Bruke et kombinert LTE-M-, NB-IoT- og DECT NR+-utviklingssett for å komme i gang med en trådløs IoT-konstruksjon

Trådløse mobiltelefoniteknologier som LPWAN (Low-power wide-area network) for tingenes Internett (IoT – Internet of Things), for eksempel LTE-M-kommunikasjon (LTE-M – Long-Term Evolution Machine) og NB-IoT (NarrowBand-IoT), tilbyr en trådløs tilkoblingsrekkevidde på over en kilometer (km) for batteridrevne enheter som bruker eksisterende og velprøvd mobilinfrastruktur. Nye Radio+ (DECT NR+) er et lisensfritt LPWAN-alternativ for konstruksjoner som krever en mobillignende tilnærming for massive IoT-distribusjoner. Alle tre tilnærmingene kan være kompliserte å implementere for utviklere, selv for de med erfaring innen trådløs teknologi.

Det å arbeide med en løsningsleverandør som tilbyr forhåndssertifiserte produkter med integrert LTE-M-, NB-IoT- eller DECT NR+-protokollprogramvarestakk og automatiserte modemer, kan kompensere for LPWAN-designkompleksiteten. Slike løsninger gjør det mulig for utvikleren å fokusere mer på konstruksjonsdifferensiering og oppnå mål forbundet med å få ferdige produkter ut på markedet.

Denne artikkelen oppsummerer fordelene til LTE-M, NB-IoT og DECT NR+ for IoT-konnektivitet over store avstander, og tar for seg utfordringer forbundet med implementering. Den introduserer deretter en enhet med kombinert mobil IoT og DECT NR+ og et tilknyttet utviklingssett fra Nordic Semiconductor, og viser hvordan disse kan brukes til å ta fatt på disse utfordringene.

Derfor bør trådløs LTE-M, NB-IoT eller DECT NR+ brukes

For å være en grunnleggende del av det globale nettverket som danner Internett, må IoT-enheter være i stand til å kommunisere med skyen ved å bruke IP-protokollen uten å implementere kostbare gatewayer. I noen bruksområder, for eksempel landbruk, smartbyer og miljøovervåking, må kommunikasjon utføres over lange avstander og kreve minimalt med vedlikehold. Sistnevnte betyr lavt strømforbruk for å maksimere batterilevetiden.

LTE-M og NB-IoT tilbyr en mobiltelefoniløsning for disse utfordringene. De er basert på spesifikasjoner angitt av 3GPP, så de er IP-driftskompatible og gir rekkevidde på en kilometer eller mer. LTE-M og NB-IoT er virksomme i frekvensbånd på henholdsvis 698–960 MHz og 1710–2200 MHz. De tekniske detaljene for LTE-M og NB-IoT er oppsummert i tabell 1.

Tabell 1: Her vises en sammenligning mellom LTE-M og NB-IoT. (Bildekilde: Nordic Semiconductor)

DECT NR+ gir et alternativ for konstruksjoner som krever konnektivitet over lange avstander, uten noen lisensavgift. Den er basert på 5G-spesifikasjoner, er virksom i 1900 MHz-båndet, kan støtte LPWAN-er med høy tetthet og er egnet for maskin-til-maskin-kommunikasjon (M2M) og overvåking av luftkvalitet i hele byer.

Forenkle RF-konstruksjon

Implementering av RF-konstruksjoner er utfordrende for mange utviklere, og kan ofte kompromittere den planlagte tiden det tar å få det ferdige produktet ut på markedet. Noen maskinvareutfordringer kan imidlertid overvinnes ved å velge en integrert løsning som skjuler mye av kompleksiteten. Et eksempel er Nordic Semiconductors nRF9161 SIP-kapsling (SiP – system-in-package) (figur 1).

SiP har en Arm^® Cortex^®-M33-prosessor dedikert til brukerorientert programvare (application software) og et modem som støtter LTE-M-, NB-IoT- og DECT NR+ RF-grensesnitt. Den inkluderer også en RF-front-end (RFFE) og et strømstyringssystem, alt i en LGA-kapsling (LGA – land grid array) på 16,0 x 10,5 x 1,04 millimeter (mm). Modemet støtter IPv4/IPv6 og krypterte trådløse FOTA-oppdateringer (FOTA – firmware-over-the-air). Konstruksjonsprosessoren støttes av 1 megabyte (MB) flashminne og 256 kilobyte (kB) RAM.

