Az LTE-M, az NB-IoT és a DECT NR+ technikát támogató kombinált fejlesztőkészlet használata a dolgok internetére kapcsolódó vezeték nélküli készülékek tervezésének elkezdéséhez

A dolgok internetéhez (IoT, Internet of Things) készült LPWAN (low-power wide-area network, kis fogyasztású nagy kiterjedésű hálózat) mobilcellás technikák – például az LTE-M (Long-Term Evolution Machine Type Communication, hosszú távú fejlődést lehetővé tevő gépi kommunikáció) és az NB-IoT(NarrowBand-IoT, keskeny sávú átvitel a dolgok internetéhez) – több mint egy kilométeres vezeték nélküli kapcsolódási távolságot tesznek lehetővé az akkumulátorról működő eszközök számára a meglévő és bevált mobilcellás infrastruktúrát használva. A New Radio+ (DECT NR+) egy licencdíj nélkül használható LPWAN-alternatíva olyan felhasználási területekre, ahol a dolgok internetére kapcsolódó nagy mennyiségű eszköz miatt a mobilcellarendszerhez hasonló megoldásra van szükség. A fejlesztők számára mindhárom technika kivitelezése bonyolult lehet, még a kis hatótávolságú vezeték nélküli hálózatokban jártasak számára is.

Ha olyan megoldásszolgáltatót használ, amely beépített LTE-M, NB-IoT vagy DECT NR+ protokollszoftver-csomaggal és automatikus modemekkel felszerelt, előre tanúsított termékeket kínál, az ellensúlyozhatja az LPWAN-tervezés összetettségét. Az ilyen megoldások lehetővé teszik, hogy a fejlesztők erősebben összpontosíthassanak arra, hogy a készülékük kitűnjön a többi közül, és lerövidítsék a piacra kerülési időt.

Ez a cikk összefoglalja az LTE-M, az NB-IoT és a DECT NR+ előnyeit a nagy távolságú IoT-kapcsolatokban, és kitér a megvalósítással kapcsolatos nehézségekre. Ezután bemutatja a Nordic Semiconductor egy kombinált mobilcellás IoT- és DECT NR+-eszközét és a hozzá tartozó fejlesztőkészletet, és megmutatja, hogyan lehet ezeket a nehézségeket leküzdeni.

A LTE-M, NB-IoT és DECT NR+ vezeték nélküli hálózat használatának előnyei

Ahhoz, hogy az internetet alkotó globális hálózat mindennapos részévé váljanak, a dolgok internetére kapcsolódó eszközöknek képesnek kell lenniük arra, hogy költséges átjárók használata nélkül, az IP protokoll (Internet Protocol, internetprotokoll) segítségével kommunikáljanak a felhővel. Bizonyos felhasználási területeken, például a mezőgazdaságban, az okosvárosokban és a környezetfelügyeletben a kommunikációnak nagy távolságokra kell kiterjednie minimális karbantartási igénnyel. Ez utóbbi annyit jelenti, hogy a készüléknek kicsi legyen a fogyasztása az akkumulátor üzemidejének minél nagyobbra növelése érdekében.

Az LTE-M és az NB-IoT mobilcellás megoldást kínál ezekre a feladatokra. Ezek a mobilcellás hálózatokra vonatkozó 3GPP szabványban meghatározott előírásokon alapulnak, így ismerik az IP protokollt, és 1 km-nél nagyobb hatótávolságot kínálnak. Az LTE-M a 698 MHz és 960 MHz közötti, míg az NB-IoT az 1710 MHz és 2200 MHz közötti frekvenciasávban működik. Az LTE-M és az NB-IoT műszaki jellemzőit az 1. táblázat foglalja össze.

1. táblázat: Az LTE-M és az NB-IoT összehasonlítása (táblázat: Nordic Semiconductor)

A DECT NR+ licencdíj nélkül használható alternatívát kínál a nagy távolságú összeköttetést igénylő felhasználási területekre. Az 5G-előírásokon alapul, az 1900 MHz-es sávban működik, támogatja a nagy sűrűségű LPWAN hálózatokat, és alkalmas a gépek közötti (M2M, machine-to-machine) kommunikációra és a város egészére kiterjedő levegőminőség-ellenőrzésre.

