Käytä globaalia matkapuhelinverkon radiomoduulia IoT-laitteiden nopeaan ja turvalliseen yhdistämiseen pilveen

Pilven kautta tapahtuvaan tiedonvaihtoon tarkoitettu mobiiliradioyhteys on hyvä vaihtoehto kannettavien tai verkon etäpäätelaitteiden yhdistämiseen esineiden internetiin (Internet of Things, IoT) tai koneiden etäohjaamiseen käyttäen koneiden välistä kommunikaatiota (machine-to-machine communication, M2M). Tämä vaihtoehto asettaa kuitenkin kehittäjälle haasteita. On selvitettävä, mitkä langattomat verkot voivat tukea vaadittavaa tiedonsiirtonopeutta maailmanlaajuisesti ja mitä protokollia langattoman modeemin on tuettava. Myös järjestelmän skaalautuvuus, tietoturva, kustannukset, markkinoilletuontiaika sekä käyttäjälle aiheutuvat hankinta- ja käyttökustannukset on otettava huomioon.

Tämä artikkeli kertoo lyhyesti, mitä LTE Cat 1 tarjoaa IoT- ja M2M-sovellusten kehittäjille. Se esittelee sen jälkeen u-bloxin LARA-R6-sarjan radiomoduulit, jotka tarjoavat universaalin yhteyden ja luotettavan suorituskyvyn. Artikkeli näyttää lopuksi, miten kehittäjät voivat käyttää arviointialustaa (EVB), konfiguroida ja ohjata moduuleja helposti AT-komennoilla sekä luoda AT-komentojonoja kirjastotoimintojen kautta.

LTE Cat 1 -teknologian vertaaminen teknologioihin LTE Cat 1bis, LTE Cat M ja LTE Cat NB

Vaikka LTE-mobiiliradiolla saavutetaan nykyään gigabitin siirtonopeuksia, vähätehoiset pitkän kantaman (LPWA) protokollat, kuten LTE Cat 1, LTE Cat 1bis, LTE Cat M ja LTE Cat NB, on suunniteltu erityisen tehokkaiksi energiankulutuksen, verkkoresurssien ja kustannusten kannalta. Tämä on IoT-laitteille ratkaisevan tärkeää.

LTE Cat 1 tarjoaa jopa 20 megahertsin (MHz) kaksisuuntaisen kanavakaistanleveyden, ja sen latausnopeus verkosta on jopa 10 megabittiä (Mbit/s) sekunnissa ja latausnopeus verkkoon jopa 5 Mbit/s. Kaksi antennia mahdollistaa vastaanottimen (Rx) diversiteetin ja parantaa suorituskykyä (taulukko 1). LTE Cat 1bis käyttää vain yhtä antennia.

Taulukko 1: LPWA-protokollien suorituskyvyn vertailu. LTE CAT 1 käyttää kahta antennia Rx-diversiteettia varten; LTE Cat 1bis käyttää vain yhtä antennia. (Kuvan lähde: Wikipedia, Jens Wallmann)

LTE Cat 1 -mobiiliradiota voidaan käyttää kaikkialla

u-bloxin LARA-R6-sarja koostuu robusteista matkapuhelinverkon radiomoduuleista, jotka on suunniteltu radioliityntätekniikoille (RAT) LTE Cat 1 FDD (Frequency Division Duplex, taajuusjakoinen dupleksointi) ja TDD (Time Division Duplex, aikajakoinen dupleksointi). Ne tukevat tekniikoita 3G UMTS/HSPA ja 2G GSM/GPRS/EGPRS ratkaisuina tilanteisiin, joissa tehokkaampia vaihtoehtoja ei ole saatavana. Nämä moduulit ovat erinomainen ratkaisu globaaliin/monialueelliseen kattavuuteen. Ne toimitetaan pienessä LGA-kotelossa, jonka mitat ovat 26 x 24 millimetriä (mm).

LARA-R6-moduulit on varustettu monipuolisilla rajapinnoilla, monilla erilaisilla ominaisuuksilla sekä monikaista- ja monitilatoiminnoilla. Ne soveltuvat keskinopeaa tiedonsiirtonopeutta, saumatonta verkkoyhteyttä, erinomaista kattavuutta ja alhaista latenssia vaativiin käyttökohteisiin. Tällaisia sovelluksia ovat esimerkiksi omaisuudenseuranta, telematiikka, etävalvonta, hälytyskeskukset, videovalvonta, verkkoon yhdistetty terveydenhuolto ja myyntipistepäätteet.

Kaikki moduulit tukevat Rx-diversiteettiä, joka takaa luotettavan suorituskyvyn vaikeissa kattavuusolosuhteissa tai kun tarvitaan VoLTE (Voice Over LTE) -tekniikkaa. Ohjelmoijat voivat hyödyntää sulautettuja IoT-protokollia (LwM2M, MQTT) ja tietoturvaominaisuuksia (TLS/DTLS, suojattu päivitys ja turvallinen käynnistys) sellaisten toimintojen toteuttamiseen kuten laitehallinta, laitteiden etäohjaus ja suojatut FOTA (Firmware Over-The-Air) -päivitykset.

