Cum și de ce să lansăm proiecte IoT celulare utilizând placa de dezvoltare IoT de la Microchip

IoT Celular (Cellular Internet of Things), o tehnologie LPWAN (Low Power Wide Area Network), oferă o soluție certă și dovedită către un IoT sigur și robust pentru aplicații care variază de la orașe inteligente până la agricultură și monitorizarea infrastructurii de la distanță. Cu toate acestea, IoT Celular este o tehnologie complexă, descurajantă pentru proiectanții neexperimentați care se lansează într-un proiect.

Totuși, provocările legate de proiectarea IoT celulară pot fi ușurate dacă proiectele se bazează pe plăci de dezvoltare care utilizează microcontrolere de uz general (MCU) și medii integrate de proiectare (IDE) familiare. Susținute de biblioteci de software cu sursă deschisă și de o conectare simplă a senzorilor, aceste plăci de dezvoltare facilitează proiectantului începerea proiectelor IoT celulare, de la configurarea hardware până la trimiterea datelor în cloud.

IoT celular utilizează tehnologia celulară de joasă putere pentru a conecta dispozitivele finale IoT (cum ar fi senzorii și actuatoarele) la cloud. Este o tehnologie LPWAN caracterizată de o rază de acțiune de peste un kilometru, care acceptă dispozitive finale de mare densitate și un debit redus.

Deși există și alte tehnologii LPWAN − în special LoRaWAN (consultați “Accelerate LoRaWAN IoT Projects with an End-to-End Starter Kit” [https://www.digikey.co.uk/en/articles/accelerate-lorawan-iot-projects-with-an-end-to-end-starter-kit]) și Sigfox − IoT celular oferă câteva avantaje cheie, printre care:

• Anticiparea viitorului: Fiind un standard, specificația pentru IoT celular este revizuită și dezvoltată în permanență
• Scalabilitate: IoT celular poate sprijini implementarea rapidă a aplicațiilor IoT printr-o arhitectură celulară consacrată.
• Calitatea serviciului (QoS): IoT celular oferă o fiabilitate ridicată, deoarece se bazează pe o infrastructură dovedită și matură în aplicații comerciale de volum mare.
• Interoperabilitate IP: Dispozitivele finale pot fi conectate direct la cloud fără a fi nevoie de gateway-uri costisitoare și complexe.

Proiectanții trebuie să țină cont de faptul că, în cazul IoT celular, există o cheltuială continuă asociată cu transferul de date. Acest lucru nu este valabil în cazul tehnologiilor concurente, cum ar fi LoRaWAN, care utilizează spectrul de frecvențe fără licență. Cu toate acestea, cheltuielile pentru datele IoT celulare au o tendință de scădere datorită presiunilor concurențiale și a procesării locale a datelor (edge computing), ceea ce reduce volumul de date nesemnificative trimise prin rețea.

IoT celular este guvernat de un standard de telecomunicații reglementat și actualizat de 3GPP (Third Generation Partnership Project). Versiunea 13 a standardului 3GPP a extins categoriile de modemuri M2M (machine-to-machine) pentru a permite modemuri ieftine, cu consum mic de putere și debit redus, potrivite pentru conectivitate IoT. Versiunile ulterioare ale standardului au dus la îmbunătățiri suplimentare ale acestor modemuri IoT.

Senzorii wireless echipați cu modemuri IoT celulare pot trimite date către cloud pe distanțe de mai mulți kilometri, fără a fi nevoie de gateway-uri costisitoare și complexe, beneficiind, totodată, de securitatea și calitatea serviciului (QoS) pentru care este cunoscută tehnologia celulară.

Diferența dintre LTE-M și NB-IoT

IoT celular vine în două forme, LTE categoria M1 (LTE-M) și IoT de bandă îngustă (NB-IoT). Ambele tipuri au fost proiectate pentru a fi utilizate cu dispozitive cu resurse limitate, adesea alimentate de la baterii, care sunt tipice pentru IoT și Industrial IoT (IIoT). Deoarece modemurile IoT se conectează la o infrastructură celulară consacrată, fiecare dintre acestea necesită propriul SIM (Subscriber Identity Module).

