Pe măsură ce dispozitivele care fac parte din Internetul Lucrurilor (IoT) devin tot mai populare, cresc și așteptările noastre cu privire la capabilitățile acestora. Asigurarea unei conectivități fără fir fiabile, în special dacă aceasta se face prin intermediul rețelei mobile LTE, devine unul dintre cele mai importante aspecte ale multor aplicații. Aici intervine u-blox, un producător de module de comunicație precise și fiabile utilizate în piețele industriale, auto și de consum, care vine în ajutor.
În acest articol discutăm despre modulele din familia LENA-R8, care transmit date prin rețeaua mobilă 4G (LTE). De la început, trebuie subliniate două aspecte. În primul rând, aceasta este o parte foarte mică din oferta de produse a companiei u-blox, specializată în module de comunicație, circuite integrate și servicii (soluțiile sale sunt utilizate de numeroși producători de dispozitive electronice, cum ar fi Arduino). Cea de-a doua informație importantă despre aceste produse este că, datorită standardizării crescânde, accesoriile au o acoperire globală. Utilizarea lor înseamnă nu numai simplificarea producției, ci și lărgirea pieței-țintă.
Comunicație wireless modernă
Până în prezent, dispozitivele IoT nu au beneficiat de un standard wireless unificat − în principal pentru că nevoile acestor tipuri de circuite sunt foarte diferite. În general, putem distinge trei grupe de astfel de produse:
- Dispozitive care necesită o transmisie cu un volum mare de date (de exemplu, transmisie video și procesare a imaginilor în timp real);
- Controlere de procese industriale și aplicații conexe (de exemplu, Smart City), în cazul în care nu este necesară o lățime de bandă de transmisie mare, dar trebuie să funcționeze fără probleme și fără întârzieri;
- Aparate mici și eficiente din punct de vedere energetic, pentru care soluția optimă va fi transmiterea de pachete mici de date la o frecvență redusă (inițierea periodică a comunicației, trecerea la modul cu consum limitat de curent la terminarea comunicației) − astfel de aplicații includ senzori la distanță care monitorizează factorii de mediu (de exemplu, temperatura de depozitare a alimentelor/medicamentelor sau umiditatea solului).
Circuitele care necesită un consum redus de energie includ, de asemenea, diverse dispozitive mobile alimentate de la baterii, de la produse electronice purtabile de consum (wearables), până la instrumente de măsurare utilizate pe teren de tehnicieni (de exemplu, la inspectarea instalațiilor energetice sau TIC de amploare).
Pe scurt, alegerea standardului wireless rămâne un compromis. De exemplu, securitatea și viteza de transmisie necesită protocoale avansate care au nevoie de puteri de calcul mari și mai multă memorie de operare. Acest lucru implică o cerere mai mare de energie. O consecință similară este nevoia de mai multă acoperire pentru comunicație.
Prin urmare, producătorii de dispozitive IoT sunt adesea limitați la implementarea unor standarde precum WiFi, ZigBee sau Bluetooth. Acestea oferă performanțe de transmisie satisfăcătoare cu un consum de energie relativ scăzut. Din nefericire, aceste metode au un dezavantaj comun: ele necesită construirea și întreținerea unei anumite infrastructuri de rețea pentru a obține o acoperire de transmisie globală (chiar dacă numai într-o măsură foarte limitată, cum este cazul P2P), ceea ce implică, de exemplu, alimentarea continuă a punctelor sale critice (coordonatori, routere, gateway-uri etc.). Prin urmare, în multe cazuri, comunicația optimă prin intermediul rețelei de telefonie mobilă se dovedește a fi cea mai bună soluție.