Figur 1: nRF9161 SiP har en Arm Cortex-M33-prosessor, LTE-modem, RFFE, minne og strømstyring. (Bildekilde: Nordic Semiconductor)

SiP har også en GNSS-mottaker for bruksområder som posisjonssporing. Grensesnitt og eksterne enheter inkluderer en 12-bits analog-til-digital-omformer (ADC – analog-to-digital converter), sanntidsklokke (RTC – real-time clock), SPI-grensesnitt (SPI – serial peripheral interface), inter-integrert krets (I²C – Inter-Integrated Circuit), inter-IC-lyd (I²S – Inter-IC Sound), universell asynkron mottaker/sender (UART – Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), pulstetthetsmodulasjon (PDM – pulse density modulation) og pulsbreddemodulasjon (PWM – pulse width modulation). SiP-en muliggjør utvikling av en mobilløsning eller DECT NR+ IoT-løsning ved å bruke en enkelt enhet, en antenne, et batteri, SIM eller eSIM og en sensor (figur 2).

Figur 2: nRF9161 SiP-en er en svært integrert konnektivitetsløsning for mobil (LTE-M, NB-IoT) og DECT NR+ IoT. (Bildekilde: Nordic Semiconductor)

Utfordringer forbundet med programvareutvikling

Utfordringene knyttet til RF IoT-utvikling omfatter også programvaren. Mobiltelefonistakkene og DECT NR+-stakkene er store og svært komplekse. Å bygge en av disse fra bunnen av krever protokollspesialister. Når det gjelder LTE-M og NB-IoT, må utvikleren implementere mobilspesifikke avbruddskommandoer (AT – attention) når stakken er bygget og testet. Dette er grunnlaget for kommunikasjon mellom et hvilket som helst mobilmodem og vertsstyringen. De brukes hovedsakelig til å konfigurere og feilsøke modemet og aktivere nettverkstilkobling via mobilnettverksoperatører (MNO – mobile network operator).

Nordic forenkler problemer forbundet med programvarekoding ved å levere en velprøvd og stabil LTE-M-stakk som er forhåndsprogrammert i SiP-modemet. I tillegg håndterer Nordics Serial LTE Modem-applikasjon AT-kommandoer som instruerer modemet til å sende og motta data.

Utover de tekniske utfordringene, må mobilmodemer også oppfylle strenge regionspesifikke sertifiserings- og forskriftskrav. Disse omfatter globale sertifiseringer for å sikre kompatibilitet med LTE-spesifikasjonene, slik at sluttenheten kan kommunisere på tvers av LTE-M- eller NB-IoT-nettverk. I tillegg har noen mobilnettverksoperatører (MNO-er) sine egne sertifiseringskrav.

Igjen har Nordic forenklet utviklerens byrde ved å forhåndssertifisere nRF9161 SiP-en til å fungere i de mest kritiske regionene, nøkkelnettverkene og de primære LTE-båndene på disse nettverkene.

Bruke nRF9161-utviklingssettet

Mens nRF9161 SiP-en forenkler noen utfordringer forbundet med kritisk maskinvare og programvare knyttet til mobil IoT- og DECT NR+-utvikling, kreves det fortsatt innsats å lage en fungerende prototype. For å fremskynde konstruksjonsprosessen, tilbyr Nordic nRF9161 DK-utviklingssettet (figur 3) og en pakke med programvareverktøy. Verktøyene ledes av selskapets nRF Connect SDK, et enhetlig utviklingsmiljø for Nordics trådløse løsninger.

Utviklingssettet inkorporerer SiP-en og inkluderer den nødvendige kretsen for å muliggjøre en fullt funksjonell prototype. Settet har en dedikert LTE-M/NB-IoT- og DECT NR+-antenne og en integrert patchantenne for GNSS. Programmering og feilsøking muliggjøres via den integrerte SEGGER J-Link, og settet leveres med et SIM-kort forhåndslastet med data. Den støtter også bruken av programvare-SIM, noe som reduserer strømforbruket ytterligere.

Figur 3: nRF9161 DK inkluderer nRF9161 SiP-en for LTE-M, NB-IoT og DECT NR+, og kommer med LPWAN- og GNSS-antenner, en integrert SEGGER J-Link for programmering og feilsøking og et forhåndslastet SIM-kort. (Bildekilde: Nordic Semiconductor)

For å komme i gang med utviklingen av nRF9161-settet, må SIM-kortet være innsatt (eller eSIM-en være aktivert), PROG/DEBUG SW10-bryteren satt til «nRF91», og settet må være koblet til en stasjonær datamaskin ved å bruke en mikro-USB 2.0-kabel. Utviklingssettet krever et Windows-, macOS- eller Ubuntu Linux-operativsystem (OS).