LTE-M se bazează pe tehnologia simplificată LTE (4G). Aceasta suportă comunicații securizate, acoperire omniprezentă și capacitate mare a sistemului. Abilitatea sa de a opera ca un sistem full-duplex pe o lățime de bandă relativ mare [1,4 MHz] îmbunătățește latența și debitul în comparație cu NB-IoT. Debitul de date brute este de 300 Kbiți/s pentru downlink și de 375 Kbiți/s pentru uplink. Tehnologia este potrivită pentru conexiuni IP securizate de la un capăt la altul, iar mobilitatea este asigurată de tehnicile de transfer de celule LTE. LTE-M este potrivită pentru aplicații mobile, cum ar fi urmărirea activelor sau asistența medicală.

NB-IoT a fost creată în principal pentru eficiență energetică și pentru o mai bună penetrare în clădiri și în alte zone neprietenoase cu RF. Spre deosebire de LTE-M, acesta nu se bazează pe stratul fizic LTE (PHY). Complexitatea modemului este chiar mai mică decât cea a unui dispozitiv LTE-M, deoarece NB-IoT utilizează o lățime de bandă de 200 kHz. În timp ce debitul de date brute este modest, de 60/30 Kbiți/s, raza de acțiune este mai bună decât cea a LTE-M. NB-IoT este potrivită pentru aplicații statice, cum ar fi contoarele inteligente care ar putea fi obturate de pereți.

Modemuri IoT celulare comerciale

Figura 1: Modemul GM02S LTE-M/NB-IoT de la Sequans este livrat într-o capsulă compactă și cu o stivă software avansată. (© Sequans)

O gamă de modemuri comerciale LTE-M/NB-IoT este disponibilă acum. Un exemplu este modulul Monarch 2 GM02S de la Sequans. Dispozitivul suportă un singur front-end RF de tip SKU (Stock Keeping Unit) adaptat pentru 20 dintre benzile LTE globale. Acesta este livrat într-un modul LGA compact care măsoară 16,3 × 17 × 1,85 mm. Modulul îndeplinește cerințele 3GPP Versiunea 14/15. Alimentat de la o singură sursă de alimentare de 2,2 până la 5,5 volți, modemul este capabil de o putere maximă de transmisie de +23 decibeli, raportată la 1 miliwatt (mW) (dBm).

GM02S suportă un SIM extern și eSIM, precum și SIM-uri integrate. Este inclusă o interfață de antenă de 50Ω. Dispozitivul este livrat cu o stivă software LTE-M/NB-IoT și cu software-ul Cloud Connector de la Sequan pentru a facilita conectarea la platformele cloud comerciale (figura 1).

Provocări privind proiectarea IoT celulară

Deși modemul GM02S este un dispozitiv înalt integrat, furnizat cu o stivă software și conectivitate la cloud, la fel ca toate modemurile comerciale, încă mai este nevoie de o muncă de dezvoltare considerabilă înainte ca o aplicație IoT să trimită fără probleme date pe kilometri întregi către cloud.

Modemul a fost proiectat doar pentru a se ocupa de comunicația dintre dispozitivul final și stația de bază. Este nevoie de un procesor separat de supervizare și de aplicație pentru a controla modemul și, în același timp, pentru a rula software-ul aplicației pentru senzori. În plus, proiectantul trebuie să ia în considerare și circuitul (circuitele) de antenă, sursa de alimentare și echiparea unui dispozitiv final cu un SIM pentru a asigura o conectivitate fără întreruperi cu rețeaua celulară (consultați How to Use Multiband Embedded Antennas to Save Space, Complexity, and Cost in IoT Designs

Dincolo de proiectarea hardware, sunt necesare anumite abilități de programare pentru ca un modul celular să se conecteze la rețea și să primească/transmită date. În cazul în care proiectul utilizează un microcontroler de aplicație extern, acesta comunică, de obicei, cu modulul celular printr-o conexiune serială UART (deși sunt utilizate și alte interfețe I/O). Comenzile AT (“attention”) sunt mijloacele standard de control al unui modem celular. Comenzile cuprind o serie de șiruri scurte de text, care pot fi combinate pentru a realiza operații precum apelarea, închiderea și modificarea parametrilor conexiunii.

