A mezőgazdasági és okosvárosi eszközkövetés mobilhálózati és GPS SiP segítségével gyorsan megvalósítható

A dolgok internete (IoT), valamint az ipari, a mezőgazdasági és az okosvárosi eszközkövető készülékek és rendszerek fejlesztőinek meg kell oldaniuk az egymástól nagy távolságra lévő eszközök közötti kommunikációt, mindezt minimális energiafogyasztás mellett és hosszú időtartamokon keresztül. Vezeték nélküli technológiákat, például RFID-címkéket, Bluetooth-t és Wi-Fi-t már széles körben használnak eszközkövetési megoldásokhoz, de ezek hatótávolsága korlátozott, és túl sokat fogyasztanak. A megoldást a GPS és egy már széles körben elterjedt infrastruktúra, például a mobiltelefon-hálózat kombinálása jelenti, amely már ki van építve, és amelyet a Wi-Fi vagy Bluetooth hatótávolságánál jóval nagyobb távolságú kommunikációra terveztek.

Az LTE alapú mobiltelefon-hálózatokat eredetileg nagy sávszélességű vezeték nélküli kapcsolatra tervezték a mobil termékek és eszközök számára. Az IoT-alkalmazások viszont alacsonyabb teljesítményű, keskeny sávú mobilhálózati technológiákkal valósíthatók meg, például a gépek hosszú távú fejlődését célzó (LTE-M) és a keskeny sávú IoT (NB-IoT) technológiákkal. Az RF/vezeték nélküli rendszerek megvalósítása ennek ellenére nehéz, és a fejlesztők nem rendelkeznek átfogó tapasztalatokkal, különösen a mobilhálózati technológia terén. Nagy nehézségekkel küzdenek egy működő, a vezeték nélküli képességet és az energiafogyasztást optimalizáló, ugyanakkor mind a mobilhálózati, mind a GPS helymeghatározási szolgáltatások nemzetközi szabályozási irányelveinek, mind a szolgáltatók egyedi követelményeinek megfelelő elrendezések megvalósításában.

Ez a cikk az eszközkövetés trendjeit és tervezési követelményeit ismerteti, majd bemutatja a Nordic Semiconductor egyik rendszercsomag (SiP) kialakítású GPS- és keskeny sávú mobilhálózati megoldását, és ismerteti, hogyan lehet nagymértékben leegyszerűsíteni az eszközkövetési és más mezőgazdasági, illetve okosvárosi IoT-célú GPS-képes mobilhálózati eszközöket tartalmazó rendszerek megvalósítását.

Miért egyre fontosabb az eszközkövetés

A hatékony termékszállítás létfontosságú a kereskedelem szempontjából. Becslések szerint az Amazon egymaga ötmilliárd csomagot szállított ki 2019-ben és csaknem 38 milliárd dollárt költött szállítási költségekre – ez 37%-os növekedés 2018-hoz képest. A késések, károk és lopások jelentős terhet rónak a gyártókra, forgalmazókra és ügyfelekre mindegyik szállító cég esetében. Ami az Amazont illeti, a leszállított csomagok csaknem egynegyedét visszaküldték, 21 százalékukat azért, mert az ügyfél sérült csomagot kapott.

Az Amazon korántsem sincs egyedül azzal, hogy költségvetése jelentős részét a szállításra fordítja. Az ellátási lánc menedzsment szakembereinek tanácsának (CSCMP) 2020-as állapotjelentése szerint a cégek 2019-ben csaknem 1,7 billió dollárt költöttek szállítási költségekre – ez az U.S.A. bruttó nemzeti termékének (GDP) 7,6% -át teszi ki. Ezen a szinten a csomagok nyomon követésének, a késések és a káresemények felderíthetősége jelentős előnyt jelenthet a szállítók és a vásárlók számára a szállítási problémák kiküszöbölésében.

A csomagok ellátási láncon keresztüli követésén túlmenően, a legtöbb vállalkozásnak jobb módszerekre van szüksége saját eszközeinek nyomon követésére és a téves helyre küldött tételek felkutatására. A vállalkozások fele még mindig manuálisan naplózza az eszközöket, és közülük sokan az alkalmazottakra támaszkodva keresik a raktárakban, üzemekben és fizikai helyeken a hiányzó eszközöket.

