Brug et LTE-M-, NB-IoT- og DECT NR+-kombinationsudviklingssæt til at kickstarte et trådløst IoT-design

LPWAN (Low Power Wide Area Network) trådløse mobilnetværkteknologier til Internet of Things (IoT), såsom LTE-M (Long-Term Evolution Machine Type Communication) og NB-IoT (NarrowBand-IoT), tilbyder over en kilometer (km) trådløs forbindelsesrækkevidde for batteridrevne enheder ved hjælp af eksisterende og gennemprøvet cellulær infrastruktur. New Radio+ (DECT NR+) er et licensfrit LPWAN-alternativ til applikationer, der kræver en mobillignende tilgang til massive IoT-implementeringer. Alle tre tilgange kan være komplekse at implementere for udviklere, selv for dem, der har erfaring med kortdistance trådløse systemer.

Samarbejde med en løsningsudbyder, der tilbyder præcertificerede produkter med integrerede LTE-M-, NB-IoT- eller DECT NR+-protokolsoftwarestakke og automatiserede modemer, kan opveje kompleksiteten i LPWAN-designet. Sådanne løsninger gør det muligt for udvikleren at fokusere mere på applikationsdifferentiering og nå deres time-to-market-mål.

Denne artikel opsummerer fordelene ved LTE-M, NB-IoT og DECT NR+ til langtrækkende IoT-forbindelser og diskuterer implementeringsudfordringer. Derefter introduceres en kombination af cellulær IoT og DECT NR+-enhed og tilhørende udviklingskit fra Nordic Semiconductor, og det vises, hvordan de kan bruges til at overvinde disse udfordringer.

Hvorfor bruge LTE-M, NB-IoT eller DECT NR+ trådløst?

For at være en grundlæggende del af det globale netværk, der udgør internettet, skal IoT-enheder kunne kommunikere med skyen ved hjælp af Internet Protocol (IP) uden brug af dyre gateways. I nogle applikationer, som f.eks. landbrug, smart-byer og miljøovervågning, skal kommunikationen foregå over lange afstande og kræve minimal vedligeholdelse. Sidstnævnte betyder lavt strømforbrug for at maksimere batteriets levetid.

LTE-M og NB-IoT tilbyder en mobil løsning på disse udfordringer. De er baseret på specifikationer fastsat af 3GPP, så de har IP-interoperabilitet og har en rækkevidde på over en kilometer. LTE-M og NB-IoT opererer i frekvensbånd fra henholdsvis 698 megahertz (MHz) til 960 MHz og 1710 MHz til 2200 MHz. De tekniske detaljer om LTE-M og NB-IoT er opsummeret i tabel 1.

Tabel 1: Her vises en sammenligning mellem LTE-M og NB-IoT. (Billedkilde: Nordic Semiconductor)

DECT NR+ er et alternativ til applikationer, der kræver langtrækkende forbindelse uden licensafgift. Den er baseret på 5G-specifikationer, fungerer i 1900 MHz-båndet, kan understøtte LPWAN'er med høj tæthed og er velegnet til maskine-til-maskine-kommunikation (M2M) og overvågning af luftkvaliteten i hele byen.

Forenkling af RF-design

Implementering af RF-designs er en udfordring for mange udviklere og kan ofte gå ud over tidsplanen for markedsføring. Nogle hardwareudfordringer kan dog overvindes ved at vælge en integreret løsning, der skjuler en stor del af kompleksiteten. Et eksempel er Nordic Semiconductors nRF9161 system-i-pakke (figur 1).

SiP'en indeholder en Arm^® Cortex^®-M33-processor dedikeret til applikationssoftware og et modem, der understøtter LTE-M, NB-IoT og DECT NR+ RF-grænseflader. Den indeholder også en RFFE (RF-front-end) og et strømstyringssystem, alt sammen i en 16,0 x 10,5 x 1,04 millimeter (mm) LGA-pakke (land grid array). Modemet understøtter IPv4/IPv6 og krypterede FOTA (Firmware-Over-The-Air)-opdateringer. Applikationsprocessoren understøttes af 1 megabyte (Mbyte) flashhukommelse og 256 kilobyte (Kbyte) RAM.

