigur și robust pentru aplicații care variază de la orașe inteligente la agricultură și monitorizarea la distanță a infrastructurii. Cu toate acestea, IoT celular este o tehnologie complexă, descurajantă pentru proiectanții neexperimentați care încep proiecte noi.

Cu toate acestea, provocările legate de proiectarea IoT celulară pot fi ușurate prin bazarea proiectelor pe plăci de dezvoltare celulară care utilizează microcontrolere (MCU) de uz general și medii de proiectare integrate (IDE) familiare. Susținute de biblioteci de software open-source și de o conectare simplă a senzorilor, aceste plăci de dezvoltare îi ajută pe proiectanți să înceapă proiecte IoT celulare, de la configurarea hardware până la trimiterea datelor în cloud.

Acest articol prezintă pe scurt beneficiile IoT celular, apoi explică complexitatea privind proiectarea pe care o poate introduce această tehnologie. Articolul descrie apoi modul în care utilizarea plăcilor de dezvoltare IoT celulare poate elimina o mare parte din această complexitate. În cele din urmă, articolul descrie cum se poate configura o placă de dezvoltare Microchip Technology pentru a trimite date simple de culoare și temperatură către cloud.

Ce este IoT celular?

IoT celular utilizează tehnologia celulară de joasă putere pentru a conecta dispozitivele finale IoT (cum ar fi senzorii și dispozitivele de acționare) la cloud. Este o tehnologie LPWAN caracterizată de o rază de acțiune de peste un kilometru, de un suport de mare densitate pentru dispozitivele finale și de un debit redus.

Deși există și alte tehnologii LPWAN – în special LoRaWAN (consultați „Accelerați proiectele IoT LoRaWAN cu un kit de pornire complet”) și Sigfox – IoT celular oferă câteva avantaje cheie, printre care:

• Durabilitate pentru viitor: Ca standard, specificațiile pentru IoT celular sunt în mod constant în curs de revizuire și dezvoltare.
• Scalabilitate: IoT celular poate sprijini implementarea rapidă a IoT prin intermediul arhitecturii celulare stabilite.
• Calitatea serviciului (QoS): IoT celular oferă o fiabilitate ridicată, deoarece se bazează pe o infrastructură dovedită și matură în aplicațiile comerciale de mare volum.
• Interoperabilitatea IP: Dispozitivele finale pot fi conectate direct la cloud fără a fi nevoie de gateway-uri complexe și costisitoare.

Proiectanții trebuie să țină cont de faptul că, în cazul IoT celular, există o cheltuială continuă asociată cu transferul de date. Nu și acesta este cazul tehnologiilor concurente, cum ar fi LoRaWAN, care utilizează spectrul de frecvențe fără licență. Cu toate acestea, costurile datelor IoT celulare au tendința de a scădea datorită presiunilor concurențiale și a utilizării crescute a tehnologiilor edge computing, reducând volumul de date banale trimise prin rețea.

IoT celular este supus unui standard de telecomunicații reglementat și actualizat prin Third Generation Partnership Project (3GPP). Versiunea 13 a standardului 3GPP a extins categoriile de modemuri pentru conexiune între dispozitive (M2M) pentru a permite modemuri necostisitoare, cu consum redus de energie și cu debit redus, potrivite pentru conectivitatea IoT. Versiunile ulterioare ale standardului au dus la noi îmbunătățiri ale acestor modemuri IoT.

Senzorii wireless echipați cu modemuri IoT celulare pot trimite date pe kilometri întregi către cloud fără a fi nevoie de gateway-uri complexe și costisitoare, pe lângă securitatea și QoS pentru care este cunoscută tehnologia celulară.

Diferența dintre LTE-M și NB-IoT

IoT celular se prezintă sub două forme, LTE categoria M1 (LTE-M) și IoT în bandă îngustă (NB-IoT). Ambele tipuri sunt concepute pentru a fi utilizate cu dispozitive cu resurse limitate, adesea alimentate cu baterii, care sunt tipice pentru IoT și IoT industrial (IIoT). Deoarece modemurile IoT se conectează la infrastructura celulară existentă, fiecare dintre ele are nevoie de propriul său modul de identitate al abonatului (SIM).

LTE-M se bazează pe tehnologia LTE („4G”) redusă. Acesta acceptă comunicații securizate, acoperire omniprezentă și o capacitate mare a sistemului. Capacitatea sa de a funcționa ca un sistem full-duplex pe o lățime de bandă relativ mare (1,4 megahertzi (MHz)) îmbunătățește latența și debitul în comparație cu NB-IoT. Debitul de date brute este de 300 de kilobiți pe secundă (Kbit/s) pe downlink și de 375 Kbit/s pe uplink. Tehnologia este potrivită pentru conexiuni IP securizate de la un capăt la altul, iar mobilitatea este susținută de tehnicile de transfer de celule LTE. LTE-M este potrivit pentru aplicații mobile, cum ar fi urmărirea activelor sau asistența medicală.

