Použití kombinované vývojové sady LTE-M, NB-IoT a DECT NR+ k zahájení návrhu bezdrátového IoT

Bezdrátové celulární technologie sítí s nízkou spotřebou energie pro rozsáhlá území („Low-Power Wide-Area Network“, LPWAN) pro internet věcí („Internet of Things“, IoT), jako je komunikace strojového typu dlouhodobé evoluce („Long-Term Evolution Machine Type“, LTE-M) a úzkopásmový internet věcí („NarrowBand-IoT“, NB-IoT), nabízejí více než kilometrový dosah bezdrátové konektivity pro zařízení napájená bateriemi s využitím stávající a osvědčené celulární infrastruktury. Pro aplikace vyžadující celulární přístup k masivnímu nasazení IoT je bezlicenční alternativou sítě LPWAN technologie New Radio+ (DECT NR+). Implementace všech tří přístupů může být pro vývojáře složitá, dokonce i pro ty, kteří mají s bezdrátovými sítěmi krátkého dosahu zkušenosti.

Spolupráce s poskytovatelem řešení, který nabízí předem certifikované produkty s integrovanými softwarovými stacky protokolů LTE-M, NB-IoT nebo DECT NR+ a automatizovanými modemy, může složitost návrhu sítě LPWAN kompenzovat. Taková řešení umožňují vývojářům se více zaměřit na diferenciaci aplikací a dosáhnout cílů v oblasti doby do uvedení na trh.

V tomto článku jsou shrnuty výhody sítí LTE-M, NB-IoT a DECT NR+ pro konektivitu IoT s dlouhým dosahem a pojednáno o problémech s implementací. Poté je zde představeno zařízení s kombinací celulárního IoT a DECT NR+ a související vývojová sada od společnosti Nordic Semiconductor a ukázáno, jak je lze využít k vyřešení těchto problémů.

Proč používat bezdrátové sítě LTE-M, NB-IoT nebo DECT NR+?

K tomu, aby byla zařízení IoT základní součástí globální sítě tvořící internet, musí být schopna komunikovat s cloudem pomocí internetového protokolu („Internet Protocol“, IP) bez použití nákladných bran. V některých aplikacích, jako je zemědělství, chytrá města a monitorování prostředí, musí komunikace probíhat na velké vzdálenosti a zařízení musí vyžadovat minimální údržbu. Druhá zmíněná podmínka se promítá do nízké spotřeby energie, aby se maximalizovala životnost baterie.

Technologie LTE-M a NB-IoT nabízejí celulární řešení těchto problémů. Jsou založeny na specifikacích stanovených projektem 3GPP, takže jsou interoperabilní s IP a poskytují dosah přesahující kilometr. Sítě LTE-M a NB-IoT pracují ve frekvenčních pásmech od 698 MHz do 960 MHz a od 1 710 MHz do 2 200 MHz. Technické podrobnosti sítí LTE-M a NB-IoT jsou shrnuty v tabulce 1.

Tabulka 1: Srovnání mezi sítěmi LTE-M a NB-IoT. (Zdroj obrázku: společnost Nordic Semiconductor)

Technologie DECT NR+ poskytuje alternativu pro aplikace, které vyžadují konektivitu na velké vzdálenosti bez licenčních poplatků. Je založena na specifikacích sítě 5G, pracuje v pásmu 1 900 MHz, může podporovat sítě LPWAN s vysokou hustotou a je vhodná pro komunikaci mezi stroji (M2M) a monitorování kvality ovzduší v celém městě.

Zjednodušení RF návrhu

Implementace RF návrhů je pro mnoho vývojářů náročná a může často ohrozit harmonogram uvedení na trh. Některé hardwarové problémy však lze vyřešit výběrem integrovaného řešení, které skrývá velkou část složitosti. Jedním z příkladů je systém v jednom pouzdře („system-in-package“, SiP) nRF9161 společnosti Nordic Semiconductor (obrázek 1).

SiP obsahuje procesor Arm^® Cortex^®-M33 určený pro aplikační software a modem podporující rozhraní LTE-M, NB-IoT a DECT NR+ RF. Dále obsahuje také RF front-end (RFFE) a systém řízení spotřeby energie, to vše v pouzdru LGA („land grid array“) o rozměrech 16,0 × 10,5 × 1,04 mm. Modem podporuje protokoly IPv4/IPv6 a šifrované aktualizace firmwaru vzduchem („firmware-over-the-air“, FOTA). Aplikační procesor je podporován 1 MB paměti flash a 256 kB paměti RAM.