A rádiófrekvenciás készülékek egyszerűsítése

A rádiófrekvenciás készülékek tervezése sok fejlesztő számára komoly feladatot jelent, és gyakran veszélyezteti a piacra kerülési határidőket. Néhány hardveres nehézség azonban leküzdhető olyan integrált áramkörös eszközöket használva, amelyek tartalmazzák a bonyolult kapcsolások nagy részét. Remek példa az ilyen eszközökre a Nordic Semiconductor nRF9161 jelű egy tokba épített rendszere (SiP, system-in-package) (1. ábra).

Ez az egy tokba épített rendszer tartalmaz egy ARM^® Cortex^®-M33® processzort, amelyen kizárólag az alkalmazásszoftver fut, valamint egy az LTE-M, az NB-IoT és a DECT NR+ rádiós illesztőfelületet támogató modemet. Ezenfelül található benne egy rádiófrekvenciás bemeneti fokozat (RFFE, RF front-end) és egy energiagazdálkodási rendszer, mindez egy 16,0 mm × 10,5 mm ×1,04 mm méretű LGA (land grid array, felszíni rácselrendezésű) tokban. A modem támogatja az IPv4/IPv6 protokollt és a titkosított FOTA (firmware-over-the-air, rádiós úton végzett firmware-) frissítéseket. Az alkalmazásfuttató processzorhoz 1 MB flashmemória és 256 kB RAM tartozik.

1. ábra: Az nRF9161 jelű egy tokba épített rendszer egy ARM Cortex-M33 processzort, egy LTE modemet, egy rádiófrekvenciás bemeneti fokozatot, memóriát és energiagazdálkodást tartalmaz (kép: Nordic Semiconductor)

Az egy tokba épített rendszerhez tartozik egy GNSS-vevő is az olyan felhasználási területekhez, mint a helyzetmeghatározás. Az illesztőfelületek és perifériák között megtalálhatók egyebek mellett az alábbiak: egy 12 bites analóg–digitális átalakító (ADC), egy valós idejű óra (RTC), SPI (soros perifériás illesztőfelület), I²C (Inter-Integrated Circuit, integrált áramkörök közötti illesztőfelület), I²S (inter-IC Sound, integrált áramkörök közötti hangátvitel), UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter, univerzális aszinkron adó-vevő), impulzussűrűség-moduláció (PDM) és impulzusszélesség-moduláció (PWM). Ez az egy tokba épített rendszer lehetővé teszi egy mobilcellás vagy DECT NR+ IoT-megoldás kifejlesztését egyetlen eszköz, egy antenna, egy akkumulátor, egy SIM-kártya vagy eSIM és egy érzékelő használatával (2. ábra).

2. ábra: Az nRF9161 jelű egy tokba épített rendszer egy nagy integráltsági fokú mobilcellás (LTE-M, NB-IoT) és DECT NR+ IoT-csatlakozási megoldás (ábra: Nordic Semiconductor)

Szoftvertervezési nehézségek

A dolgok internetére kapcsolódó rádiófrekvenciás eszközök tervezési nehézségei a szoftverre is kiterjednek. A mobilcellás és a DECT NR+-csomagok nagyok és rendkívül összetettek, bármelyiknek a nulláról való megtervezéséhez protokollszakértőkre van szükség. Az LTE-M és az NB-IoT esetében a fejlesztőnek a csomag felépítése és tesztelése után cellaspecifikus AT (attention, kezelési) parancsokat kell futtatniuk. Ezek a parancsok képezik a kommunikáció alapját minden mobilcellás modem és annak fő vezérlőegysége között. Ezeket a parancsokat elsősorban a modem beállítására és hibakeresésére, valamint a mobiltelefon-hálózat-üzemeltetőkön (MNO, mobile network operator) keresztül történő hálózati csatlakozásra használják.

A Nordic megkönnyíti a szoftverkódolási problémákat azáltal, hogy az egy tokba épített rendszerben lévő modembe egy előre beprogramozott, bevált és stabil LTE-M-csomagot ágyaz be. Ezenkívül a Nordic Serial LTE Modem alkalmazás kezeli a modemet adatküldésre és -fogadásra utasító AT-parancsokat.

A mérnöki feladatokon túlmenően a mobiltelefon-modemeknek meg kell felelniük a szigorú, régiófüggő tanúsítási és szabályozási követelményeknek is. Ezek közé tartoznak az LTE-előírásoknak való megfelelést garantáló globális tanúsítványok, amelyek lehetővé teszik a végberendezés számára az LTE-M- és NB-IoT-hálózatokon keresztüli kommunikációt. Ezeken felül egyes mobiltelefon-hálózat-üzemeltetők saját tanúsítási követelményeket is támasztanak.