NB-IoT este conceput în primul rând pentru eficiență energetică și pentru o mai bună penetrare în clădiri și în alte zone nepotrivite pentru RF. Spre deosebire de LTE-M, acesta nu se bazează pe stratul fizic LTE (PHY). Complexitatea modemului este chiar mai mică decât cea a unui dispozitiv LTE-M, deoarece NB-IoT utilizează o lățime de bandă de 200 kilohertzi (kHz). În timp ce debitul de date brute este modest, de 60/30 Kbit/s, raza de acțiune este mai bună decât la LTE-M. NB-IoT este potrivit pentru aplicațiile statice, cum ar fi contoarele inteligente care ar putea fi ascunse de pereți.

Modemuri IoT celulare comerciale

În prezent, este disponibilă o gamă de modemuri comerciale LTE-M/NB-IoT. Un exemplu este modulul Monarch 2 GM02S de la Sequans. Dispozitivul acceptă un singur front-end RF de unitate de stoc (SKU) adecvat pentru 20 de benzi LTE globale. Acesta este livrat într-un modul LGA compact care măsoară 16,3 x 17 x 1,85 milimetri (mm). Modulul îndeplinește cerințele versiunii 14/15 a 3GPP. Alimentat de la o singură sursă de la 2,2 până la 5,5 volți, modemul este capabil de o putere maximă de transmisie de +23 decibeli, raportată la 1 miliwatt (mW) (dBm).

GM02S acceptă un SIM extern și eSIM, precum și SIM-uri integrate. Este inclusă o interfață de antenă de 50 ohm (Ω). Dispozitivul este livrat cu o stivă de software LTE-M/NB-IoT și cu software-ul Cloud Connector de la Sequan pentru a facilita conectarea la platformele cloud comerciale (Figura 1).

Figura 1: modemul GM02S LTE-M/NB-IoT de la Sequans se prezintă într-un pachet compact și cu o stivă software matură. (Sursa imaginii: Sequans)

Provocări legate de proiectarea IoT celular

În timp ce modemul GM02S este un dispozitiv foarte bine integrat, furnizat cu o stivă de software și conectivitate în cloud, ca toate modemurile comerciale, încă este nevoie de o muncă de dezvoltare considerabilă înainte ca o aplicație IoT să trimită fără probleme date pe kilometri întregi către cloud.

Modemul este conceput exclusiv pentru a asigura comunicarea între dispozitivul final și stația de bază. Pentru controlul modemului și, în același timp, pentru a rula software-ul de aplicație pentru senzori este nevoie de un procesor de supraveghere și de aplicație separat. În plus, proiectantul trebuie să ia în considerare și circuitul (circuitele) antenei, alimentarea cu energie și echiparea unui dispozitiv final cu un SIM pentru a asigura o conectivitate perfectă cu rețeaua celulară (consultați „Cum să utilizați antene încorporate pentru benzi multiple pentru a economisi spațiu, complexitate și costuri în proiectele IoT”).

Dincolo de designul hardware, sunt necesare anumite abilități de codare pentru ca un modul celular să se conecteze la rețea și să primească/transmită date. În cazul în care proiectul utilizează un MCU extern, acesta comunică de obicei cu modulul celular utilizând o legătură serială UART (deși sunt utilizate și alte interfețe de intrare/ieșire). Comenzile AT („atenție”) sunt mijloacele standard de control al unui modem celular. Comenzile cuprind o serie de șiruri scurte de text care pot fi combinate pentru a produce operații cum ar fi apelarea, închiderea apelului și modificarea parametrilor conexiunii.

Există două tipuri de comenzi AT: comenzile de bază sunt cele care nu încep cu „+”. Câteva exemple sunt „D” (Apelare), „A” (Răspuns), „H” (Control punct de conectare) și „O” (Revenire la starea de date online). Comenzile extinse sunt cele care încep cu „+”. De exemplu, „+CMGS” (Trimite mesaj SMS), „+CMGL” (Listează mesaje SMS) și „+CMGR” (Citește mesaje SMS) (consultați „Utilizați un modul celular pentru a conecta un proiect Maker la IoT”).

Aceste considerente hardware și software aduc complexitate în IoT celular, ceea ce ar putea încetini progresul în cazul unor proiectanți mai puțin experimentați. Din fericire, producătorii de MCU de aplicații și de modemuri IoT celulare s-au reunit pentru a oferi instrumente de proiectare hardware și software care facilitează mult exploatarea acestei importante tehnologii LPWAN.