Az eszközkövetéshez használt csatlakozási technológiák összehasonlítása

Noha számos megoldás jelent meg az automatikus eszközkövetés segítésére, az alapul szolgáló technológiák korlátozott lefedettséggel rendelkeznek, egységköltségük magas, illetve nagy az energiaigényük. Ez utóbbi kritikus jelentőségű, mivel az eszközkövető és a távoli IoT-készülékek akkumulátoros üzeműek.

A passzív rádiófrekvenciás azonosításon (RFID) alapuló hagyományos követési módszerek nem képesek élő adatokat szolgáltatni szállítás közben, és működésükhöz az kell, hogy a csomagok áthaladjanak valamilyen fizikai ellenőrző ponton a csomaghoz csatolt RFID-címke észleléséhez. Az akkumulátorral működő aktív RFID-címkék képesek valós idejű helyadatokat szolgáltatni, de további infrastruktúrára van szükségük és a lefedettség továbbra is korlátozott.

Az RFID-címkékhez képest az alacsony energiafogyasztású Bluetooth (BLE) és Wi-Fi fokozatosan egyre nagyobb hatótávolságot kínál az egyes technológiák fix telepítésű helymeghatározókkal ellátott lefedettségi területén. Az eszközök és szoftverek gazdag ökoszisztémájára építve a BLE-t és a Wi-Fi-t már alkalmazzák olyan helyalapú alkalmazásokban, mint például a COVID-19 kontaktkövetés és a hagyományos valós idejű helymeghatározó szolgáltatások (RTLS). A Bluetooth 5.1 iránymérő funkcióinak révén a címke helye pontosan kiszámítható a beesési szög (AoA) és a kilépési szög (AoD) adatai alapján (1. ábra).

1. ábra: A Bluetooth korszerű iránymérési képességeinek köszönhetően a címkék helye pontosan meghatározható a háromdimenziós térben. (Kép: Nordic Semiconductor)

Míg a BLE alkalmazások továbbra is csak a rövid hatótávolságú alkalmazásokra korlátozódnak, a Wi-Fi nagyobb hatótávolsága hatékonyabbá teheti az eszközkövető alkalmazásokban való felhasználást egy raktáron vagy vállalati telephelyen belül. A Wi-Fi RTLS címkék még tipikusan drága készülékek, olyan tápellátási igényekkel, amelyek miatt az akkumulátorok használata nem praktikus, így alkalmazásuk a nagyobb, drága eszközök nyomon követésére korlátozódik. Ugyanakkor az ezen technológiák bármelyikét alkalmazó nagy rendszereknél gondot okozhat a vételi sávszélességen belüli növekvő zaj, ami csomagok elvesztéséhez vagy sérüléséhez, illetve a helymeghatározási képességek romlásához vezethet.

Annak ellenére, hogy az eszközök helyben nyomon követhetők, miután az eszköz elhagyta a raktárt vagy a vállalati telephelyet, sem az RFID, sem a BLE, sem a Wi-Fi nem tudja biztosítani azt a lefedettséget, amely a könnyű nyomon követéshez kell. A csomag vagy egy berendezés alkatrészének regionális vagy akár globális nyomon követésének képessége attól függ, hogy rendelkezésre áll-e nagyobb hatótávolságú és kis működési áramigényű vezeték nélküli technológia.

Az alacsony fogyasztású ultraszéles sávú (UWB) technológiákon alapuló alternatívák jelentős hatótávolsággal rendelkezhetnek, de a hálózati lefedettség továbbra is korlátozott marad. Valójában kevés alternatíva képes biztosítani azt a fajta globális lefedettséget, amely már elérhető a 3. generációs partnerségi projekt (3GPP) – a mobilhálózati kommunikációs szabványokat meghatározó nemzetközi konzorcium – által meghatározott kis teljesítményű, nagy kiterjedésű hálózati (LPWAN) technológiákon alapuló megoldásokkal.

Globális elérés megvalósítása mobilhálózati kapcsolattal

A 3GPP szabványok közül az LTE-M és az NB-IoT technológiákon alapulókat kifejezetten arra tervezték, hogy olyan viszonylag könnyű mobilhálózati protokollt hozzanak létre, amely megfelel az IoT adatsebességre, sávszélességre és fogyasztásra vonatkozó követelményeinek.