Figur 1: nRF9161 SiP indeholder en Arm Cortex-M33-processor, LTE-modem, RFFE, hukommelse og strømstyring. (Billedkilde: Nordic Semiconductor)

SiP'en har også en GNSS-modtager til applikationer som f.eks. lokaliseringssporing. Grænseflader og periferiudstyr omfatter en 12-bit analog-til-digital-konverter (ADC), realtids-clock (RTC), seriel perifer interface (SPI), inter-integreret kredsløb (I²C), inter-IC-lyd (I²S), universel asynkron modtager/sender (UART), pulstæthedsmodulation (PDM) og pulsbreddemodulation (PWM). SiP'en gør det muligt at udvikle en mobil- eller DECT NR+ IoT-løsning ved hjælp af en enkelt enhed, en antenne, et batteri, et SIM-kort eller eSIM-kort og en sensor (figur 2).

Figur 2: nRF9161 SiP er en højt integreret mobil- (LTE-M, NB-IoT) og DECT NR+ IoT-forbindelsesløsning. (Billedkilde: Nordic Semiconductor)

Udfordringer med softwaredesign

Udfordringerne ved RF IoT-design strækker sig til softwaren. Mobil- og DECT NR+-stakke er store og meget komplekse; det kræver protokolspecialister at bygge dem op fra bunden. Når det gælder LTE-M og NB-IoT, skal udvikleren implementere mobilspecifikke AT-kommandoer, når stakken er bygget og testet. Disse er grundlaget for kommunikationen mellem ethvert mobilmodem og dets host controller. De bruges hovedsageligt til at konfigurere og fejlfinde modemet og aktivere netværksforbindelse via mobilnetværksoperatører (MNO'er).

Nordic letter problemer med softwarekodning ved at levere en gennemprøvet og stabil LTE-M-stak, der er forprogrammeret i SiP'ens modem. Derudover håndterer Nordic’s Serial LTE Modem-applikation AT-kommandoer, der instruerer modemet i at sende og modtage data.

Ud over de tekniske udfordringer skal mobilmodemer også opfylde strenge regionsspecifikke certificerings- og reguleringskrav. Disse omfatter globale certificeringer for at sikre kompatibilitet med LTE-specifikationerne, så slutenheden kan kommunikere på tværs af LTE-M- eller NB-IoT-netværk. Derudover har nogle MNO'er deres egne certificeringskrav.

Igen har Nordic lettet udviklerens byrde ved at forhåndscertificere nRF9161 SiP'en til at fungere i de mest kritiske regioner, vigtigste netværk og vigtigste LTE-bånd på disse netværk.

Brug af nRF9161-udviklingskittet

Mens nRF9161 SiP letter nogle kritiske hardware- og softwareudfordringer i forbindelse med mobil IoT- og DECT NR+-udvikling, kræver det stadig en indsats at skabe en fungerende prototype. For at fremskynde designprocessen tilbyder Nordic nRF9161 DK-udviklingskittet (figur 3) og en række softwareværktøjer. Værktøjerne er anført af virksomhedens nRF Connect SDK, et samlet udviklingsmiljø for Nordic’s trådløse løsninger.

Udviklingskittet indeholder SiP'en og de nødvendige kredsløb til at skabe en fuldt funktionsdygtig prototype. Kittet har en dedikeret LTE-M/NB-IoT- og DECT NR+-antenne og en integreret patch-antenne til GNSS. Programmering og fejlfinding er mulig via den indbyggede SEGGER J-Link, og kittet leveres med et SIM-kort, der er forudindlæst med data. Den understøtter også brugen af et software-SIM, hvilket reducerer strømforbruget yderligere.

Figur 3: nRF9161 DK indeholder nRF9161 SiP til LTE-M, NB-IoT og DECT NR+ og har LPWAN- og GNSS-antenner, en indbygget SEGGER J-Link til programmering og fejlfinding samt et forudindlæst SIM-kort. (Billedkilde: Nordic Semiconductor)

For at komme i gang med at udvikle med nRF9161-kittet skal SIM-kortet sættes i (eller eSIM aktiveres), PROG/DEBUG SW10-kontakten sættes til "nRF91", og kittet skal tilsluttes en stationær computer ved hjælp af et mikro-USB 2.0-kabel. Udviklingskittet kræver et Windows-, macOS- eller Ubuntu Linux-operativsystem (OS).