Eliminarea complexității cu ajutorul plăcilor de dezvoltare IoT

Abordarea provocărilor legate de proiectarea IoT celular este ușurată în mod considerabil prin bazarea unui prototip pe o placă de dezvoltare special concepută. Hardware-ul plăcii de dezvoltare include, de obicei, o antenă, o sursă de alimentare, o cartelă SIM cu o anumită cantitate de date gratuite, un procesor de aplicații și rețele de reglare pentru a asigura o bună performanță RF. Acest lucru le oferă proiectanților un avans hardware solid pentru proiectul lor și le permite să se concentreze pe dezvoltarea aplicației. Cu alegerea corectă a plăcii de dezvoltare, dezvoltarea aplicației poate fi realizată chiar și într-un IDE familiar.

Un exemplu de placă de dezvoltare IoT celular populară este EV70N78A AVR-IoT Cellular Mini Development Board de la Microchip. Aceasta este o platformă hardware bazată pe popularul MCU AVR128DB48 de la Microchip și pe modulul celular Sequans Monarch 2 GM02S detaliat mai sus. MCU-ul este un dispozitiv pe 8 biți, 24 MHz. Are 128 de kiloocteți (Kbytes) de memorie flash, 16 Kbytes de SRAM, 512 octeți de EEPROM și vine într-o capsulă cu 48 de pini.

Placa de dezvoltare integrează și un element securizat ATECC608B; odată conectată la o rețea LTE-M sau NB-IoT, ATECC608B este utilizat pentru a autentifica hardware-ul cu cloud-ul pentru a identifica în mod unic fiecare placă.

Pentru a ușura și mai mult munca proiectantului, placa de dezvoltare Microchip include și o cartelă SIM Truphone gata de activare, cu 150 de megaocteți (Mbytes) de date.

Placa de dezvoltare are cinci leduri de utilizator, două butoane mecanice, un cristal de 32,768 kHz, senzori de culoare și temperatură, un conector de margine compatibil Adafruit Feather, un conector I²C Qwiic, un depanator intergat, un port USB, opțiuni de alimentare cu baterii și intrare externă și un încărcător de baterii Li-ion/Li-po MCP73830 cu led pentru starea de încărcare (Figura 2).

Figura 2: placa de dezvoltare AVR-IoT Cellular Mini se bazează pe MCU AVR128DB48 și este prevăzută cu o cartelă SIM și 150 Mbytes de date. (Sursă imagine: Microchip Technology)

Demararea unui proiect IoT celular

Scopul IoT celular este de a conecta fără fir dispozitivele finale IoT, cum ar fi senzorii și dispozitivele de acționare, astfel încât datele lor să poată fi trimise pe distanțe de kilometri către cloud. Pe placa de dezvoltare Microchip, MCU este preîncărcat cu o imagine de firmware care formează o aplicație demonstrativă ce permite utilizatorilor să conecteze și să trimită rapid date de la senzorii de temperatură și culoare integrați către un sadnbox bazat pe cloud (găzduit de AWS).

Pentru a pregăti hardware-ul pentru dezvoltare, este suficient să activați și să introduceți cartela SIM, să conectați antena externă la placă, să conectați portul USB-C de depanare de pe placă la PC, să scanați codul QR din partea de jos a plăcii sau să deschideți dispozitivul de stocare în masă și să urmați CLICK-ME.HTM până la pagina web a kitului.

Un instrument pentru asigurarea accesului IoT Microchip, disponibil pe Github, oferă o soluție ușor de utilizat pentru configurarea unui AVR-IoT Cellular Mini la furnizorul de cloud selectat, pentru setarea furnizorului de rețea și pentru selectarea benzilor de frecvență celulară. (Pentru ca firmware-ul demo sandbox să funcționeze, placa de dezvoltare trebuie să fie aibă accesul asigurat pentru sandbox-ul AWS Microchip.)

După ce dezvoltatorii au dobândit o oarecare încredere cu aplicația demo, pot începe să își construiască propria aplicație folosind suportul complet IDE Arduino al plăcii de dezvoltare. Acest suport se bazează pe o bibliotecă Arduino celulară AVR IoT găzduită pe Github. Biblioteca este construită pe baza DxCore cu sursă deschisă (Figura 3).

Figura 3: biblioteca IoT celular AVR (portocaliu) include module software pentru programarea și controlul plăcii de dezvoltare (prezentată în formă simplificată în verde). (Sursă imagine: Microchip Technology)

Depanatorul integrat (PKOB nano) oferă suport complet de programare pentru Arduino IDE. Nu este nevoie de niciun instrument extern și oferă, de asemenea, acces la o interfață de port serial (punte serial-USB) și la două canale de analizor logic (GPIO de depanare). Depanatorul integrat AVR IoT Cellular Mini apare ca un dispozitiv de interfață umană (HID) pe subsistemul USB al computerului gazdă. Pentru proiecte mai ambițioase, conectorii de margine compatibili cu Qwiic și Feather ai plăcii de dezvoltare permit o extindere ușoară de la o selecție largă de plăci adiționale de la Sparkfun și Adafruit (Figura 4).