Există două tipuri de comenzi AT:

• Comenzile de bază, sunt cele care nu încep cu “+”. De exemplu, “D” (Dial), “A” (Answer), “H” (Hook control) și “O” (Return to online data state).
• Comenzile extinse sunt cele care încep cu “+”. De exemplu, “+CMGS” (Trimite mesaj SMS), “+CMGL” (Listează mesaje SMS) și “+CMGR” (Citește mesaje SMS) (consultați Use a Cellular Module to Connect a Maker Project to the IoT [https://www.digikey.co.uk/en/articles/use-a-cellular-module-to-connect-a-maker-project-to-the-iot]).

Aceste considerații hardware și software generează o complexitate a IoT celulară care ar putea încetini ritmul procesului în cazul proiectanților mai puțin experimentați. Din fericire, producătorii de microcontrolere de aplicații și de modemuri IoT celulare s-au reunit acum pentru a oferi instrumente de proiectare hardware și software care facilitează considerabil valorificarea acestei importante tehnologii LPWAN.

Eliminarea complexității cu ajutorul plăcilor de dezvoltare IoT

Abordarea provocărilor legate de proiectarea IoT celulară este considerabil ușurată prin construirea unui prototip pe o placă de dezvoltare special creată. Hardware-ul plăcii de dezvoltare include, de obicei, o antenă, o sursă de alimentare, o cartelă SIM cu o anumită cantitate de date gratuite, un procesor de aplicații și rețele de tuning pentru a asigura o bună performanță RF. În acest fel, proiectanții dispun de un start hardware solid pentru proiectul lor și pot să se concentreze pe dezvoltarea aplicației. Cu alegerea corectă a plăcii de dezvoltare, conceperea aplicației poate fi realizată chiar și într-un IDE familiar.

Figura 2: Placa de dezvoltare AVR-IoT Cellular Mini se bazează pe microcontrolerul AVR128DB48 și este livrată cu o cartelă SIM și 150 MB de date. (© Microchip Technology)

Un exemplu de placă de dezvoltare IoT celulară populară este EV70N78A AVR-IoT Cellular Mini Development Board de la Microchip. Aceasta este o platformă hardware bazată pe popularul microcontroler AVR128DB48 de la Microchip și pe modulul celular Monarch 2 GM02S de la Sequans, prezentat mai sus. Microcontrolerul este un dispozitiv pe 8-biți, 24 MHz. Are 128 de kiloocteți (Kbytes) de memorie flash, 16 Kbytes de SRAM, 512 octeți de EEPROM și este livrat într-o capsulă cu 48-pini.

Placa de dezvoltare integrează, de asemenea, un element securizat ATECC608B; odată conectat la o rețea LTE-M sau NB-IoT, ATECC608B este utilizat pentru a autentifica hardware-ul cu cloud-ul pentru a identifica, exclusiv, fiecare placă.

Pentru a ușura și mai mult lucrurile pentru proiectant, placa de dezvoltare de la Microchip include, de asemenea, o cartelă SIM Truphone pregătită pentru activare, cu 150MB (Mbytes) de date.

Placa de dezvoltare dispune de cinci LED-uri pentru utilizator, două butoane mecanice, un cristal de 32,768 kHz, senzori de culoare și temperatură, un conector de margine (edge) compatibil Adafruit Feather, un conector I2C Qwiic, un depanator, un port USB, opțiuni de alimentare de la baterie și de la o intrare externă, precum și un încărcător de baterii Li-ion/Li-po MCP73830 cu LED de stare de încărcare (figura 2).

