A mobiltelefon-rendszerű IoT-projektek fejlesztésének gyors elindítása a Microchip IoT-fejlesztőkártyájával

A dolgok mobiltelefon-rendszerre épülő internete (mobiltelefon-rendszerű IoT) egy kis fogyasztású nagy kiterjedésű hálózatot (LPWAN) megvalósító technika, amely jól érthető és bevált megoldást kínál az intelligens városoktól a mezőgazdaságig és az infrastruktúra távfelügyeletéig terjedő felhasználási területekre szánt biztonságos és strapabíró IoT kialakításához. A mobiltelefon-rendszerű IoT azonban egy bonyolult technika, amely ijesztő lehet a tapasztalatlan tervezők számára, amikor belevágnak egy ilyen projektbe.

A mobiltelefon-rendszerű IoT tervezésével járó feladatok azonban egyszerűsíthetők, ha olyan mobiltelefon-rendszerű fejlesztőkártyákra alapozzák a projekteket, amelyek ismerős általános célú mikrovezérlőket (MCU) és integrált tervezési környezeteket (IDE) használnak. A nyílt forráskódú szoftverek kiterjedt tárházával és egyszerű érzékelőcsatlakozásokkal támogatott fejlesztőkártyák megkönnyítik a tervezők számára a mobiltelefon-rendszerű IoT-projektek elindítását a hardveres elrendezéstől egészen az adatok felhőbe küldéséig.

Ez a cikk röviden ismerteti a mobiltelefon-rendszerű IoT előnyeit, majd elmagyarázza azokat a bonyolult eljárásokat, amelyekkel a technika bevezetése járhat. Ezt követően arról esik szó, hogy a mobiltelefon-rendszerű IoT-fejlesztőkártyák használatával hogyan lehet kiküszöbölni ennek a bonyolultságnak a jelentős részét. Végül pedig azt írja le, hogyan lehet egy Microchip Technology fejlesztőkártyát úgy beállítani, hogy egyszerű szín- és hőmérsékleti adatokat küldjön a felhőbe.

Mi az a mobiltelefon-rendszerű IoT?

A mobiltelefon-rendszerű IoT kis fogyasztású mobiltelefon-rendszerű technikát használ az IoT-végberendezések (például érzékelők és működtetőelemek) felhőhöz csatlakoztatására. Ez egy LPWAN-technika (kis fogyasztású nagy kiterjedésű hálózat), amelyet több kilométeres hatótávolság, a nagy sűrűségben elhelyezkedő végkészülékek támogatása és kis átviteli teljesítmény jellemez.

Bár léteznek más LPWAN-technikák is – például a LoRaWAN (lásd: Accelerate LoRaWAN IoT Projects with an End-to-End Starter Kit (A LoRaWAN-os IoT-projektek felgyorsítása egy teljes körű kezdőkészlet segítségével)) és a Sigfox –, a mobiltelefon-rendszerű IoT kínál néhány kulcsfontosságú előnyt, többek között az alábbiakat:

• Időtállóság: Szabványként a mobiltelefon-rendszerű IoT műszaki jellemzői folyamatos felülvizsgálat és fejlesztés alatt állnak.
• Méretezhetőség: A mobiltelefon-rendszerű IoT képes támogatni az IoT gyors bevezetését a kialakított mobiltelefon-rendszerű architektúrát felhasználva.
• Szolgáltatásminőség (QoS): A mobiltelefon-rendszerű IoT nagy megbízhatóságot kínál, mert olyan kiforrott infrastruktúrán alapul, amely a nagy mennyiségben eladott kereskedelmi termékekben már bizonyított.
• IP-s együttműködési képesség: A végberendezések közvetlenül csatlakoztathatók a felhőhöz anélkül, hogy drága és bonyolult átjárókra lenne szükség.