Tehnologia 4G sau LTE este acum bine stabilită pe piețele globale. Acesta oferă nu numai o acoperire globală, ci și un debit relativ înalt de 10 Mb (LTE Cat 1) până la 25 Gb (Cat 17) pentru descărcare și de 5 Mb (LTE Cat 1) până la 9,5 Gb (LTE Cat 14) pentru încărcare, precum și o transmisie fiabilă. În plus, din punctul de vedere al utilizatorului, este o metodă de comunicație relativ eficientă în ceea ce privește consumul energetic, dar și rentabilă.
Soluțiile u-blox discutate mai jos sunt, de asemenea, compatibile cu rețelele de generație mai veche. În 2021, comunicațiile LTE erau disponibile în aproape 60% din toate zonele acoperite de serviciile de telefonie fără fir. Cu ajutorul modulelor LENA-R8, accesul la internet poate fi obținut și în alte regiuni care utilizează tehnologia 2G.
Diferențe între LTE „tradițional” și Cat 1bis
Tehnologia LTE Cat 1 a fost definită în 2009 cu scopul (printre altele) de a oferi conectivitate mobilă pentru aplicații M2M (Machine-to-Machine), bogate în funcții, adică dispozitivele pe care le numim cel mai frecvent în prezent − IoT (Internet of Things). Așa cum au dorit dezvoltatorii, tehnologia LTE Cat 1 este destinată unor aplicații precum urmărirea activelor (asset tracking), contoare inteligente, senzori la distanță etc. Însă acest standard avea un dezavantaj. Pentru a beneficia pe deplin de avantajele LTE, dispozitivele trebuiau să aibă implementat mecanismul RX Diversity, care permitea comunicația cu două antene. Acest lucru era problematic, în special în cazul dispozitivelor compacte.
Această deficiență ar fi putut fi trecută cu vederea, indirect, prin proiectarea unui dispozitiv care să comunice folosind o singură antenă, dar acest lucru necesita acceptarea unei scăderi a sensibilității receptorului. Au fost propuse alte tehnologii LTE proiectate special pentru IoT și care utilizează o singură antenă: mai întâi Cat 0, apoi Cat M și Cat NB1. Însă, tehnologia Cat 0 nu a fost niciodată implementată, iar NBoT vine cu unele limitări (lipsa suportului pentru mobilitate și transmisie de voce). Tehnologia Cat-M funcționează bine pentru aplicațiile cu lățime de bandă redusă, dar a fost implementată doar într-o mică parte a globului, neasigurând astfel o acoperire mondială. Între timp, după cum am menționat deja, multe dispozitive moderne necesită viteze mari, în special dacă schimbul de informații trebuie să aibă loc în timp real și/sau este necesară conectivitatea globală. Aproape relativ recent, în 2016, în paralel cu NB-IoT și LTE-M, a fost definită specificația tehnologică LTE Cat 1bis, care prevedea utilizarea unei singure antene și realizarea unor transmisii de până la 10 Mbps și 5 Mbps (download/upload). Este adevărat că o astfel de performanță nu este întotdeauna realizabilă, dar, din punctul de vedere al rețelei, modulele LTE Cat 1bis sunt acceptate la fel ca și Cat 1, motiv pentru care această versiune a standardului s-a dovedit a fi metoda cea mai potrivită pentru nevoile IoT.
Principalul avantaj al LTE Cat 1bis față de LTE Cat 1 este posibilitatea de optimizare a costurilor, deoarece la nivelul chipsetului este implementată o singură trecere RF.
În comparație cu NB-IoT sau LTE-M, tehnologia LTE Cat 1bis necesită mai multă energie datorită lățimii de bandă mai largi și latenței reduse, dar, pe de altă parte, este compatibilă cu toate rețelele LTE din lume, oferind astfel o acoperire globală − ceea ce nu pot realiza nici NB-IoT, nici LTE-M.