Obrázek 1: Systém SiP nRF9161 obsahuje procesor Arm Cortex-M33, modem LTE, RFFE, paměť a řízení spotřeby energie. (Zdroj obrázku: společnost Nordic Semiconductor)

SiP je také vybaven přijímačem GNSS pro aplikace, jako je sledování polohy. Mezi rozhraní a periferie patří 12bitový analogově-digitální převodník („analog-to-digital converter“, ADC), hodiny reálného času („real-time clock“, RTC), sériové periferní rozhraní („Serial Peripheral Interface“, SPI), interintegrovaný obvod („Inter-Integrated Circuit“, I²C), protokol Inter-IC Sound (I²S), univerzální asynchronní přijímač/vysílač („Universal Asynchronous Receiver/Transmitter“, UART), pulzně-hustotní modulace („pulse density modulation“, PDM) a pulzně-šířková modulace („pulse width modulation“, PWM). SiP umožňuje vývoj celulárního řešení nebo řešení DECT NR+ IoT s použitím jediného zařízení, antény, baterie, SIM nebo eSIM a senzoru (obrázek 2).

Obrázek 2: SiP nRF9161 je vysoce integrované celulární řešení konektivity (LTE-M, NB-IoT) a DECT NR+ IoT. (Zdroj obrázku: společnost Nordic Semiconductor)

Výzvy při návrhu softwaru

Výzvy návrhu RF IoT se týkají i softwaru. Celulární stacky a stacky DECT NR+ jsou rozsáhlé a vysoce komplexní; sestavování obou od nuly vyžaduje specialisty na protokoly. V případě technologií LTE-M a NB-IoT musí vývojář po sestavení a otestování stacku implementovat příkazy specifické pro buňku („attention“, AT). Ty jsou základem komunikace mezi jakýmkoli celulárním modemem a jeho hostitelskou řídicí jednotkou. Používají se hlavně ke konfiguraci a ladění modemu a umožňují připojení k síti prostřednictvím mobilních operátorů („mobile network operator“, MNO).

Společnost Nordic usnadňuje problémy se softwarovým kódováním tím, že dodává osvědčený a stabilní stack LTE-M předprogramovaný v modemu systému SiP. Aplikace Serial LTE Modem společnosti Nordic navíc zpracovává příkazy AT, které instruují modem k vysílání a příjmu dat.

Kromě technických výzev musí mobilní modemy splňovat také přísné požadavky na certifikaci a požadavky nařízení specifických pro daný region. Patří mezi ně globální certifikace pro zajištění kompatibility se specifikacemi LTE, což koncovému zařízení umožňuje komunikovat v sítích LTE-M nebo NB-IoT. Kromě toho mají někteří provozovatelé mobilních sítí své vlastní požadavky na certifikaci.

Společnost Nordic opět ulehčila vývojářům zátěž tím, že předběžně certifikovala systém SiP nRF9161 pro provoz v nejkritičtějších regionech, klíčových sítích a hlavních pásmech LTE v těchto sítích.

Využití vývojové sady nRF9161

Zatímco systém SiP nRF9161 usnadňuje některé kritické hardwarové a softwarové problémy spojené s vývojem celulárního IoT a DECT NR+, vytvoření funkčního prototypu stále vyžaduje úsilí. K urychlení procesu návrhu nabízí společnost Nordic vývojovou sadu nRF9161 DK (obrázek 3) a sadu softwarových nástrojů. V čele těchto nástrojů stojí nRF Connect SDK společnosti, jednotné vývojové prostředí pro bezdrátová řešení společnosti Nordic.

Vývojová sada obsahuje systém SiP a nezbytné obvody umožňující plně funkční prototyp. Sada obsahuje vyhrazenou anténu LTE-M/NB-IoT a DECT NR+ a integrovanou patch anténu pro GNSS. Programování a ladění jsou možné prostřednictvím vestavěného rozhraní SEGGER J-Link a sada se dodává se SIM kartou s předem nahranými daty. Podporuje také použití softwarové SIM karty, což dále snižuje spotřebu energie.

Obrázek 3: Vývojová sada nRF9161 DK obsahuje systém SiP nRF9161 pro LTE-M, NB-IoT a DECT NR+ a je vybavena anténami LPWAN a GNSS, integrovaným rozhraním SEGGER J-Link pro programování a ladění a předinstalovanou SIM kartou. (Zdroj obrázku: společnost Nordic Semiconductor)

Chcete-li začít s vývojem pomocí sady nRF9161, musí být zasunuta SIM karta (nebo aktivována eSIM), přepínač PROG/DEBUG SW10 musí být nastaven na „nRF91“ a sada musí být připojena ke stolnímu počítači pomocí kabelu micro-USB 2.0. Vývojová sada vyžaduje operační systém („operating system“, OS) Windows, macOS nebo Ubuntu Linux.