Det neste trinnet er å installere Nordics nRF Connect for Desktop og aktivere programvaren. Derfra er det mulig å installere hurtigstartprogrammet, et verktøy som veileder gjennom oppsett- og installasjonsprosedyrer. Programvaren forenkler oppdatering av utviklingssettets fastvare og aktivering av SIM-kortet. For å overføre data fra settet til skyen, kan utvikleren konfigurere en Nordic nRF Cloud-konto eller koble til andre skytjenester.

Hurtigstartprogrammet vil deretter lede utvikleren til Nordics nRF Connect SDK. SDK-en fungerer med Visual Studio Code, et populært integrert utviklingsmiljø (IDE – integrated development environment), som bruker Nordics nRF Connect for VS Code-utvidelse. SDK-en brukes til å utvikle applikasjoner og inkluderer nyttige eksempler som for eksempel å innhente posisjonen til en enhet ved å bruke GNSS-, mobil- eller Wi-Fi-posisjonering, og å overføre sensordata fra nRF9161-settet til skyen.

Når applikasjonen er bygget, er det enkelt å programmere den integrerte nRF9161 SiP-ens ARM-applikasjonsprosessor. Det første trinnet er å koble settet til en datamaskin ved å bruke en USB-kabel og slå den på. Fra nRF Connect for VS Code-utvidelsen må utvikleren klikke på «Flash»-alternativet i «Handlingsvisning» (Action View). En varsling som viser programmeringsfremdriften og bekrefter fullføring, vises.

Utviklingssettet gjør det også mulig for utvikleren å kontrollere LTE-M-, NB-IoT- eller DECT NR+ RF-signalet. God RF-ytelse er veldig viktig for å maksimere kommunikasjonsområdet mellom IoT-enheten og basestasjonen. For å utføre målingen, monteres en kabel mellom den lille koaksialkontakten (J1) på settet og en spektrumanalysator (figur 4).

Figur 4: RF-signalet til nRF9161-utviklingssettet kan måles ved å koble det til en spektrumanalysator med en koaksialkabel. (Bildekilde: Nordic Semiconductor)

Avanserte utviklingsverktøy for nRF9161 DK

Når en applikasjon er programmert, tilbyr Nordic to verktøy som gjør det mulig for utvikleren å observere ytelsen. Det første er Power Profiler Kit II (PPK2) (figur 5). Denne frittstående enheten kan måle utviklingssettets strømforbruk over et område fra 200 nanoampere (nA) til 1 ampere (A), med en oppløsning som varierer mellom 100 nA og 1 milliampere (mA). PPK2 kan også forsyne utviklingssettet opptil 5 volt ved 1 A.

Figur 5: PPK2 kan måle det gjennomsnittlige og umiddelbare strømforbruket til nRF9161-utviklingssettet når en applikasjon kjøres. (Bildekilde: Nordic Semiconductor)

PPK2 brukes med en Power Profiler-app, som er en del av nRF Connect for Desktop-programvaren. Utvikleren kan bruke appen til å analysere det gjennomsnittlige og umiddelbare strømforbruket til nRF9161-settet når en applikasjon kjøres. Avlesninger kan tas over en lengre varighet, samtidig som det kan zoome inn på et millisekundintervall om nødvendig. De målte dataene kan eksporteres for videre behandling.

Strømforbruksanalysen gjør det mulig for utvikleren å se hvor applikasjonskoden kan endres for å spare strøm, slik at konstruksjonens batterilevetid forlenges (figur 6).

Figur 6: Power Profiler-appen i nRF Connect for Desktop viser applikasjonens nåværende forbruk mens den kjører. (Bildekilde: Nordic Semiconductor)

Nordics Cellular Monitor-verktøy hjelper til med utviklingen av applikasjoner og støttes av nRF Connect for Desktop-programvaren. Skjermen viser hva nRF9161 SiP-modemet gjør når utviklingssettet kjører applikasjonen. Dette inkluderer nettverksytelse, enhetsstatus og dataoverføring. Disse detaljene gjør det mulig for utvikleren å analysere modemtrafikk og optimalisere applikasjonsytelsen. Informasjonen vises på en seriell terminal.

Konklusjon

LTE-M-, NB-IoT- og DECT NR+ LPWAN-teknologiene støtter pålitelig, sikker og skalerbar konnektivitet over store avstander for IoT-enheter, men det kan være utfordrende å utvikle trådløs maskinvare og programvareenheter. Nordics nRF9161 SiP, en integrert protokollprogramvare med støtte for nRF9161 DK-utviklingssettet og -apper, reduserer mye av konstruksjonskompleksiteten.