A tervezőknek figyelembe kell venniük, hogy a mobiltelefon-rendszerű IoT esetében az adatátvitelhez folyamatos költségek kapcsolódnak. Az olyan vetélytárs technikák esetében, mint a LoRaWAN, nem ez a helyzet, azok az engedélyhez nem kötött frekvenciasávokat használják. A mobiltelefon-rendszerű IoT adatköltségei azonban csökkenő tendenciát mutatnak a versenynyomás és a peremhálózati számítástechnika egyre kiterjedtebb használata miatt, ami csökkenti a hálózaton keresztül küldött jelentéktelen adatok mennyiségét.

A mobiltelefon-rendszerű IoT-t a harmadik generációs partnerségi projekt (3GPP, Third Generation Partnership Project) által gondozott és frissített távközlési szabvány szabályozza. A 3GPP szabvány 13. kiadása kibővítette a két gép közötti (vagy más néven gép–gép, M2M) modemkategóriákat, hogy lehetővé tegye az IoT-kapcsolatokhoz alkalmas, kis költségű, kis fogyasztású és kis átviteli teljesítményű modemek használatát. A szabvány további kiadásai ezeknek az IoT-modemeknek a további fejlesztéseit eredményezték.

A mobiltelefon-rendszerű IoT-modemekkel felszerelt vezeték nélküli érzékelők több kilométerről tudnak adatokat küldeni a felhőbe anélkül, hogy drága és bonyolult átjárókra lenne szükség, azzal biztonsággal és szolgáltatásminőséggel, amelyről a mobiltelefon-hálózatok ismertek.

Az LTE-M és az NB-IoT közötti különbség

A mobiltelefon-rendszerű IoT kétféle formában létezik: M1 kategóriájú LTE (LTE-M) és keskeny sávú IoT (NB-IoT). Mindkét típust a dolgok internetére (IoT) és az ipari dolgok internetére (IIoT) jellemző korlátozott erőforrású, gyakran akkumulátorról működő eszközökkel való használatra tervezték. Mivel az IoT-modemek a meglévő mobiltelefonos infrastruktúrához csatlakoznak, mindegyikhez saját előfizető-azonosító modul (SIM) szükséges.

Az LTE-M a lecsupaszított LTE (4G) technikán alapul. Támogatja a biztonságos kommunikációt, a teljes területi lefedettséget és a nagy rendszerkapacitást. Az NB-IoT-hez képest kisebb a késleltetési ideje és nagyobb az átviteli sebessége, mivel viszonylag nagy sávszélességen (1,4 MHz) képes teljes duplex rendszerként működni. A nyersadat-átviteli teljesítmény letöltési irányban 300 kb/s, feltöltési irányban pedig 375 kb/s. A technika alkalmas végponttól végpontig biztonságos IP-kapcsolatok létrehozására, a mozgás közbeni használatot pedig az LTE-cellaátadási technikák támogatják. Az LTE-M alkalmas olyan mozgással járó felhasználási területeken való használatra, mint az eszközkövetés és az egészségügy.

Az NB-IoT-t elsősorban energiatakarékosságra, valamint az épületekben és a rádiófrekvencia használatára nem igazán alkalmas egyéb területeken való használatra tervezték. Az LTE-M-től eltérően nem az LTE fizikai rétegén (PHY) alapul. A modem bonyolultsága még az LTE-M-készülékekénél is kisebb, mivel az NB-IoT 200 kHz-es sávszélességet használ. Míg a nyersadat-átviteli sebesség szerény 60/30 kb/s, a hatótávolság jobb, mint az LTE-M esetében. Az NB-IoT alkalmas statikus alkalmazásokhoz is, például intelligens fogyasztásmérőkhöz, amelyeket a falak leárnyékolhatnak.

Kereskedelmi mobiltelefon-rendszerű IoT-modemek

Ma már számos kereskedelmi LTE-M/NB-IoT modem kapható. Ilyen például a Sequans Monarch 2 GM02S modulja. A készülék egyetlen termék rádiófrekvenciás bemeneti egységét támogatja, és így 20 globális LTE-sáv használatára alkalmas. Kis, 16,3 mm × 17 mm × 1,85 mm méretű, LGA-tokozású modulban kerül forgalomba. A modul megfelel a 3GPP szabvány 14. és 15. kiadásában leírt követelményeknek. A modem egyetlen 2,2–5,5 V-os tápfeszültségről táplálható, és az 1 mW-ra vonatkoztatott legnagyobb adóteljesítménye +23 dBm.

