Proč a jak nastartovat projekty mobilního internetu věcí pomocí vývojové desky IoT společnosti Microchip

Mobilní internet věcí („Internet of Things“, IoT), technologie nízkoenergetické sítě pro rozsáhlá území („low power wide area network“, LPWAN), nabízí jasnou a osvědčenou cestu k zabezpečenému a robustnímu internetu věcí pro aplikace od chytrých měst po zemědělství a vzdálené monitorování infrastruktury. Nicméně mobilní IoT je složitá technologie a nezkušené konstruktéry, kteří se do projektu pouštějí, by mohla odrazovat.

Obtíže spojené s návrhem mobilního internetu věcí však lze zmírnit tím, že projekty založíte na mobilních vývojových deskách, které využívají známé univerzální mikrokontroléry („microcontroller unit“, MCU) a integrovaná prostředí návrhu („integrated design environment“, IDE). Tyto vývojové desky, podpořené knihovnami softwaru s otevřeným zdrojovým kódem a jednoduchým připojením senzorů, usnadňují konstruktérům začátek s projekty mobilního internetu věcí od rozvržení hardwaru až po odesílání dat do cloudu.

V tomto článku jsou stručně nastíněny výhody mobilního internetu věcí a poté vysvětlena složitost návrhu, kterou může tato technologie přinést. Dále je v článku popsáno, jak může použití vývojových desek pro mobilní IoT velkou část této složitosti eliminovat. V článku je závěrem popsáno, jak nastavit vývojovou desku společnosti Microchip Technology k odesílání jednoduchých dat o barvách a teplotě do cloudu.

Co je mobilní IoT?

Mobilní IoT využívá mobilní technologii s nízkou spotřebou energie k připojení koncových zařízení IoT (jako jsou senzory a ovladače) ke cloudu. Jedná se o technologii LPWAN charakterizovanou dosahem na kilometr a víc, podporou koncových zařízení s vysokou hustotou a nízkou propustností.

Přestože existují jiné technologie LPWAN – zejména LoRaWAN (viz článek „Zrychlete projekty IoT LoRaWAN pomocí startovací sady end-to-end“) a Sigfox, mobilní IoT nabízí několik klíčových výhod včetně následujících:

• Použitelnost v budoucnu: Specifikace pro mobilní IoT se jako standard neustále přezkoumává a vyvíjí.
• Škálovatelnost: Mobilní IoT může podporovat rychlé nasazení IoT prostřednictvím zavedené mobilní architektury.
• Kvalita služeb („Quality of Service“, QoS): Mobilní IoT nabízí vysokou spolehlivost, protože je založen na infrastruktuře, která se ve velkoobjemových komerčních aplikacích osvědčila a je vyspělá.
• IP interoperabilita: Koncová zařízení lze připojit přímo ke cloudu bez nutnosti drahých a složitých bran.

Konstruktéři musí vzít v úvahu, že s mobilním IoT jsou kvůli přenosu dat spojeny trvalé náklady. To není případ konkurenčních technologií, jako je LoRaWAN, které využívají nelicencované frekvenční spektrum. Náklady na data mobilního IoT však klesají kvůli konkurenčnímu tlaku a většímu používání edge computingu, čímž se snižuje objem ničím zajímavých dat odesílaných přes síť.

Mobilní IoT se řídí telekomunikačním standardem, který reguluje a aktualizuje Projekt partnerství třetí generace („Third Generation Partnership Project“, 3GPP). Vydání 13 standardu 3GPP rozšířilo kategorie modemů mezi stroji („machine-to-machine“, M2M) tak, aby umožňovalo levné modemy s nízkou spotřebou energie a nízkou propustností vhodné pro připojení k IoT. Další vydání standardu vedla k dalším vylepšením těchto modemů IoT.

Bezdrátové senzory vybavené modemy mobilního IoT mohou odesílat data na kilometry daleko do cloudu, aniž by potřebovaly drahé a složité brány, spolu se zabezpečením a QoS, kterými je mobilní síť známá.

Rozdíl mezi LTE-M a NB-IoT

Mobilní IoT je k dispozici ve dvou formách, LTE kategorii M1 (LTE-M) a úzkopásmovém IoT („narrow band IoT“, NB-IoT). Oba typy jsou navrženy pro použití se zařízeními s omezenými zdroji, často napájenými bateriemi, která jsou typická pro IoT a průmyslový IoT („Industrial IoT“, IIoT). Vzhledem k tomu, že se modemy IoT připojují k zavedené mobilní infrastruktuře, každý z nich vyžaduje svůj vlastní modul identity účastníka („subscriber identity module“, SIM).