Module LENA-R8
Modulele de comunicație din seria LENA-R8 ale mărcii u-blox suportă standardul LTE Cat 1bis, oferind în același timp o funcționalitate extinsă care minimizează efortul necesar pentru a construi dispozitivul țintă și a-l implementa în producție. Caracteristicile principale ale seriei includ:
- Acceptă rețele de generație anterioară (2G);
- Acoperire globală datorită utilizării a 14 dintre cele mai populare benzi de frecvență (incluzând toate regiunile globului);
- Acceptă tehnologia FDD (Frequency Division Duplex), adică utilizarea unor benzi de frecvență diferite pentru transmiterea către/de la modul;
- Compatibilitatea pinilor (concept de imbricare: module de dimensiuni și capabilități diferite au o dispunere comună a pinilor) cu linia de produse SARA și LARA (furnizate, de asemenea, de u-blox);
- Versiunea LENA-R8001M10 cu modul GNSS integrat (despre aceasta într-o secțiune separată a articolului);
- Modulele oferă acces la toate serviciile oferite de Thingstream, o platformă bazată pe web (cloud) dezvoltată pentru a sprijini dispozitivele IoT.
Parametrii și caracteristicile de bază
Funcționalitatea seriei LENA-R8 merită discutată în detaliu, deoarece depășește capabilitățile standard ale modulelor de comunicație. În primul rând, aceste produse ating vitezele nominale ale rețelei mobile, adică 10 Mbps pentru descărcări și 5 Mbps pentru încărcări. În module a fost implementată o stivă dublă IPv4/IPv6, adaptându-le la cerințele infrastructurii de internet actuale. În plus: soluțiile u-blox dispun de suport integrat pentru protocoalele TCP/IP, UDP/IP, HTTP, FTP, precum și pentru rețelele de senzori și mediile utilizate Smart Home MQTT și MQTT-SN (MQTT for Sensor Networks). Toate acestea cu susținerea tehnologiilor de criptare implementate (TLS 1,2, DTLS, HTTPS, FTPS). Produsele oferă posibilitatea de a trimite mesaje de tip SMS, precum și de a iniția apeluri vocale atât în rețelele 2G (CSFB), cât și în cele 4G (VoLTE). Cu modulele LENA-R8, aveți acces la pachetul de servicii oferit de u-blox.
Versiunea cu receptor integrat GNSS
Modulele LENA-R8 sunt disponibile în două versiuni: LENA-R8001-00C (cea de bază, care permite conectarea la o rețea LTE) și LENA-R8001M10-00C, care permite, în plus, utilizarea sistemelor de poziționare globală, respectiv GNSS (Global Navigation Satellite System). Acest al doilea model încorporează un cip integrat u-blox M10 (de unde și numele) și a fost dezvoltat pentru un grup foarte important de aplicații: dispozitive care urmăresc deplasarea flotelor de vehicule, a mărfurilor etc. Astfel de dispozitive, datorită semnalelor GPS (Global Positioning System) sau Galileo dobândesc date despre locația lor − și apoi, prin intermediul rețelei mobile, transmit aceste informații către un server (în cloud), de unde pot fi citite și prelucrate. Astfel de soluții sunt utilizate frecvent de companii de transport și logistică, precum și de companiile care operează în sectorul transportului public.
Atunci când proiectează un dispozitiv care să comunice cu rețeaua celulară și să monitorizeze impulsurile GNSS, inginerul are de ales între trei topologii de bază:
- Utilizarea a două module independente (ceea ce implică creșterea costurilor de producție și o complexitate suplimentară a circuitului);
- Utilizarea unui cip compact care folosește un un singur traseu de semnal RF pentru o comunicație în ambele standarde (acest lucru implică scăderea preciziei cu care este determinată poziția; de asemenea, face imposibilă prelucrarea simultană a datelor GNSS și LTE);
- Utilizarea unei componente care combină funcționalitatea unui localizator GNSS de precizie cu un modul de comunicație LTE.