A GM02S támogatja a külső SIM-kártyát és az eSIM-et, valamint a beépített SIM-kártyákat is. Egy 50 Ω-os antennacsatlakozót is tartalmaz. A készüléket LTE-M/NB-IoT szoftvercsomaggal és a kereskedelmi felhőplatformokhoz való egyszerű csatlakozás érdekében a Sequan Cloud Connector szoftverrel szállítják (1. ábra).

1. ábra: A Sequans GM02S LTE-M/NB-IoT modem kis méretű tokozásban kapható, és egy kiforrott szoftvercsomag jár hozzá (kép: Sequans)

A mobiltelefon-rendszerű IoT jelentette tervezési kihívások

Bár a GM02S modem egy nagy integráltsági fokú eszköz, amelyet szoftvercsomaggal és felhőcsatlakozással szállítanak, még – amint ez minden kereskedelmi modemre elmondható – mindig jelentős fejlesztési munkára van szükség ahhoz, hogy egy IoT-eszköz problémamentesen küldhessen adatokat több kilométer távolságra a felhőbe.

A modemet kizárólag a végberendezés és a bázisállomás közötti kommunikációra tervezték. A modem vezérléséhez külön felügyeleti és célprocesszorra van szükség, amely az érzékelő szoftverének futtatása mellett a modemet is vezérli. Ezenkívül a tervezőnek át kell gondolnia az antennaáramkör(ök)et, az áramellátást és a végkészülék SIM-kártyával való ellátását is, hogy biztosítsa a mobilhálózathoz való problémamentes csatlakozást (lásd: How to Use Multiband Embedded Antennas to Save Space, Complexity, and Cost in IoT Designs (Többsávos beágyazott antennák használata IoT-eszközökhöz a bonyolultság csökkentése, valamint a hely- és költségtakarékosság érdekében)).

A hardvertervezésen túl némi kódolási ismeretre is szükség van ahhoz, hogy egy mobiltelefon-modul csatlakozni tudjon a hálózathoz, és adatokat fogadjon/küldjön. Ha az eszköz külső célmikrovezérlőt használ, az általában soros UART-kapcsolaton keresztül kommunikál a mobiltelefon-modullal (bár használnak más be- és kimeneti (I/O-) illesztőfelületeket is). A mobiltelefon-modemek vezérlésének szokványos eszközei az AT- („attention”, azaz „figyelem”) parancsok. A parancsok rövid szöveges karakterláncok sorozatából állnak, amelyek kombinálásával olyan műveletek végezhetők, mint a tárcsázás, a hívásmegszakítás és a kapcsolat paramétereinek módosítása.

Kétféle AT-parancs létezik: az alapszintű parancsok azok, amelyek nem a „+” jellel kezdődnek. Néhány példa ezekre: D (tárcsázás), A (hívásfogadás), H (hívásmegszakítás-vezérlés) és O (visszatérés online adatátviteli állapotba). A kiterjesztett parancsok azok, amelyek a „+” jellel kezdődnek. Például +CMGS (SMS-üzenet küldése), +CMGL (SMS-üzenetek listázása) és +CMGR (SMS-üzenetek olvasása) (lásd: Use a Cellular Module to Connect a Maker Project to the IoT (Mobiltelefon-modul használata saját projekteknek a dolgok internetéhez csatlakoztatására)).