A 3GPP 13. kiadásában meghatározott LTE Cat M1 egy olyan LTE-M szabvány, amely 1 Mbit/s sebességet támogat mind lefelé, mind felfelé irányú átvitelhez 10-15 ms késleltetéssel és 1,4 MHz sávszélességgel. Az ugyancsak a 3GPP 13. kiadásában meghatározott Cat-NB1 egy olyan NB-IoT szabvány, amely 26 kbit/s lefelé és 66 kbit/s felfelé irányú sebességet kínál 1,6-10 s késleltetéssel és 180 kHz sávszélességgel. A 3GPP 14. kiadásában egy másik NB-IoT szabvány, a Cat-NB2 magasabb, azaz 127 kbit/s lefelé és 159 kbit/s felfelé irányú adatsebességeket kínál.

Bár az LPWAN technológia e két széles osztályának sajátos jellemzői jóval meghaladják ezen rövid cikk kereteit, röviden annyi kijelenthető, hogy a tipikus eszközkövetési feladatokra mindkettő hatékonyan alkalmazható lehet. A kompakt tokokba kombinált, érzékelőkkel és globális helymeghatározó műholdas (GPS) képességekkel rendelkező LTE-M vagy NB-IoT alapú mobilhálózati LPWAN-okra épülő eszközkövető megoldások képesek kielégíteni az eszközkezeléshez és a végpontok közötti logisztikához szükséges követelményeket.

Tekintettel arra, hogy az LPWAN lehetőségei és hatékonysága jobb a költségmegtakarítást illetően, a mobilhálózat alapú LPWAN továbbra is nagyobb szerepet játszik a logisztikában. A Nordic Semiconductor nRF9160 SiP eszközének elérhetősége által a fejlesztők gyorsabban és könnyebben ki tudják szolgálni a hatékonyabb eszközkövetéshez és más IoT alkalmazásokhoz szükséges LPWAN-alapú készülékek iránti növekvő igényt.

Hogyan képes egy SiP eszköz drop-in (gyorsan megvalósítható) eszközkövetési megoldást nyújtani

A Nordic Semiconductor kis fogyasztású nRF9160 SiP eszköze egy Nordic Semiconductor nRF91 system-on-chip (SoC) eszközt kombinál támogató áramkörökkel, így biztosítja a teljes LPWAN csatlakozási megoldást egyetlen 10 x 16 x 1,04 mm méretű LGA tokban. Az alkalmazás feldolgozásra szánt Arm® Cortex®-M33-alapú mikrovezérlőjével együtt az nRF91 SoC variánsokban LTE-M modem van integrálva az NRF9160-SIAA SiP-be, NB-IoT modem az NRF9160-SIBA SiP-be, illetve LTE-M és NB-IoT modem, valamint GPS is az NRF9160-SICA SiP-be. Az nRF9160 SiP továbbá előzetes tanúsítással rendelkezik, hogy megfeleljen a globális, regionális és szolgáltatói mobilhálózati követelményeknek, lehetővé téve a fejlesztők számára, hogy gyorsan megvalósítsák a mobilhálózati csatlakozási megoldásokat a megfelelőségi teszteléssel szokásosan együtt járó késések nélkül.

Mindegyik SiP verzió perifériák nagy választékát tartalmazza, köztük egy, az érzékelők tervezésénél gyakran szükséges 12 bites analóg-digitális átalakítót (ADC), amelyek kombinálva vannak a mikrovezérlő-alapú alkalmazásprocesszorral és a modemmel. Az SiP tartalmazza továbbá az RF front-enddel, energiagazdálkodási integrált áramkörrel (PMIC) és az LPWAN kapcsolat drop-in megoldásának létrehozásához szükséges további összetevőkkel rendelkező SoC-t (2. ábra).