Figura 4: această schemă bloc a plăcii de dezvoltare AVR IoT arată că conexiunea cu PC-ul gazdă se face prin intermediul legăturii USB a depanatorului, în timp ce programarea MCU-ului aplicației se face prin intermediul legăturii UART a depanatorului. Rețineți că legătura dintre MCU-ul aplicației și modemul celular se realizează tot prin UART. (Sursă imagine: Microchip Technology)

Pentru a începe programarea aplicațiilor trebuie să descărcați și să instalați Arduino IDE și DxCore. Apoi, Arduino IDE trebuie să fie configurat pentru a permite rularea bibliotecii Arduino pentru dispozitive celulare AVR IoT (Lista 1).

Lista 1: configurarea IDE Arduino pentru a permite rularea bibliotecii Arduino pentru dispozitive celulare AVR IoT. (Sursa codului: Microchip Technology)

După ce IDE este configurat, biblioteca poate fi instalată. După acest lucru, se pot accesa mai multe exemple de bibliotecă pentru placa de dezvoltare. Proiectanții familiarizați cu Visual Studio Code IDE îl pot utiliza pentru dezvoltarea AVR IoT, cu condiția să instaleze plugin-ul Arduino. Codul aplicației Arduino dezvoltat în oricare dintre IDE-uri este transferat pe MCU-ul plăcii de dezvoltare prin intermediul depanatorului de la bord.

Efectuarea măsurătorilor de putere

IoT celular este conceput pentru a funcționa la consum redus de energie pentru a prelungi durata de viață a dispozitivelor finale IoT alimentate cu baterii. Prin urmare, este important să se optimizeze codul aplicației pentru un consum minim de energie.

Pe placa de dezvoltare Microchip, alimentarea cu energie electrică a tuturor componentelor plăcii este conectată prin intermediul a cinci benzi tăiate. Acestea sunt destinate și pentru măsurarea curentului. Pentru a măsura puterea pe circuitul dorit, este suficient să se taie banda și să se conecteze un ampermetru prin găuri (Figura 5).

Figura 5: benzile de tăiere de pe placa de dezvoltare AVR IoT pot fi utilizate pentru a măsura consumul de energie pentru circuitele cheie. (Sursă imagine: Microchip Technology)

Placa de dezvoltare are și un circuit de măsurare a tensiunii sistemului care utilizează comutatorul MIC94163 și un divizor de tensiune conectat la un pin ADC de pe MCU, permițând măsurarea la cerere și împiedicând scurgerile de energie prin divizorul de tensiune. Pentru a măsura tensiunea sistemului, urmați acești pași:

1. Configurați referința de tensiune pentru ADC.
2. Setați pinul de activare a măsurării tensiunii sistemului MCU GPIO (PB3) la nivel înalt pentru a activa divizorul de tensiune.
3. Setați pinul de măsurare a tensiunii sistemului MCU ADCO (PE0) ca intrare pentru ADC.
4. Executați o conversie analogică-digitală (ADC) cu un singur capăt.
5. Calculați tensiunea cu ajutorul ecuației: V = rezultatul ADC x V_REF x 4/rezoluția ADC.

În cele din urmă, este, de asemenea, simplu să măsurați tensiunea de alimentare urmând acești pași:

1. Configurați referința de tensiune pentru ADC.
2. Selectați V_DD sau _VDDIO2 ca intrare pozitivă la ADC. (_VDD și V_DDIO2 sunt canale de intrare interne disponibile pentru ADC-ul MCU).
3. Executați o conversie ADC cu un singur capăt.
4. Calculați tensiunea cu ajutorul ecuației: V = rezultatul ADC x V_REF x 10/rezoluția ADC.

Concluzie

IoT celular este o rețea LPWAN populară, cu un potențial comercial în creștere. Cu toate acestea, proiectarea dispozitivelor finale celulare alimentate de IoT necesită atât expertiză hardware, cât și software. Pentru a-i ajuta pe proiectanți, noile plăci de dezvoltare IoT celulară, cum ar fi EV70N78A AVR-IoT Cellular Mini Development Board de la Microchip, oferă o cale rapidă de prototipare.

Placa de dezvoltare utilizează un modem LTE-M/NB-IoT de înaltă performanță și un MCU Microchip popular. Dezvoltarea codului aplicației este simplificată cu ajutorul IDE-ului Arduino sau Visual Studio Code.