Ezek az átgondolandó hardveres és szoftveres szempontok nagyon megbonyolíthatják a mobiltelefon-rendszerű IoT tervezését, ami a kevésbé tapasztalt tervezőknél lassíthatja a tervezés tempóját. Szerencsére a célmikrovezérlők és a mobiltelefon-rendszerű IoT-modemek gyártói mostanra összefogtak, hogy olyan hardver- és szoftvertervezési eszközöket kínáljanak, amelyek nagymértékben megkönnyítik az ebben a fontos LPWAN-technikában rejlő előnyök kihasználását.

A bonyolultság kiküszöbölése IoT-fejlesztőkártyákkal

A mobiltelefon-rendszerű IoT tervezésével járó feladatok kezelését jelentősen megkönnyíti, ha a prototípust egy erre a célra tervezett fejlesztőkártyára építjük. A fejlesztőkártya hardvere általában tartalmaz egy antennát, egy áramforrást, egy SIM-kártyát némi ingyenes adatforgalommal, egy célprocesszort és a jó rádiófrekvenciás teljesítményt biztosító hangolóhálózatokat. Ennek révén a tervezők komoly hardveres kiindulási alapot kapnak a projektjükhöz, és a készülék fejlesztésére összpontosíthatnak. A megfelelő fejlesztőkártya kiválasztásával a készülékfejlesztés akár egy ismerős integrált fejlesztőkörnyezetben (IDE-ben) is végezhető.

A mobiltelefon-rendszerű IoT-fejlesztőkártyák egyike a Microchip cég népszerű EV70N78A AVR-IoT mini mobiltelefon-rendszerű fejlesztőkártyája. Ez a hardverplatform a Microchip népszerű AVR128DB48 mikrovezérlője és a fentebb tárgyalt Sequans Monarch 2 GM02S mobiltelefon-modul köré épül. A mikrovezérlő egy 8 bites, 24 MHz-es eszköz. 128 kB flash-, 16 kB SRAM és 512 bájt EEPROM memóriával van ellátva, és 48 lábú tokban kerül forgalomba.

A fejlesztőkártya egy ATECC608B biztonsági elemet is tartalmaz. Az ATECC608B szerepe az LTE-M vagy NB-IoT hálózathoz való csatlakoztatás után a hardver hitelesítése a felhőben, hogy minden egyes kártyát egyedileg azonosítani lehessen.

Hogy a tervező dolgát még egyszerűbbé tegye, a Microchip fejlesztőkártyája egy 150 MB adatmennyiséggel feltöltött, aktiválásra kész Truphone SIM-kártyát is tartalmaz.

A fejlesztőkártya a következőket tartalmazza: öt felhasználói LED-et, két mechanikus gombot, egy 32,768 kHz-es kristályt, szín- és hőmérséklet-érzékelőket, egy Adafruit Feather-kompatibilis élcsatlakozót, egy Qwiic I²C csatlakozót, egy beágyazott hibakeresőt, egy USB-portot, akkumulátoros és külső áramellátási lehetőséget, valamint egy MCP73830 Li-ion-/Li-Po-akkumulátortöltőt töltésjelző LED-del (2. ábra).

2. ábra: Az AVR-IoT mini mobiltelefon-rendszerű fejlesztőkártya az AVR128DB48 mikrovezérlőn alapul, és egy SIM-kártyával és 150 MB felhasználható ingyenes adatforgalommal van ellátva (kép: Microchip Technology)

Egy mobiltelefon-rendszerű IoT-projekt elindítása

A mobiltelefon-rendszerű IoT célja az IoT-végberendezések, például érzékelők és működtetőelemek vezeték nélküli összekapcsolása, hogy azok az adataikat több kilométeres távolságra küldhessék a felhőbe. A Microchip fejlesztőkártyáján lévő mikrovezérlőbe gyárilag be van töltve egy belső vezérlőprogram (firmware-kép), és így a kártya egy bemutatóeszközt képez, amely lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy gyorsan csatlakozzanak a felhőhöz, és a fedélzeti hőmérséklet- és színérzékelők adatait egy felhőalapú védett környezetbe („homokozóba”) küldjék (amelyet az AWS üzemeltet).