2. ábra: A Nordic Semiconductor nRF9160 SiP termékében egy alkalmazásprocesszorral és LTE modemmel rendelkező SoC van ötvözve más olyan komponensekkel, amelyek egy kompakt, kis teljesítményű mobilhálózat-alapú eszközkövető vagy más IoT alkalmazás megtervezéséhez szükségesek. (Kép: Nordic Semiconductor)

Az SoC gazdaprocesszorként szolgáló mikrovezérlője számos olyan megtervezett biztonsági képességet tartalmaz, amelyek célja a csatlakoztatott eszközök, köztük az IoT eszközök és eszközkövető rendszerek növekvő biztonsági igényeinek kielégítése. A mikrovezérlő tartalmaz egy Arm TrustZone architektúrára épülő beágyazott Arm Cryptocell biztonsági blokkot, amely egy nyilvános kulcsú titkosítási gyorsítót egyesít az érzékeny adatok védelmére tervezett mechanizmusokkal. Ezenkívül egy biztonságos kulcskezelő egység (KMU) biztonságos tárolást nyújt többféle titkos adat számára, beleértve a kulcspárokat, a szimmetrikus kulcsokat, a lenyomatokat és a privát adatokat. Egy külön rendszervédelmi egység (SPU) valósítja meg a biztonságos hozzáférést a memóriákhoz, a perifériákhoz, az eszközök kivezetéseihez és más erőforrásokhoz.

Működés közben az SoC mikrovezérlője hostként szolgál, végrehajtja az alkalmazásszoftvert, valamint elindítja és leállítja a modemet. A host indítási és leállítási parancsainak megválaszolásán kívül a modem a saját műveleteit jelentős képességekkel rendelkező integrált blokkjainak bevonásával kezeli, ilyen blokkok a dedikált processzor, az RF adó-vevő és az alapsávi modem. Beágyazott firmware-ét futtatva a modem teljes mértékben támogatja a 3GPP LTE 13 Cat-M1 és Cat-NB1 jelű kiadásait. A Cat-NB2 14. kiadása hardveresen támogatott, de működéséhez további firmware szükséges.

Hogyan valósítja meg alacsony áramfogyasztás mellett az nRF9160 SiP a mobilhálózati kapcsolatot

Az nRF9160 SiP kiterjedt hardveres funkcionalitása energiagazdálkodási szolgáltatások teljes készletével van ötvözve. A beépített PMIC működését egy energiagazdálkodási egység (PMU) segíti, amely figyeli az energiafelhasználást és automatikusan elindítja, illetve leállítja az órajeleket és a tápellátás szabályozóit a lehető legkisebb energiafogyasztás elérése érdekében (3. ábra).

3. ábra: Az nRF9160 SiP tartalmaz egy PMU-t, amely automatikusan vezérli az órajeleket és a tápellátás szabályozóit a lehető legkisebb energiafogyasztás elérése érdekében. (Kép: Nordic Semiconductor)

A rendszer kikapcsolt (System OFF) üzemmódjával együtt, amely csak az eszköz felébresztéséhez szükséges áramköröket tartja működésben, a PMU egy pár alárendelt bekapcsolt (System ON) rendszer-tápellátási üzemmódot támogat. Bekapcsolás utáni visszaállítás (power-on-reset, POR) után az eszköz kis fogyasztású almódba kerül, amely a funkcionális blokkokat, köztük az alkalmazásprocesszort, a modemet és a perifériákat tétlen állapotba helyezi. Ebben az állapotban a PMU szükség szerint automatikusan elindítja és leállítja a különböző blokkok órajeleit és feszültségszabályozóit.

A fejlesztők felülírhatják az alapértelmezett kis fogyasztású almódot, helyette állandó késleltetésű almódra kapcsolhatnak. Állandó késleltetésű almódban a PMU az energiafogyasztás arányos növekedésével fenntartja bizonyos erőforrások tápellátását az előre látható válaszadási késleltetés képességének biztosítása érdekében. A fejlesztők egy külső engedélyező érintkező segítségével egy harmadik tápellátási módot is beállíthatnak, amellyel az egész rendszer kikapcsolható. Ezt a képességet általában egy olyan rendszerkialakításban használják, amelynél a rendszer hostprocesszora vezérli az nRF9160 SiP-t kommunikációs társprocesszorként.