Dalším krokem je instalace nástroje nRF Connect for Desktop společnosti Nordic a aktivace softwaru. Odtud je možné nainstalovat aplikaci Quick Start, nástroj pro řízené nastavení a instalační postupy. Software zjednodušuje aktualizaci firmwaru vývojové sady a aktivaci SIM karty. Pro přenos dat ze sady do cloudu může vývojář nastavit účet nRF Cloud společnosti Nordic nebo se připojit k jiným cloudovým službám.

Aplikace Quick Start poté nasměruje vývojáře na sadu nRF Connect SDK společnosti Nordic. Sada SDK pracuje s Visual Studio Code, oblíbeným integrovaným vývojovým prostředím („integrated development environment“, IDE), pomocí rozšíření nRF Connect for VS Code společnosti Nordic. Sada SDK se používá k vývoji aplikací a obsahuje užitečné ukázky, jako je získávání polohy zařízení pomocí GNSS, celulární sítě nebo Wi-Fi určování polohy a přenos dat senzorů ze sady nRF9161 do cloudu.

Po sestavení aplikace je programování vestavěného aplikačního procesoru Arm nRF9161 systému SiP jednoduché. Prvním krokem je pomocí USB kabelu připojit sadu k počítači a zapnout ji. V rozšíření nRF Connect for VS Code musí vývojář kliknout na možnost „Flash“ v nabídce „Zobrazení akcí“ („Actions View“). Zobrazí se upozornění se zobrazením průběhu programování a potvrzením dokončení.

Vývojová sada vývojáři také umožňuje kontrolovat signál LTE-M, NB-IoT nebo DECT NR+ RF. K maximalizaci komunikačního dosahu mezi IoT zařízením a základnovou stanicí je nezbytný dobrý RF výkon. K provedení měření se mezi malý koaxiální konektor (J1) na sadě a spektrální analyzátor připojí kabel (obrázek 4).

Obrázek 4: RF signál vývojové sady nRF9161 lze měřit připojením ke spektrálnímu analyzátoru pomocí koaxiálního kabelu. (Zdroj obrázku: společnost Nordic Semiconductor)

Pokročilé vývojové nástroje pro vývojovou sadu nRF9161 DK

Jakmile je aplikace naprogramována, nabízí společnosti Nordic dva nástroje, které vývojáři umožňují sledovat její výkon. Prvním z nich je Power Profiler Kit II (PPK2) (obrázek 5). Tato samostatná jednotka může měřit proudový odběr vývojové sady v rozsahu 200 nA až 1 A s rozlišením, které se pohybuje mezi 100 nA a 1 mA. PPK2 může do vývojové sady také dodávat až 5 V při 1 A.

Obrázek 5: Nástroj PPK2 může při spuštěné aplikaci měřit průměrnou a okamžitou spotřebu proudu vývojové sady nRF9161. (Zdroj obrázku: společnost Nordic Semiconductor)

Nástroj PPK2 se používá s aplikací Power Profiler, součástí softwaru nRF Connect for Desktop. Vývojář může při spuštěné aplikaci využít aplikaci k analýze průměrné a okamžité spotřeby proudu sadou nRF9161. Odečty lze provádět po delší dobu a současně v případě potřeby přibližovat v milisekundovém intervalu. Naměřená data lze exportovat k dalšímu zpracování.

Analýza spotřeby energie umožňuje vývojáři vidět, kde lze upravit kód aplikace, aby se šetřila energie a prodloužila životnost baterie návrhu (obrázek 6).

Obrázek 6: Aplikace Power Profiler v nástroji nRF Connect for Desktop zobrazuje aktuální spotřebu aplikace při jejím spuštění. (Zdroj obrázku: společnost Nordic Semiconductor)

Nástroj Cellular Monitor napomáhá vývoji aplikací a je podporován softwarem nRF Connect for Desktop. Monitor zobrazuje, co dělá modem systému SiP nRF9161, když vývojářská sada spouští aplikaci. To zahrnuje výkon sítě, stav zařízení a přenos dat. Tyto podrobnosti umožňují vývojářům analyzovat provoz modemu a optimalizovat výkon aplikací. Informace se zobrazují na sériovém terminálu.

Závěr

Technologie LTE-M, NB-IoT a DECT NR+ LPWAN podporují spolehlivou, bezpečnou a škálovatelnou konektivitu na velké vzdálenosti pro zařízení IoT, ale vývoj bezdrátových hardwarových a softwarových zařízení může být náročný. Systém SiP nRF9161 společnosti Nordic, vestavěný protokolový software a podpora vývojové sady nRF9161 DK a aplikace snižují velkou část složitosti návrhu.