Ahhoz, hogy a hardver készen álljon a fejlesztésre, egyszerűen csak be kell helyezni és aktiválni kell a SIM-kártyát, csatlakoztatni kell a külső antennát a fejlesztőkártyához, a kártya hibakereső USB-C-portját csatlakoztatni kell a számítógéphez, be kell olvasni a kártya alján lévő QR-kódot, vagy meg kell nyitni a háttértárat, és a CLICK-ME.HTM weblapon lévő hivatkozást követve fel kell keresni a fejlesztőkészlet weblapját.

A Github webhelyen elérhető Microchip IoT Provisioning Tool könnyen használható megoldást nyújt az AVR-IoT mini mobiltelefon-rendszerű fejlesztőkártyának a kiválasztott felhőszolgáltatóhoz történő beállításához, a hálózatszolgáltató beállításához és a mobiltelefonos frekvenciasávok kiválasztásához. (Ahhoz, hogy a védett környezetben futó bemutató belső vezérlőprogram – „demófirmware” – működjön, a fejlesztőkártyát az AWS Microchip védett környezetéhez kell beállítani.)

Miután a fejlesztők némi magabiztosságra tettek szert a bemutatóeszközzel, elkezdhetik saját eszközük elkészítését a fejlesztőkártya teljes Arduino IDE-támogatását kihasználva. Ez a támogatás egy AVR-IoT mobiltelefonos Arduino-könyvtáron alapul, amely a Github webhelyen érhető el. A könyvtár a nyílt forráskódú DxCore API-ra (alkalmazásprogramozási felületre) épül (3. ábra).

3. ábra: Az AVR-IoT mobiltelefonos IoT-könyvtár (narancssárga) tartalmazza a fejlesztőkártya (egyszerűsített formában zölddel ábrázolva) programozásához és vezérléséhez szükséges szoftvermodulokat (kép: Microchip Technology)

A beágyazott hibakereső (PKOB nano) teljes programozási támogatást nyújt az Arduino IDE környezethez. Nincs szükség külső eszközökre, és hozzáférést ad egy soros portos illesztőfelülethez (soros–USB híd) és két logikai elemzőcsatornához (hibakereső GPIO). Az AVR-IoT mini mobiltelefon-rendszerű fejlesztőkártyán lévő beágyazott hibakereső ember–gép közötti kommunikációs eszközként (HID) jelenik meg a gazdaszámítógép USB-alrendszerén. A nagyratörőbb projektekhez a fejlesztőkártya Qwiic- és Feather-kompatibilis élcsatlakozói lehetővé teszik a Sparkfun és az Adafruit által kínált kiegészítőkártyák széles választékával történő egyszerű bővítést (4. ábra).

4. ábra: Az AVR-IoT fejlesztőkártya blokkvázlata azt mutatja, hogy a gazdaszámítógéphez való csatlakozás a hibakereső USB-kapcsolatán, míg a célmikrovezérlő programozása a hibakereső UART-kapcsolatán keresztül történik. Itt jegyezzük meg, hogy az eszköz mikrovezérlője és a mobiltelefon-modem közötti kapcsolat szintén az UART-on keresztül valósul meg (kép: Microchip Technology)

Az alkalmazásprogramozás megkezdéséhez az Arduino IDE és a DxCore letöltésére és telepítésére van szükség. Ezután az Arduino IDE-t úgy kell beállítani, hogy engedje futni az AVR-IoT mobiltelefonos Arduino-könyvtárat (1. lista).

1. lista: Az Arduino IDE beállításai az AVR-IoT mobiltelefonos Arduino-könyvtár futtatásához (kódforrás: Microchip Technology)

Az IDE beállítása után a könyvtár telepíthető. Miután ez megtörtént, számos könyvtári mintaprogram érhető el a fejlesztőkártyához. A Visual Studio Code IDE környezetet ismerő tervezők használhatják azt az AVR-IoT fejlesztésre, feltéve, hogy telepítik az Arduino beépülő modult. A beágyazott hibakeresőn keresztül az IDE környezetek bármelyikében fejlesztett Arduino alkalmazáskód átvihető a fejlesztőkártya mikrovezérlőjére.