Ezek az energiaoptimalizálási funkciók lehetővé teszik az SiP számára azt az alacsony energiaigényű működést, amelynek segítségével az eszközkövető készülék akkumulátorának megnövekedett élettartama biztosítható. Például készenléti állapotban lévő mikrovezérlővel, a modem kikapcsolt állapotában az SiP csak 2,2 μA-t fogyaszt, miközben a valós idejű számláló aktív. Ha a mikrovezérlő és a modem ki van kapcsolva, és csak az általános célú bemeneti kimenet (GPIO) alapú ébresztő áramkör működik, akkor az SiP áramfelvétele mindössze 1,4 μA.

Az SiP továbbra is törekszik az alacsony energiaigényű működésre, miközben különféle feldolgozási feladatokat hajt végre. Például a CoreMark benchmark 64 MHz-es órajellel történő futtatásához csak körülbelül 2,2 mA szükséges. A fogyasztás természetesen az engedélyezett perifériák számával arányosan nő. Azonban sok érzékelőalapú felügyeleti rendszer gyakran képes csökkentett működési sebesség mellett is hatékonyan működni, ami elősegíti a kis fogyasztású működés fenntartását. Például az integrált differenciális szukcesszív approximációs regiszter (SAR) rendszerű ADC áramfelvétele 1288 mA-ről 298 mA-re csökken nagy pontosságú órajelről kis pontosságú órajelre váltáskor, mindkét esetben 16k minta/s sebességű mintavétel mellett.

A többi funkcionális blokkjaihoz, ideértve a GPS-t is, az eszköz más teljesítményoptimalizálási funkciókat is használ. Az áramfelvétel normál üzemmódban, folyamatos GPS nyomon követés mellett kb. 44,9 mA. Az energiatakarékos GPS mód engedélyezésével a folyamatos nyomon követés áramfelvétele 9,6 mA-re csökken. A GPS mintavételezési gyakoriságának a folyamatosról kétpercenkéntire csökkentésével a tervezők jelentősen csökkenteni tudják az áramfelvételt. Például a GPS modul csak 2,5 mA-t fogyaszt, ha két percenként csak egyetlen mintát vesz.

Az eszköz egyéb energiatakarékos üzemmódokat célzó támogatása az nRF9160 SiP modemére is kiterjed. Ezzel az eszközzel a fejlesztők engedélyezhetik a speciális, kifejezetten az akkumulátorral működő csatlakoztatott eszközök fogyasztásának csökkentésére tervezett mobilhálózati protokollokat támogató modemfunkciókat.

Kis teljesítményigényű mobilhálózati protokollok használata

Mint minden vezeték nélküli eszköznél, a rádió alrendszer a legnagyobb energiafogyasztó a hostprocesszor mellett. A hagyományos mobilhálózati rádió alrendszerek kihasználják a mobilhálózati szabványba belefoglalt energiatakarékossági célú protokollok előnyeit. Az okostelefonok és más mobileszközök általában a megszakítás nélküli vétel (DRX) képességet használják, amely lehetővé teszi az eszköz számára, hogy a rádióvevőt kikapcsolja a szolgáltató hálózata által támogatott ideig.

Hasonlóképpen, a kiterjesztett megszakítás nélküli vétel (eDRX) protokoll lehetővé teszi, hogy a kis fogyasztású készülékek, például az akkumulátorral működtetett eszközkövetők vagy más IoT-eszközök megadják, hogy mennyi időre terveznek alvó állapotba lépni, mielőtt újra bejelentkeznének a hálózathoz. Az eDRX funkció engedélyezésével egy LTE-M eszköz körülbelül 43 percet tölthet alvó üzemmódban, míg egy NB-IoT eszköz körülbelül 174 percet, ami jelentősen meghosszabbítja az akkumulátor élettartamát (4. ábra).

4. ábra: Az nRF9160 SiP modeme támogatja a kiterjesztett megszakítás nélküli vétel funkciót (eDRX), ami a mobiltelefon-hálózattal egyeztetett időtartamú alvó üzemmód révén jelentős energiamegtakarítást tesz lehetővé. (Kép: Nordic Semiconductor)

Egy másik mobilhálózati üzemmód, az úgynevezett energiatakarékos mód (PSM) lehetővé teszi, hogy a készülékek akkor is regisztrálva maradjanak a mobiltelefon-hálózaton, ha alvó üzemmódban vannak és a hálózat számára elérhetetlenek. Normális esetben, ha a mobiltelefon-hálózat bizonyos időn belül nem képes elérni a készüléket, akkor megszakítja vele a kapcsolatot és megköveteli, hogy a készülék újracsatlakozási eljárást hajtson végre, amely megnövekedett energiafogyasztással jár. Az akkumulátorral üzemelő készülék hosszú távú működése során ez az ismétlődő kis energiafogyasztás lemerítheti az akkumulátort vagy jelentősen csökkentheti annak töltöttségét.