LENA-R8001M10-00C aparține, bineînțeles, acestui din urmă grup. Avantajele uriașe ale produsului sunt performanța ridicată (de exemplu, nicio latență la transmiterea datelor de localizare curentă) și o relativă ușurință de implementare − deoarece un singur modul preia sarcina de a comunica simultan cu ambele sisteme. Mai mult: u-blox a avut grijă să mențină cea mai bună precizie în ambele standarde. Calea GNSS izolată este echipată cu două filtre SAW (piezo-electrice) și un amplificator LNA, iar pentru analiza semnalului se utilizează un circuit sincronizat de un oscilator compensat în funcție de temperatură (TCXO). Modulul detectează prezența interferențelor (jamming detection), iar în cazul pierderii complete a transmisiunii prin satelit de geolocalizare este capabil să își determine locația utilizând date despre stațiile releu LTE din apropiere (serviciul CellLocate). Mai multe alte optimizări pot fi găsite în LENA-R8001M10:
Intrări de alimentare separate
Posibilitatea de a utiliza linii de alimentare simple sau separate (separate pentru LTE și GNSS), permițând un control mai larg al consumului de energie. În mod implicit, modulul va fi alimentat de o singură tensiune (3,8Vcc), iar alimentarea pentru subsistemul GNSS (1,8Vcc) este generată de un stabilizator de pe placă.
Alegerea interfețelor
Subsistemele LTE și GNSS pot fi operate independent. Acestea pot fi accesate prin intermediul unor interfețe seriale (UART) separate. Alternativ, comunicația cu întregul modul poate avea loc prin intermediul unui modem LTE, care este echipat atât cu magistrale UART, cât și USB.
Domenii de utilizare
Datorită funcțiilor descrise mai sus, modulele LENA-R8 sunt utilizate într-o serie de aplicații în domeniul Internetului Lucrurilor. Prima dintre acestea ar fi Industrie 4.0, adică sistemele de automatizare distribuite, în care conectivitatea permite coordonarea funcționării mașinilor, controlul consumului de energie și al inventarului și asigurarea siguranței lucrătorilor. Modulele pot fi utilizate, de asemenea, în domeniul sănătății, de exemplu, în dispozitivele medicale la distanță pentru monitorizarea persoanelor în vârstă și a celor bolnave care se află la domiciliu, departe de îngrijirea constantă a specialiștilor. O altă aplicație obișnuită pentru modulele de comunicație este reprezentată de sistemele de securitate și de alarmă (alarme antiefracție, alarme de incendiu etc.), a căror funcționare trebuie să fie independentă de rețelele de telecomunicații și de energie prin cablu. În cele din urmă, trebuie acordată atenție celui mai mare domeniu de aplicare, telemetria și urmărirea activelor − un domeniu care include transportul de mărfuri și de persoane, agricultura, robotica industrială și de consum, transportul maritim și o serie de alte industrii conexe.
După cum am menționat mai sus, în cazul modulului LENA-R8001M10, un exemplu excelent de aplicație este reprezentat de dispozitivele pentru monitorizarea flotei. Aceste produse sunt, aproape, întotdeauna instalate în mașini, camioane sau autobuze doar după achiziționarea acestora, astfel încât există o cerere reală și necontenită pentru astfel de produse. Producătorii pot simplifica în mod sigur dezvoltarea proiectului lor dacă utilizează soluții u-blox. Mai presus de toate, acestea elimină necesitatea unor teste costisitoare de calitate a semnalului și de imunitate la zgomot; ele asigură o comunicare eficientă indiferent de zona geografică în care urmează să fie implementat dispozitivul; adaptarea lor se va limita în mare măsură la dezvoltarea unui circuit relativ simplu și a unui software adecvat pentru a controla modulul microcontroler. În plus, ar trebui să se țină cont de beneficiile suplimentare asociate seriei LENA-R8, cum ar fi accesul la serviciile platformei Thingstream, adică la resursele care contribuie la reducerea cheltuielilor pentru extinderea instalațiilor de servere și al întreținerii acestora.
Text elaborat de Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.