A Nordic e tekintetben megkönnyítette a fejlesztők dolgát azzal, hogy az nRF9161 jelű egy tokba épített rendszerre előzetesen megszerezte a tanúsítványokat a legkritikusabb térségekben, a legfontosabb hálózatokban és az ezeken a hálózatokon található főbb LTE-sávokban való működésre.

Az nRF9161 DK fejlesztőkészlet használata

Bár az nRF9161 jelű egy tokba épített rendszer megkönnyít a mobilcellás IoT és a DECT NR+ fejlesztésével kapcsolatos néhány kritikus hardveres és szoftveres feladatot, a működő prototípus létrehozása még mindig igényel némi erőfeszítést. A tervezési folyamat felgyorsítása érdekében a Nordic az nRF9161 DK fejlesztőkészletet (3. ábra) és egy szoftvereszközöket tartalmazó csomagot kínál. Az eszközök élén a vállalat nRF Connect SDK szoftverfejlesztő készlete áll, amely a Nordic vezeték nélküli megoldásainak egységes fejlesztőkörnyezete.

A fejlesztőkártya tartalmazza az egy tokba épített rendszert és a teljesen működőképes prototípusok elkészítéséhez szükséges áramköröket. A fejlesztőkészlethez tartozik még egy célorientált LTE-M/NB-IoT- és DECT NR+-antenna, valamint egy beépített kiegészítő antenna a GNSS-hez. A programozás és a hibakeresés a kártyán elhelyezett SEGGER J-Link hibakereső szonda segítségével lehetséges, és a készlethez egy valamekkora adatforgalommal előre feltöltött SIM-kártya is tartozik. A fejlesztőkészlet lehetővé teszi szoftveres SIM-kártya (eSIM) használatát is, ami még tovább csökkenti a fogyasztást.

3. ábra: Az nRF9161 DK fejlesztőkészlet tartalmazza az LTE-M, az NB-IoT és a DECT NR+ rendszerhez is használható nRF9161 jelű egy tokba épített rendszert, valamint LPWAN- és GNSS-antennát, egy a kártyán elhelyezett SEGGER J-Link hibakereső szondát a programozáshoz és hibakereséshez és egy valamekkora adatforgalommal előre feltöltött SIM-kártyát (kép: Nordic Semiconductor)

Az nRF9161 DK fejlesztőkészlettel való fejlesztés megkezdéséhez a SIM-kártyát be kell dugni (vagy aktiválni kell az eSIM-et), a PROG/DEBUG (Programozás/Hibakeresés) SW10 kapcsolót nRF91 állásba kell állítani, és a fejlesztőkártyát egy mikro-USB 2.0 kábel segítségével egy asztali számítógéphez kell csatlakoztatni. A fejlesztőkészlet használatához Windows, macOS vagy Ubuntu Linux operációs rendszerre van szükség.

A következő lépés a Nordic nRF Connect for Desktop szoftverfejlesztő környezet (SDK) telepítése és aktiválása. Abból telepíthető a Quick Start (Gyorsindítás) alkalmazás, amely az irányított telepítést és telepítési eljárásokat segítő eszköz. Ez a szoftver leegyszerűsíti a fejlesztőkészlet firmware-frissítését és a SIM-kártya aktiválását. A fejlesztőkészletből a felhőbe történő adatátvitelhez a fejlesztő létrehozhat egy Nordic nRF Cloud-fiókot, vagy csatlakozhat más felhőszolgáltatásokhoz.

A Quick Start alkalmazás ezután a Nordic nRF Connect szoftverfejlesztő környezetbe irányítja a fejlesztőt. A szoftverfejlesztő környezet a Visual Studio Code, egy népszerű beépített fejlesztőkörnyezet (IDE) segítségével működik, a Nordic nRF Connect for VS Code bővítményt használva. A szoftverfejlesztő környezet alkalmazások fejlesztésére szolgál, és olyan hasznos mintaprogramokat tartalmaz, mint például az eszköz helyének lekérdezése GNSS-, cellaadatok alapján történő vagy wifis helyzetmeghatározás segítségével, valamint az érzékelőadatok továbbítása az nRF9161 DK fejlesztőkészletből a felhőbe.