A készülék a PSM-et úgy engedélyezi, hogy a hálózat számára olyan időzítő értékeket biztosít, amelyek jelzik, hogy mikor lesz periodikusan elérhető és meddig marad ebben az állapotban az alvó üzemmódba való visszatérés előtt (5. ábra).

5. ábra: A mobilhálózati PSM protokoll újracsatlakozási költségek nélkül teszi lehetővé a készülékek számára az energiatakarékos alvó üzemmód előnyeinek kihasználását azon periódusok egyeztetésével, amikor nem elérhetőek. (Kép: Nordic Semiconductor)

A PSM egyeztetésnek köszönhetően a szolgáltató hálózat nem választja le a készüléket. Valójában a készülék bármikor felébredhet és folytathatja a kommunikációt. Az előny az, hogy kis fogyasztású alvó üzemmódját akkor használja, amikor nincs mit kommunikálnia, mégsem veszíti el a szükség szerinti ébredés és azonnali kommunikáció képességét.

Az nRF9160 SiP támogatja az eDRX-et és a PSM-et is, lehetővé téve a készülék számára a minimális fogyasztású működés fenntartását. PSM üzemmódú elérhetetlen állapotában a készülék csak 2,7 μA-t fogyaszt. Az eDRX csak kissé nagyobb áramot igényel, 18 μA-t vesz fel Cat-M1 üzemmódban vagy 37 μA-t Cat-NB1 üzemmódban, 82,91 másodperces ciklusos működéssel.

Kis teljesítményfelvételű eszközkövető megoldások fejlesztése

Az nRF9160 SiP-re épülő eszközkövető készülékek hardverének kialakításához a leválasztó komponensek, antennák és a GPS, illetve LTE antennák külön illesztőköreihez szükségeseken kívül csupán néhány további alkatrész kell (6. ábra).

6. ábra: A Nordic Semiconductor nRF9160 SiP használatával a fejlesztőknek csak néhány további alkatrészre van szükségük egy mobilhálózat-alapú eszközkövető vagy más IoT készülék hardverének megvalósításához. (Kép: Nordic Semiconductor)

A fejlesztők könnyen kombinálhatják az nRF9160 SiP-t egy Bluetooth-eszközzel, például a Nordic Semiconductor NRF52840 Bluetooth vezeték nélküli mikrovezérlővel és érzékelőkkel egy kifinomult, érzékelőalapú GPS-képes mobilhálózati eszközkövető megvalósításához, amely a felhasználók számára okostelefonjaikon és más Bluetooth-képes mobileszközeiken keresztül hozzáférést biztosít az adatokhoz.

A Nordic Semiconductor abban is segíti a fejlesztőket, hogy egy fejlesztőkészlet-páros segítségével gyorsan elkezdhessék kiértékelni a mobiltelefon alapú fejlesztéseiket. Az érzékelőalapú eszközkövető alkalmazások prototípusainak gyors elkészítéséhez a Nordic Semiconductor NRF6943 THINGY:91 mobilhálózati IoT fejlesztőkészlete egy komplett, akkumulátorral működő érzékelőrendszert biztosít, amely az nRF9160 SiP-t egy NRF52840 Bluetooth eszközzel párosítja, több érzékelővel, alap felhasználói interfész-komponensekkel, egy 1400 mAh-s újratölthető akkumulátorral és a külön beállítást nem igénylő, azonnali mobilhálózati kapcsolatot lehetővé tevő SIM-kártyával együtt (7. ábra).