Standard LTE-M je založený na ořezané technologii LTE („4G“). Podporuje zabezpečenou komunikaci, všudypřítomné pokrytí a vysokou kapacitu systému. Jeho možnost fungovat jako plně duplexní systém v relativně široké šířce pásma (1,4 MHz) zlepšuje ve srovnání s technologií NB-IoT latenci a propustnost. Propustnost nezpracovaných dat je 300 kbit/s downlink a 375 kbit/s uplink. Tato technologie je vhodná pro zabezpečená end-to-end IP spojení a mobilita je podporována technikami mobilního předávání LTE. Standard LTE-M je vhodný pro mobilní aplikace, jako je sledování zařízení nebo zdravotnictví.

Standard NB-IoT je primárně navržen kvůli energetické účinnosti a lepšímu pronikání do budov a dalších oblastí nepříznivých pro RF. Na rozdíl od LTE-M není založen na fyzické vrstvě LTE („physical“, PHY). Složitost modemu je ještě menší než u zařízení LTE-M, protože NB-IoT využívá šířku pásma 200 kHz. Zatímco propustnost nezpracovaných dat je skromných 60/30 kbit/s, dosah je lepší než u LTE-M. NB-IoT je vhodný pro statické aplikace, jako jsou inteligentní měřiče, které mohou být zakryty stěnami.

Komerční modemy mobilního IoT

Nyní je k dispozici řada komerčních modemů LTE-M/NB-IoT. Jedním z příkladů je modul Monarch 2 GM02S společnosti Sequans. Zařízení podporuje RF front-end s jednou skladovou jednotkou („stock keeping unit“, SKU) vhodnou pro 20 globálních pásem LTE. Dodává se v kompaktním modulu LGA o rozměrech 16,3 × 17 × 1,85 mm. Modul splňuje požadavky 3GPP vydání 14/15. Modem je napájen z jednoho zdroje 2,2 až 5,5 V a je schopen maximálního vysílacího výkonu +23 decibelů vztažených na 1 mW (dBm).

Modul GM02S podporuje externí SIM a eSIM karty stejně jako integrované SIM karty. Součástí je anténní rozhraní 50 Ω. Zařízení se dodává se softwarovou sadou LTE-M/NB-IoT a softwarem Cloud Connector společnosti Sequans pro snadné připojení ke komerčním cloudovým platformám (obrázek 1).

Obrázek 1: Modem GM02S LTE-M/NB-IoT společnosti Sequans se dodává v kompaktním pouzdru a s vyspělou softwarovou sadou. (Zdroj obrázku: společnost Sequans)

Obtíže spojené s návrhem mobilního internetu věcí

I když je modem GM02S vysoce integrované zařízení dodávané se softwarovou sadou a cloudovou konektivitou, stejně jako všechny komerční modemy, je stále zapotřebí značného množství práce na vývoji, než bude aplikace IoT bezproblémově odesílat data do cloudu na vzdálenost několika kilometrů.

Modem je určen výhradně k zajištění komunikace mezi koncovým zařízením a základnovou stanicí. K ovládání modemu a zároveň ke spuštění aplikačního softwaru senzoru je zapotřebí samostatný kontrolní a aplikační procesor. Kromě toho musí konstruktér zvážit také anténní obvod(y), napájení a vybavení koncového zařízení SIM kartou, aby byla zajištěna bezproblémová konektivita s mobilní sítí (viz článek „Využití vícepásmových integrovaných antén k úspoře místa, složitosti a nákladů v návrzích IoT“).

K tomu, aby se mobilní modul mohl připojit k síti a přijímat/vysílat data, jsou kromě návrhu hardwaru zapotřebí určité znalosti kódování. Pokud návrh používá externí aplikační MCU, obvykle s mobilním modulem komunikuje pomocí sériového spojení UART (i když se používají i jiná vstupní/výstupní rozhraní). Standardními prostředky ovládání mobilního modemu jsou příkazy AT („attention“). Příkazy se skládají z řady krátkých textových řetězců, které lze kombinovat a vytvářet operace, jako je vytáčení, zavěšování a změna parametrů připojení.

Existují dva typy AT příkazů: Základní příkazy jsou ty, které nezačínají znaménkem „+“. Příklady jsou „D“ („Dial“, vytáčení), „A“ („Answer“, odpověď), „H“ („Hook control“, ovládání zavěšení) a „O“ („Return to online data state“, návrat do stavu online dat). Rozšířené příkazy jsou ty, které začínají znaménkem „+“. Například „+CMGS“ (Odeslat zprávu SMS), „+CMGL“ (Seznam zpráv SMS) a „+CMGR“ (Čtení zpráv SMS) (viz článek „Použití mobilního modulu k připojení projektu Maker k IoT“).