Miután az alkalmazás elkészült, a kártyán elhelyezett nRF9161 jelű egy tokba épített rendszer ARM alkalmazásfuttató processzorának programozása egyszerű. Első lépésként csatlakoztassa a fejlesztőkészletet a számítógéphez egy USB-kábellel, majd kapcsolja be a számítógépet. Az nRF Connect for VS Code bővítményben a fejlesztőnek az Actions View (Műveletek) nézetben a Flash (Flash memória) lehetőségre kell kattintania. Megjelenik egy értesítés, amely a programozás pillanatnyi állását mutatja, illetve igazolja a programozás befejezését.

A fejlesztőkészlet lehetővé teszi a fejlesztő számára az LTE-M-, az NB-IoT- és a DECT NR+ rádiófrekvenciás jel ellenőrzését is. A dolgok internetére kapcsolódó eszköz és a bázisállomás közötti kommunikációs hatótávolság minél nagyobbra növeléséhez elengedhetetlen a jó rádiófrekvenciás teljesítmény. A mérés elvégzéséhez kösse a fejlesztőkártyát a rajta lévő kis koaxiális csatlakozón (J1) keresztül egy spektrumanalizátorra (4. ábra).

4. ábra: Az nRF9161 DK fejlesztőkészlet rádiófrekvenciás jele a kártyát koaxiális kábellel egy spektrumanalizátorra kötve mérhető (ábra: Nordic Semiconductor)

Korszerű fejlesztőeszközök az nRF9161 DK fejlesztőkészlethez

Miután egy készülék programozása megtörtént, a Nordic két eszközt is kínál arra, hogy a fejlesztő ellenőrizhesse annak teljesítményét. Az első a Power Profiler Kit II (PPK2) (5. ábra). Ez az önálló egység 200 nA és 1 A közötti tartományban képes mérni a fejlesztőkészlet áramfelvételét, 100 nA és 1 mA közötti felbontással. A PPK2 akár 5 V tápfeszültséggel és 1 A áramerősséggel is képes táplálni a fejlesztőkészletet.

5. ábra: A PPK2 képes mérni az nRF9161 DK fejlesztőkészlet átlagos és pillanatnyi áramfelvételét egy alkalmazás futtatása közben (kép: Nordic Semiconductor)

A PPK2 az nRF Connect for Desktop szoftver részét képező Power Profiler alkalmazással használható. A fejlesztő az alkalmazás segítségével elemezheti az nRF9161 DK fejlesztőkészlet átlagos és pillanatnyi áramfelvételét egy alkalmazás futtatása közben. A leolvasások hosszabb időn keresztül is végezhetőek, de szükség esetén ezzel egyidejűleg egy egy ezredmásodperces időközt kinagyítva is megvizsgálhatunk. A mért adatok exportálhatók további feldolgozásra.

A fogyasztás elemzése lehetővé teszi a fejlesztő számára, hogy lássa, hol kell módosítani az alkalmazáskódot az energiatakarékosság érdekében, hogy meghosszabbítsa a készülék akkumulátorának üzemidejét (6. ábra).

6. ábra: Az nRF Connect for Desktop szoftver Power Profiler alkalmazása megjeleníti a fejlesztőkártyán futó alkalmazás futás közbeni áramfelvételét (ábra: Nordic Semiconductor)

A Nordic cég Cellular Monitor nevű eszköze segíti az alkalmazásfejlesztést, és az nRF Connect for Desktop szoftver támogatja az eszközt. A Cellular Monitor mutatja, hogy mit csinál az nRF9161 jelű egy tokba épített rendszer modemje, miközben a fejlesztőkészlet futtatja az alkalmazást. Az eszköz figyeli a hálózati teljesítményt, a fejlesztőkészlet állapotát és az adatátvitelt. Ezek az adatok lehetővé teszik a fejlesztő számára a modemforgalom elemzését és az alkalmazás teljesítményének optimalizálását. Az adatok egy soros terminálon jelennek meg.

Összegzés

Az LTE-M, az NB-IoT és a DECT NR+ LPWAN-hálózati technika megbízható, biztonságos és méretezhető nagy hatótávolságú kapcsolatot tesz lehetővé a dolgok internetére kapcsolódó eszközök számára, de a vezeték nélküli hardver- és szoftvereszközök fejlesztése nehézségeket jelenthet. A Nordic nRF9161 jelű egy tokba épített rendszer, az abba beágyazott protokollszoftver, valamint a fejlesztést segítő nRF9161 DK fejlesztőkészlet és alkalmazások nagymértékben csökkentik a tervezés bonyolultságát.