7. ábra: A Nordic Semiconductor NRF6943 THINGY:91 mobilhálózati IoT fejlesztőkészlet egy olyan komplett platform, amely lehetővé teszi a mobilhálózati vagy Bluetooth kapcsolattal megvalósított érzékelőalapú alkalmazások prototípusainak gyors elkészítését. (Kép: Nordic Semiconductor)

Az egyedi fejlesztéshez a Nordic Semiconductor NRF9160-DK készlet közvetlen fejlesztői platformként és referenciaként szolgál új készülékek számára. Habár az NRF9160-DK készletben nincsennek érzékelők, mint a THINGY:91-ben, az NRF9160-DK egy nRF9160 SiP-t kombinál egy NRF52840 Bluetooth-eszközzel és tartalmaz egy SIM-kártyát, valamint több csatlakozót, illetve egy SEGGER J-Link hibakereső interfészt (8. ábra).

8. ábra: A Nordic Semiconductor NRF9160-DK készlet átfogó fejlesztői platformot biztosít egyedi mobilhálózat alapú eszközkövető és más IoT megoldások megvalósításához. (Kép: Nordic Semiconductor)

Az eszközkövető alkalmazás szoftverének fejlesztéséhez a Nordic mellékel egy komplett nRF9160 eszközkövető alkalmazást, annak nRF Connect szoftverfejlesztő csomagjával (SDK) együtt. Az SDK a Nordic saját SoC-ihez való nrfxlib szoftverkönyvtárból, a korlátozott erőforrásokkal rendelkező eszközökhöz kifejlesztett valós idejű operációs rendszerhez (RTOS) – a Zephyr Projecthez – készült Nordic fork-ból valamint az MCUboot Project biztonsági rendszerbetöltőhöz kifejlesztett Nordic fork-ból áll.

A THINGY:91 és NRF9160-DK készletek előtelepítve tartalmazzák a Nordic saját nRF Cloud IoT platformjához történő csatlakozásra kifejlesztett eszközkövető alkalmazást. Az előkonfigurált beállítások bármelyik készlettel használhatók, és ezzel a fejlesztők azonnal megkezdhetik a mobilhálózat alapú eszközkövetés kiértékelését és saját alkalmazásuk prototípusának elkészítését.

Az előtelepített firmware-rel együtt a Nordic rendelkezésre bocsátja a teljes forráskódot az eszközkövető alkalmazáshoz. Ennek a kódnak a vizsgálatával a fejlesztők mélyebben megismerhetik az NRF9160 SiP képességeit és annak GPS helymeghatározásra és az LTE-M/NB-IoT-kapcsolatok támogatására való használatát egy eszközkövető alkalmazáson belül.

A mintaszoftver fő rutinja bemutatja az egyedi eszközkövető alkalmazás megvalósításához szükséges alapvető tervezési mintákat. Induláskor a fő rutin inicializáló rutinok sorozatát hívja meg. Ezek közül az egyik inicializáló rutin konfigurálja a modemet, és a kapcsolat paramétereinek definiálásához, illetve a modem szolgáltatói hálózatra csatlakozást végző beépített funkcionalitásának meghívásához szükséges AT karaktersorok küldésével létrehozza az LTE kapcsolatot. Egy másik inicializáló rutin, a work_init, inicializálja a Zephyr RTOS feladatsorok halmazát, beleértve az érzékelő, a GPS és fejlesztőkártya gombjait (1. lista).

Másolás
static void work_init(void)
{
       k_work_init(&sensors_start_work, sensors_start_work_fn);
       k_work_init(&send_gps_data_work, send_gps_data_work_fn);
       k_work_init(&send_button_data_work, send_button_data_work_fn);
       k_work_init(&send_modem_at_cmd_work, send_modem_at_cmd_work_fn);
       k_delayed_work_init(&send_agps_request_work, send_agps_request);
       k_delayed_work_init(&long_press_button_work, long_press_handler);
       k_delayed_work_init(&cloud_reboot_work, cloud_reboot_handler);
       k_delayed_work_init(&cycle_cloud_connection_work,
                         cycle_cloud_connection);
       k_delayed_work_init(&device_config_work, device_config_send);
       k_delayed_work_init(&cloud_connect_work, cloud_connect_work_fn);
       k_work_init(&device_status_work, device_status_send);
       k_work_init(&motion_data_send_work, motion_data_send);
       k_work_init(&no_sim_go_offline_work, no_sim_go_offline);
#if CONFIG_MODEM_INFO
       k_delayed_work_init(&rsrp_work, modem_rsrp_data_send);
#endif /* CONFIG_MODEM_INFO */
}