Næste skridt er at installere Nordic's nRF Connect for Desktop og aktivere softwaren. Derfra er det muligt at installere lynstart-applikationen, et værktøj til guidede opsætnings- og installationsprocedurer. Softwaren gør det nemmere at opdatere udviklingskit-firmwaren og aktivere SIM-kortet. For at overføre data fra kittet til skyen kan udvikleren oprette en Nordic nRF Cloud-konto eller oprette forbindelse til andre skytjenester.

Lynstart-applikationen vil derefter henvise udvikleren til Nordic’s nRF Connect SDK. SDK'et fungerer med Visual Studio Code, et populært integreret udviklingsmiljø (IDE), ved hjælp af Nordic’s nRF Connect for VS Code-udvidelse. SDK'en bruges til at udvikle applikationer og indeholder nyttige eksempler som f.eks. at hente en enheds placering ved hjælp af GNSS-, mobil- eller Wi-Fi-positionering og overføre sensordata fra nRF9161-kittet til skyen.

Når applikationen er bygget, er det nemt at programmere den indbyggede nRF9161 SiP's Arm-applikationsprocessor. Det første skridt er at slutte kittet til en pc med et USB-kabel og tænde det. Fra nRF Connect for VS Code-udvidelsen skal udvikleren klikke på indstillingen "Flash" i "Actions View". Der vises en meddelelse, som viser programmeringsforløbet og bekræfter, at det er afsluttet.

Udviklingskittet giver også udvikleren mulighed for at kontrollere LTE-M-, NB-IoT- eller DECT NR+ RF-signalet. God RF-ydelse er afgørende for at maksimere kommunikationsrækkevidden mellem IoT-enheden og basestationen. For at foretage målingen monteres et kabel mellem det lille koaksiale stik (J1) på kittet og en spektrumanalysator (figur 4).

Figur 4: RF-signalet fra nRF9161 udviklingskittet kan måles ved at tilslutte det til en spektrumanalysator med et koaksialkabel. (Billedkilde: Nordic Semiconductor)

Avancerede udviklingsværktøjer til nRF9161 DK

Når en applikation er programmeret, tilbyder Nordic to værktøjer, der gør det muligt for udvikleren at observere dens ydeevne. Den første er Power Profiler Kit II (PPK2) (figur 5). Denne selvstændige enhed kan måle udviklingskittets strømforbrug i et område fra 200 nanoampere (nA) til 1 ampere (A) med en opløsning, der varierer mellem 100 nA og 1 milliampere (mA). PPK2 kan også levere op til 5 volt ved 1 A til udviklingskittet.

Figur 5: PPK2 kan måle det gennemsnitlige og øjeblikkelige strømforbrug i nRF9161 udviklingskittet, når der køres en applikation. (Billedkilde: Nordic Semiconductor)

PPK2 bruges med en Power Profiler-app, som er en del af nRF Connect for Desktop-softwaren. Udvikleren kan bruge appen til at analysere det gennemsnitlige og øjeblikkelige strømforbrug i nRF9161-kittet, når der køres et program. Der kan tages målinger over en længere periode, samtidig med at der zoomes ind på et millisekundinterval, hvis det er nødvendigt. De målte data kan eksporteres til videre behandling.

Strømforbrugsanalysen giver udvikleren mulighed for at se, hvor programkoden kan ændres for at spare strøm og forlænge designets batterilevetid (figur 6).

Figur 6: Power Profiler-appen i nRF Connect for Desktop viser applikationens strømforbrug, mens den kører. (Billedkilde: Nordic Semiconductor)

Nordics Cellular Monitor-værktøj hjælper med at udvikle applikationer og understøttes af nRF Connect for Desktop-softwaren. Skærmen viser, hvad nRF9161 SiP's modem gør, mens udviklingskittet kører applikationen. Dette omfatter netværksydelse, enhedsstatus og dataoverførsel. Disse detaljer gør det muligt for udvikleren at analysere modemtrafikken og optimere programmets ydeevne. Oplysningerne vises på en seriel terminal.

Konklusion

LTE-M, NB-IoT og DECT NR+ LPWAN-teknologier understøtter pålidelig, sikker og skalerbar langdistanceforbindelse til IoT-enheder, men det kan være en udfordring at udvikle trådløse hardware- og softwareenheder. Nordics nRF9161 SiP, indlejret protokolsoftware og understøttende nRF9161 DK udviklingskit og apps reducerer en stor del af designkompleksiteten.