Tyto hardwarové a softwarové aspekty vnášejí do mobilního IoT složitost, která by mohla zpomalit pokrok méně zkušených konstruktérů. Naštěstí se výrobci aplikačních MCU a modemů mobilního IoT spojili, aby nabídli nástroje pro návrh hardwaru a softwaru, díky nimž je mnohem snazší využívat výhod této důležité technologie LPWAN.

Zjednodušení díky vývojovým deskám IoT

Řešení výzev návrhu mobilního internetu věcí se značně usnadní tím, že se prototyp založí na účelově navržené vývojové desce. Hardware vývojové desky obvykle zahrnuje anténu, zdroj napájení, SIM kartu s určitou kapacitou volných dat, aplikační procesor a ladicí sítě k zajištění dobrého výkonu RF. To dává konstruktérům a jejich projektu solidní hardwarový náskok a umožňuje jim soustředit se na vývoj aplikací. Při správné volbě vývojové desky může být vývoj aplikací dokonce veden ve známém IDE.

Jedním z příkladů oblíbené vývojové desky pro mobilní IoT je mobilní vývojová minideska AVR-IoT EV70N78A od společnosti Microchip. Jedná se o hardwarovou platformu založenou na oblíbeném MCU AVR128DB48 společnosti Microchip a modulárním modulu Monarch 2 GM02S společnosti Sequans podrobně popsaném výše. MCU je 8bitové 24MHz zařízení. Má 128 kB flash paměti, 16 kB paměti SRAM, 512 B paměti EEPROM a dodává se v 48pinovém pouzdru.

Vývojová deska má v sobě integrovaný také bezpečnostní prvek ATECC608B. Po připojení k síti LTE-M nebo NB-IoT se prvek ATECC608B používá k ověření hardwaru v cloudu k jedinečné identifikaci jednotlivých desek.

K dalšímu usnadnění práce konstruktéra obsahuje vývojová deska společnosti Microchip také SIM kartu Truphone připravenou k aktivaci se 150 MB dat.

Vývojová deska obsahuje pět uživatelských diod LED, dvě mechanická tlačítka, krystal 32,768 kHz, senzory barev a teploty, edge konektor kompatibilní se zařízeními Feather společnosti Adafruit, konektor I²C Qwiic, vestavěný debugger, USB port, baterii a možnosti externího vstupního napájení a nabíječku Li-ion/Li-Po baterií MCP73830 s indikátory LED stavu nabití (obrázek 2).

Obrázek 2: Mobilní vývojová minideska AVR-IoT je založena na MCU AVR128DB48 a dodává se se SIM kartou a 150 MB dat. (Zdroj obrázku: společnost Microchip Technology)

Spuštění projektu mobilního internetu věcí

Účelem mobilního internetu věcí je bezdrátově propojit koncová zařízení internetu věcí, jako jsou senzory a ovladače, aby bylo možné posílat jejich data na vzdálenost kilometrů do cloudu. Na vývojové desce společnosti Microchip je v MCU předem nahrána bitová kopie pro firmware tvořící demo aplikaci, která uživatelům umožňuje rychle se připojit a odesílat data z vestavěných senzorů teploty a barev do cloudového sandboxu (hostovaného společností AWS).

K přípravě hardwaru pro vývoj stačí aktivovat a vložit SIM kartu, připojit externí anténu k desce, připojit ladicí USB-C port na desce k počítači, naskenovat QR kód na spodní straně desky nebo otevřít velkokapacitní paměťové zařízení a podle CLICK-ME.HTM přejít na webovou stránku sady.

Snadno použitelné řešení pro konfiguraci mobilní minidesky AVR-IoT pro vybraného poskytovatele cloudu, nastavení poskytovatele sítě a výběr mobilních frekvenčních pásem poskytuje nástroj Microchip IoT Provisioning Tool dostupný na webu Github. (Vývojová deska musí být zřízena pro sandbox AWS Microchip, aby demo firmware sandboxu fungoval.)

Jakmile vývojáři nabudou v ukázkové aplikaci jistoty, mohou začít vytvářet vlastní aplikaci pomocí plné podpory IDE Arduino vývojové desky. Tato podpora je založena na mobilní knihovně AVR IoT Arduino hostované na webu Github. Knihovna je postavena na open-source rozhraní DxCore (obrázek 3).