1. lista: A Nordic eszközkövető mintaalkalmazás Zephyr RTOS segédprogramokra épül a várakozási sorok kezelését illetően, annak érdekében, hogy a kapcsolódó visszahívási rutinok várakozási sorainak sorozatát hozza létre különféle feladatok, például szenzoradatok gyűjtésére és a felhőbe továbbításának kezelésére. (Programkód: Nordic Semiconductor)

Ebben az inicializálási fázisban az egyes feladatsorok inicializálási meghívásaihoz tartozó funkciók elvégzik a saját specifikus inicializálási feladataikat, beleértve azokat is, amelyek a szükséges frissítések végrehajtásához kellenek. Például a works_init által meghívott sensors_start_work_fn funkció létrehoz egy lekérdezési mechanizmust, amely időszakonként meg tudja hívni az env_data_send funkciót, amely érzékelők adatait küldi a felhőbe (2. lista).

Másolás
static void env_data_send(void)
{
[code deleted]
       if (env_sensors_get_temperature(&env_data) == 0) {
              if (cloud_is_send_allowed(CLOUD_CHANNEL_TEMP, env_data.value) &&
                  cloud_encode_env_sensors_data(&env_data, &msg) == 0) {
                     err = cloud_send(cloud_backend, &msg);
                     cloud_release_data(&msg);
                     if (err) {
                           goto error;
                     }
              }
       }
 
       if (env_sensors_get_humidity(&env_data) == 0) {
              if (cloud_is_send_allowed(CLOUD_CHANNEL_HUMID,
                                    env_data.value) &&
                  cloud_encode_env_sensors_data(&env_data, &msg) == 0) {
                     err = cloud_send(cloud_backend, &msg);
                     cloud_release_data(&msg);
                     if (err) {
                           goto error;
                     }
              }
       }
[code deleted]

2. lista: A Nordic eszközkövető mintaalkalmazás bemutatja az adatok továbbításának alapvető módját, beleértve az érzékelők adatait is, amint az ebben a programrészletben látható. (Programkód: Nordic Semiconductor)

Az eszközkövető mintaalkalmazásnak a Nordic Semiconductor NRF6943 THINGY:91 mobilhálózati IoT fejlesztőkészleten történő futtatásakor az alkalmazás a THINGY:91 kártyára épített érzékelőitől származó aktuális adatokat küld. A Nordic Semiconductor NRF9160-DK fejlesztőkészleten való futtatásakor szimulált adatok küldése történik az SDK-ban található érzékelő-szimulátor rutin segítségével. A fejlesztők könnyedén kibővíthetik ezt a szoftvercsomagot saját eszközkövető alkalmazásaik megvalósításához, vagy felhasználhatják annak programpéldáit saját alkalmazásuk architektúrájához.

Összegzés

A mezőgazdasági vagy okosvárosi környezetekben lévő értékes küldemények nyomon követése vagy a nagyértékű eszközök helyének meghatározása hagyományos módszerekkel az olyan vezeték nélküli technológiákra korlátozódott, mint az RFID-címkék, a Bluetooth és a Wi-Fi. A tervezőknek viszont nagyobb hatótávolságra és pontosabb helyinformációkra van szükségük hosszabb időn keresztül. A kis fogyasztású LTE mobilhálózati szabványok, mint például az LTE-M vagy az NB-IoT a GPS-szel kombinálva kielégíthetik ezeket a követelményeket, de a megvalósítás kihívást jelenthet az RF tervek nehézségei és jellegzetességei miatt.

Mint látható, a Nordic Semiconductor SiP egy csaknem kulcsrakész megoldást kínál nagy hatótávolságú és kis fogyasztású eszközkövetésre. Az előre tanúsított SiP és fejlesztőkészletei használatával a fejlesztők gyorsan kiértékelhetik a mobilhálózati kapcsolatot, elkészíthetik a mobilhlózat alapú GPS-képes eszközkövető alkalmazások prototípusait és olyan egyedi eszközkövető készülékeket készíthetnek, amelyek teljes mértékben kihasználják az LTE-M és az NB-IoT mobilhálózati kapcsolat kibővített hatótávolságát, illetve alacsony teljesítményigényét.