Teljesítménymérések végrehajtása

A mobiltelefon-rendszerű IoT-t kis fogyasztásúra tervezték, hogy meghosszabbítsa az akkumulátorról működő IoT-végberendezések üzemidejét. Emiatt fontos, hogy az alkalmazáskódot a minimális fogyasztásra optimalizáljuk.

A Microchip fejlesztőkártyán a kártya összes alkatrészének áramellátása öt átvágható vezetőcsíkon keresztül történik. Ezeket az átvágható vezetőcsíkokat áramerősség-mérési célokra is lehet használni. A kívánt áramkör áramerősségének méréséhez a vezetőcsíkot át kell vágni, és egy áramerősség-mérőt („ampermérőt”) kell csatlakoztatni a furatokba (5. ábra).

5. ábra: Az AVR-IoT fejlesztőkártyán lévő átvágható vezetőcsíkok segítségével mérhető a kulcsfontosságú áramkörök fogyasztása (kép: Microchip Technology)

A fejlesztőkártyán található egy rendszerfeszültség-mérő áramkör is, amely a MIC94163 kapcsolót és egy feszültségosztót használ, amely a mikrovezérlő egyik analóg-digitális átalakítóhoz tartozó (ADC-) lábához csatlakozik, lehetővé téve az igény szerinti mérést, és megakadályozva a kúszóáramok létrejöttét a feszültségosztón keresztül. A rendszerfeszültség méréséhez kövesse az alábbi lépéseket:

1. Állítsa be az analóg-digitális átalakító referenciafeszültségét.
2. A feszültségosztó engedélyezéséhez állítsa magas értékűre a mikrovezérlő általános célú be- és kimenete (GPIO) rendszerfeszültség-mérést engedélyező lábának (PB3) jelét.
3. Állítsa be a mikrovezérlő ADC0-rendszerfeszültség-mérő lábát (PE0) az analóg-digitális átalakító bemeneteként.
4. Futtasson egy egyvégű analóg-digitális átalakítást (ADC).
5. Számítsa ki a feszültséget az alábbi egyenlet segítségével: V = az analóg-digitális átalakítás eredménye × V_REF × 4/az analóg-digitális átalakító felbontása.

Végezetül a tápfeszültség mérése is egyszerű az alábbi lépésekkel:

1. Állítsa be az analóg-digitális átalakító referenciafeszültségét.
2. Válassza ki a V_DD vagy a V_DDIO2 feszültség értékét az analóg-digitális átalakító pozitív bemenőjeleként. (A V_DD és a V_DDIO2 a mikrovezérlő analóg-digitális átalakítójának rendelkezésre álló belső bemeneti csatornája.)
3. Futtasson egy egyvégű analóg-digitális átalakítást (ADC).
4. Számítsa ki a feszültséget az alábbi egyenlet segítségével: V = az analóg-digitális átalakítás eredménye × V_REF × 10/az analóg-digitális átalakító felbontása.

Összegzés

A mobiltelefon-rendszerű IoT egy népszerű LPWAN (kis fogyasztású nagy kiterjedésű hálózat), amelyben egyre nagyobb kereskedelmi lehetőségek rejlenek. A mobiltelefon-rendszerű IoT-re épülő végberendezések tervezése azonban hardveres és szoftveres szakértelmet egyaránt igényel. A tervezők számára az új mobiltelefon-rendszerű IoT-fejlesztőkártyák, mint például a Microchip EV70N78A AVR-IoT mini mobiltelefon-rendszerű fejlesztőkártya, gyors prototípus-fejlesztést tesznek lehetővé.

A fejlesztőkártya egy csúcskategóriás LTE-M/NB-IoT modem és egy népszerű Microchip mikrovezérlő köré épül. Az alkalmazáskód fejlesztése tovább egyszerűsödik az Arduino vagy a Visual Studio Code IDE használatával.