LARA-R6-sarja tukee 3GPP-version 10 mukaista LTE Cat 1 -tekniikkaa, ja tarjoaa globaalin kattavuuden kolmella alueellisella vaihtoehdolla:

• LARA-R6001-00B- (data ja ääni) sekä LARA-R6001D-00B (vain data) -moduulit tukevat 18 LTE FDD/TDD-taajuuskaistaa sekä 3G/2G-varmistusta globaalia yhteyttä varten.
• LARA-R6401-00B- (data ja ääni) sekä LARA-R6401D-00B (vain data) -moduulit tarjoavat ihanteellisen LTE Cat 1 -ratkaisun Pohjois-Amerikkaa varten tukemalla AT&T:n, FirstNetin, Verizonin ja T-Mobilen LTE-kaistoja.
• LARA-R6801-00B- (data ja ääni) sekä LARA-R6801D-01B (vain data) -moduulit on tarkoitettu käyttöön seuraavilla alueilla: Eurooppa ja Lähi-itä (EMEA), Aasian ja Tyynenmeren alue (APAC), Japani (JP) ja Latinalainen Amerikka (LATAM) (kuva 1).

Kuva 1: LARA-R6-moduulien kolme alueellista vaihtoehtoa kattavat maapallon. (Kuvan lähde: DigiKey, kirjoittaja muokannut)

LARA-R6-moduulien erityisominaisuudet yhdellä silmäyksellä

LARA-R6-moduuleihin on integroitu matkapuhelinverkon kantataajuusprosessori ulkoisilla rajapinnoilla, RF-lähetin-vastaanotin vahvistimilla ja suodattimilla, muisti ja tehonhallintayksikkö (kuva 2).

Kuva 2: LARA-R6-moduulin sisäinen rakenne. (Kuvan lähde: u-blox)

RF-lähetin-vastaanotin toimii taajuuskaistoilla 700 MHz, 800 MHz, 850 MHz, 900 MHz, 1,7 GHz, 1,8 GHz, 1,9 GHz, 2,1 GHz ja 2,6 GHz. Kaikkia matkapuhelinverkon kantataajuusprosessorin tiedonsiirtoprotokollia voidaan ohjata ja konfiguroida AT-komennoilla ulkoisten UART- ja USB-rajapintojen kautta.

Protokollat

• Kaksoispino IPv4 ja IPv6
• Sulautettu TCP/IP, UDP/IP, FTP ja HTTP
• Sulautettu MQTT ja MQTT-SN
• Sulautettu LwM2M
• eSIM ja Bearer Independent Protocol (BIP)

LARA-R6-moduulit vaativat 3,1–4,5 voltin syöttöjännitteen, ja niiden virrankulutus lepotilassa on noin 1,1 milliampeeria (mA). 2G-käytössä yksittäiset TDMA-aikavälit voivat saavuttaa yli 33 desibelin huippulähetystehon perustuen 1 milliwattiin (mW) (dBm) (> 2,0 wattia), ja kaikki muut RAT-tekniikat saavuttavat yli 24 dBm:n tason (> 0,25 wattia).

Erinomainen antenniherkkyys, alle -100 dBm, vastaa alle 0,1 pikowatin (pW) signaalitehoja, ja mahdollistaa stabiilit radioyhteydet mobiiliverkon reunalla.

Arviointi ja ohjelmointi

Nopein tapa aloittaa LARA-R6-moduulin arviointi ja ohjelmointi on käyttää alueelle sopivaa R6-arviointialustaa (EVK-R6) ja liitettävää LARA-R6-adapterikorttia (ADP-R6). Esimerkiksi globaaleihin sovelluksiin tarkoitettu EVK-R6001-00B tarjoaa liitettävän adapterikortin ADP-R6001-00B (ääni + data) ja GNSS-adapterikortin (kuva 3).

Kuva 3: LARA-R6-arviointialusta (EVK-R6) ja siihen liitetty LARA-R6-adapterikortti (alhaalla) ja GNSS-kortti (ylhäällä vasemmalla). (Kuvan lähde: u-blox)

Pohjois-Amerikan malli EVK-R6401-00B sisältää ADP-R6401-00B-adapterin, kun taas EMEA/APAC/JP/LATAM-alueen malli EVK-R6801-00B sisältää ADP-R6801-00B-adapterin. Kolmea edellä mainittua äänen ja datan siirtoon tarkoitettua adapterikorttia on saatavilla myös erikseen, kuten myös pelkkään tiedonsiirtoon tarkoitettuja versioita, esimerkiksi ADP-R6401D-00B (Pohjois-Amerikka) ja ADP-R6001D-00B (globaali).