Începerea unui proiect IoT celular

Scopul IoT celular este de a conecta wireless dispozitivele finale IoT, cum ar fi senzorii și actuatoarele, astfel încât datele lor să poată fi trimise pe kilometri întregi către cloud. Pe placa de dezvoltare Microchip, microcontrolerul este preîncărcat cu o imagine de firmware care constituie o aplicație demonstrativă ce permite utilizatorilor să conecteze și să trimită rapid date de la senzorii de temperatură și de culoare aflați pe placă către un sandbox bazat pe cloud (găzduit de AWS).

Figura 3: Biblioteca AVR IoT celular (de culoare portocalie) include module software pentru programarea și controlul plăcii de dezvoltare (prezentat în formă simplificată în culoarea verde). (© Microchip Technology)

Pentru ca hardware-ul să fie pregătit pentru dezvoltare, este suficient să activați și să introduceți cartela SIM, să conectați antena externă la placă, să conectați portul USB-C de depanare de pe placă la PC, să scanați codul QR de pe partea inferioară a plăcii sau să deschideți dispozitivul de stocare masivă (MSD − Mass Storage Device) și să urmați CLICK-ME.HTM pentru a ajunge la pagina web a kit-ului.

Un instrument Microchip − IoT Provisioning Tool − disponibil pe Github, oferă o soluție ușor de utilizat pentru configurarea unui AVR-IoT Cellular Mini la furnizorul de cloud selectat, setarea furnizorului de rețea și selectarea benzilor de frecvență celulară. (Pentru ca firmware-ul demo sandbox să funcționeze, placa de dezvoltare trebuie să fie provizionată pentru sandboxul AWS Microchip).

Figura 4: Această schemă bloc a plăcii de dezvoltare AVR IoT arată că legătura cu PC-ul gazdă se face prin intermediul conexiunii USB a depanatorului, în timp ce programarea microcontrolerului de aplicație se face prin intermediul conexiunii UART a depanatorului. Conexiunea dintre microcontrolerul de aplicație și modemul celular se face, de asemenea, prin UART. (© Microchip Technology)

Odată ce dezvoltatorii au dobândit o oarecare încredere cu aplicația demonstrativă, pot începe să își construiască propria aplicație utilizând suportul complet Arduino IDE al plăcii de dezvoltare. Acest suport se bazează pe o bibliotecă Arduino AVR IoT celulară găzduită pe Github. Biblioteca este construită pe baza DxCore cu sursă deschisă (figura 3).

Depanatorul de pe placă (PKOB nano) oferă suport complet de programare pentru Arduino IDE. Nu este nevoie de niciun instrument extern și oferă, de asemenea, acces la o interfață de port serial (serial-to-USB bridge) și la două canale de analizor logic (debug GPIO). Depanatorul de pe placa AVR IoT Cellular Mini apare ca un dispozitiv HID (Human Interface Device) pe subsistemul USB al computerului gazdă. Pentru proiecte mai ambițioase, conectorii de margine compatibili cu Qwiic și Feather ai plăcii de dezvoltare permit rapid extinderea cu ajutorul unei game largi de plăci adiționale de la Sparkfun și Adafruit (figura 4).

Listare 1: Configurarea IDE Arduino pentru a permite rularea bibliotecii Arduino AVR IoT celular. (Sursă cod: Microchip Technology)

Pentru a începe programarea aplicației este necesar să descărcați și să instalați Arduino IDE și DxCore. În continuare, Arduino IDE trebuie configurat pentru a permite rularea bibliotecii Arduino AVR IoT celular (Listare 1).