Obrázek 3: Knihovna mobilního IoT AVR IoT (oranžová) obsahuje softwarové moduly pro programování a ovládání vývojové desky (zobrazeno ve zjednodušené podobě zeleně). (Zdroj obrázku: společnost Microchip Technology)

Vestavěný debugger (PKOB nano) poskytuje plnou podporu programování pro Arduino IDE. Nejsou potřeba žádné externí nástroje a je poskytnut také přístup k rozhraní sériového portu (můstek sériový port na USB) a dvěma kanálům logického analyzátoru (ladicí GPIO). Vestavěný debugger na mobilní minidesce AVR IoT se v USB subsystému hostitelského počítače jeví jako zařízení standardu HID („human interface device“). V ambicióznějších projektech umožňují edge konektory kompatibilní se zařízeními Qwiic a Feather vývojové desky snadné rozšíření z širokého výběru přídavných desek od společností Sparkfun a Adafruit (obrázek 4).

Obrázek 4: Toto blokové schéma vývojové desky AVR IoT ukazuje, že připojení k hostitelskému počítači je přes USB spojení debuggeru, zatímco programování aplikačního MCU probíhá přes UART spojení debuggeru. Všimněte si, že spojení mezi aplikačním MCU a mobilním modemem je také přes UART. (Zdroj obrázku: společnost Microchip Technology)

K tomu, abyste s programováním aplikací začali, je nutné stáhnout si Arduino IDE a DxCore a nainstalovat je. Dále je třeba nakonfigurovat Arduino IDE, aby umožnilo spuštění mobilní knihovny AVR IoT Arduino (seznam 1).

Seznam 1: Konfigurace Arduino IDE, která umožňuje spuštění mobilní knihovny Arduino AVR IoT. (Zdroj kódu: společnost Microchip Technology)

Jakmile je IDE nakonfigurováno, může se nainstalovat knihovna. Když je toto hotovo, lze získat přístup k několika příkladům knihovny pro vývojovou desku. Konstruktéři obeznámení s IDE Visual Studio Code jej mohou použít pro vývoj AVR IoT za předpokladu, že si nainstalují plugin Arduino. Aplikační kód Arduino vyvinutý v obou IDE je portován do MCU vývojové desky prostřednictvím vestavěného debuggeru.

Provádění měření výkonu

Mobilní IoT je navržen tak, aby běžel s nízkou spotřebou energie, a prodloužila se tak životnost koncových zařízení IoT napájených bateriemi. Je proto důležité optimalizovat kód aplikace směrem k minimální spotřebě energie.

Na vývojové desce společnosti Microchip je napájení všech částí desky připojeno pomocí pěti řezných pásků. Ty jsou také určeny pro účely měření proudu. Měření výkonu na požadovaném obvodu je záležitostí přestřižení pásku a připojení ampérmetru přes otvory (obrázek 5).

Obrázek 5: Řezné pásky na vývojové desce AVR IoT lze použít k měření spotřeby energie pro klíčové obvody. (Zdroj obrázku: společnost Microchip Technology)

Vývojová deska má také obvod pro měření systémového napětí pomocí svého přepínače a napěťového děliče MIC94163 připojeného k pinu ADC na MCU, umožňující měření na vyžádání a zabraňující úniku energie přes dělič napětí. Při měření napětí systému postupujte takto:

1. Nakonfigurujte referenční napětí pro ADC.
2. Nastavte pin (PB3) povolení měření napětí systému GPIO MCU na vysokou hodnotu, aby se povolil dělič napětí.
3. Nastavte pin pro měření systémového napětí MCU ADCO (PE0) jako vstup pro ADC.
4. Spusťte jednostranný analogově-digitální převod („analog-to-digital conversion“, ADC).
5. Vypočítejte napětí pomocí rovnice: V = výsledek ADC × V_REF × 4 / rozlišení ADC.

Na závěr je jednoduché také změřit napájecí napětí podle následujících kroků:

1. Nakonfigurujte referenční napětí pro ADC.
2. Jako kladný vstup do ADC vyberte V_DD nebo _VDDIO2. (V_DD a V_DDIO2 jsou dostupné interní vstupní kanály pro ADC MCU.)
3. Spusťte jednostranný převod ADC.
4. Vypočítejte napětí pomocí rovnice: V = výsledek ADC × V_REF × 10 / rozlišení ADC.

Závěr

Mobilní IoT je oblíbená technologie LPWAN s rostoucím komerčním potenciálem. Navrhování koncových zařízení využívajících mobilní IoT však vyžaduje znalosti jak hardwaru, tak softwaru. Nové vývojové desky pro mobilní IoT, jako je mobilní vývojová minideska AVR-IoT EV70N78A společnosti Microchip, nabízejí rychlou cestu prototypování, aby konstruktérům umožnily tuto cestu.

Vývojová deska využívá špičkový modem LTE-M/NB-IoT a oblíbený MCU společnosti Microchip. Vývoj aplikačního kódu je jednodušší při využití IDE Arduino nebo Visual Studio Code.