După ce IDE este configurat, biblioteca poate fi instalată. Când acest lucru este făcut, pot fi accesate mai multe exemple de bibliotecă pentru placa de dezvoltare. Proiectanții familiarizați cu IDE-ul Visual Studio Code îl pot utiliza pentru dezvoltare AVR IoT, cu condiția să instaleze plugin-ul Arduino. Codul aplicației Arduino dezvoltat în oricare dintre IDE-uri este portat pe microcontrolerul plăcii de dezvoltare prin intermediul depanatorului de pe placă.

Efectuarea măsurătorilor de putere

IoT celular a fost proiectat pentru a rula la putere mică pentru a prelungi durata de viață a dispozitivelor finale IoT alimentate de la baterie. Prin urmare, este important să optimizați codul aplicației pentru un consum minim de putere.

Figura 5: Ștrapurile de pe placa de dezvoltare AVR IoT pot fi utilizate pentru a măsura consumul de putere pentru circuitele cheie. (© Microchip Technology)

Pe placa de dezvoltare Microchip, alimentarea tuturor componentelor plăcii se face prin intermediul a cinci ștrapuri. Acestea sunt destinate, de asemenea, pentru a măsura intensitatea curentului. Pentru a măsura puterea pe circuitul dorit, este suficient să conectați un ampermetru (figura 5).

Placa de dezvoltare dispune, de asemenea, de un circuit de măsurare a tensiunii sistemului care utilizează circuitul MIC94163 și un divizor de tensiune conectat la un pin ADC de pe microcontroler, permițând măsurarea la cerere și împiedicând scurgerile de putere prin divizorul de tensiune. Pentru a măsura tensiunea sistemului, urmați acești pași:

1. Configurați referința de tensiune pentru ADC.
2. Setați pinul PB3 al microcontrolerului la nivel înalt pentru a activa divizorul de tensiune.
3. Setați pinul PE0 al microcontrolerului ca intrare pentru ADC.
4. Rulați o conversie analogică-digitală (ADC) single-ended.
5. Calculați tensiunea folosind ecuația: V = rezultatul ADC × V_REF × 4/rezoluția ADC.

În fine, este, de asemenea, simplu să măsurați tensiunea de alimentare urmând acești pași:

1. Configurați referința de tensiune pentru ADC.
2. Selectați V_DD sau V_DDIO2 ca intrare pozitivă pentru ADC. (V_DD și V_DDIO2 sunt canale de intrare interne disponibile pentru ADC-ul microcontrolerului).
3. Rulați o conversie ADC single-ended.
4. Calculați tensiunea folosind ecuația: V = rezultatul ADC × V_REF × 10/rezoluția ADC.

Concluzie

IoT celular este o rețea LPWAN populară cu un potențial comercial în creștere. Cu toate acestea, proiectarea dispozitivelor finale bazate pe IoT celular necesită atât experiență hardware, cât și software. Pentru a veni în ajutorul proiectanților, noile plăci de dezvoltare IoT celulară, cum ar fi EV70N78A AVR-IoT Cellular Mini Development Board de la Microchip, oferă o cale rapidă de prototipare.

Placa de dezvoltare utilizează un modem LTE-M/NB-IoT de înaltă performanță și un microcontroler foarte popular de la Microchip. Dezvoltarea codului de aplicație este simplificată cu ajutorul IDE-ului Arduino sau Visual Studio Code.

Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf face parte din grupul European de Asistență Tehnică din 2014, având respon­sa­bi­li­tatea principală de a răspunde la întrebările venite din partea clienților finali din EMEA referitoare la Dezvoltare și Inginerie. Înainte de Digi-Key, el a lucrat la mai mulți producători din zona semiconductorilor, cu accent pe sistemele embedded ce conțin FPGA-uri, microcontrolere și pro­cesoare pentru aplicații industriale și auto. Rolf este licențiat în inginerie electrică și electronică la Universitatea de Științe Aplicate din Munchen, Bavaria.

Digi-Key Electronics   |   https://www.digikey.ro