R6-adapterikortti laajentaa LARA-R6-moduulia kahdella antennilla ja kahdella MiniUSB-liittimellä. R6-arviointialusta puolestaan laajentaa moduulin oheislaitteita GNSS-moduulilla, SIM-korttipaikalla, lisäliitännöillä, jumppereilla, kytkimillä ja virtalähteellä (kuva 4).

Kuva 4: R6-arviointialustan ja siihen liitettyjen GNSS- ja LARA-R6-adapterien toimintalohkokaavio. (Kuvan lähde: u-blox)

Kukin sarja sisältää u-bloxin yhden arviointialustan, johon on liitetty LTE Cat 1 LARA-R6 -adapterikortti ja GNSS-moduuli, yhden USB-kaapelin, kaksi LTE-mobiiliradioantennia, GPS/GLONASS-antennin ja virtalähdeyksikön.

Arviointialustan käyttöönotto

u-bloxin helppokäyttöinen ja tehokas EVK-R6-sarja yksinkertaistaa monitilaisten LTE Cat 1/3G/2G-matkapuhelinverkon moduulien arviointia. Windows-tietokone, johon on asennettu LARA-R6 USB-ajuri, ohjaa LARA-R6-modeemia USB-liittimen kautta ja yksinkertaistaa yhteyden määrittämistä järjestelmäasetusten kautta. Kehittäjä voi aloittaa seuraavalla tavalla:

1. Aseta SIM-kortti paikalleen ja kytke molemmat matkapuhelinverkon antennit sekä GNSS-antenni.
2. Konfiguroi huolellisesti arviointialustan jumpperit ja kytkimet.
3. Kytke syöttöjännite ja kytke arviointialustan pääkytkin SW400 päälle.
4. 1. Jos haluat käyttää sitä alhaisen datanopeuden modeemina ”Main UART” -rajapinnan kautta, kytke tietokone arviointialustan MiniUSB-liitäntään J501 tai RS232-liitäntään J500.
   2. Jos haluat käyttää sitä alhaisen datanopeuden modeemina ”Two UARTs” -rajapinnan kautta, liitä tietokone adapterikortin USB-mobiililiitäntään J201.
   3. Jos haluat käyttää sitä korkean datanopeuden modeemina ”Native Cellular USB” -rajapinnan kautta, liitä tietokone adapterikortin MiniUSB-liitäntään J501.
5. Paina arviointikortilla matkapuhelinverkon virtapainiketta SW302.
6. Käynnistä päätesovellusohjelmisto (kuten m-center), avaa COM-portin asetusvalikko, valitse vastaava AT-portti 4a, 4b tai 4c, ja aseta nämä arvot: datanopeus: 115 200 bit/s; databitit: 8; pariteetti: N; lopetusbitit: 1.

Katso lisätietoja käyttöoppaasta EVK-R6_UserGuide_UBX-21035387. m-center-työkalu auttaa arvioimaan, konfiguroimaan ja testaamaan u-bloxin matkapuhelinverkkotuotteet, ja se sisältää AT-komentopäätteen.

Helppo internet-yhteys Windows-tietokoneella

Kun Windows-tietokone on yhdistetty arviointialustaan, käyttäjä voi muodostaa langattoman internet-yhteyden kahdella tavalla:

1: Alhaisen nopeuden pakettidatayhteys: Tämä käyttää Windows-tietokoneen TCP/IP-pinoa LARA-R6-moduulin UART-rajapinnan kautta. Tietokone ja arviointialusta yhdistetään menetelmän 4a mukaisesti. Kehittäjän tulee valita Windows-ohjauspaneelista Phone and Modem (Puhelin ja modeemi) > Modems (Modeemit) > Add (Lisää). Seuraavaksi on aktivoitava ”Don’t detect my modem” (Älä tunnista modeemia) -valintaruutu, valittava ”Standard 33.6 kbps Modem” (Standardimodeemi 33,6 kbit/s) ja varattava COM-portti. Kehittäjä voi tarvittaessa lisätä ”Properties” (Ominaisuudet) > Advanced (Lisäasetukset) > Extra initialization commands (Lisäalustuskomennot).

2: Korkean nopeuden pakettidatayhteys: Tämä käyttää internetiä Windows-tietokoneen TCP/IP-pinon avulla LARA-R6-moduulin natiivin USB-mobiilirajapinnan kautta. Tietokone ja arviointialusta yhdistetään menetelmän 4c mukaisesti. Kehittäjän tulee valita Windows-ohjauspaneelin kautta Network and Sharing Center (Verkko- ja jakamiskeskus) > Set up a new connection or network (Määritä uusi yhteys tai verkko) ja klikata ”Connect to the Internet” (Yhdistä Internetiin). Seuraavaksi on valittava ”Dial-up” (Yhteys) ja yksi AT-USB-portti. Viimeinen vaihe on yhteysparametrien syöttäminen (valintanumero, palveluntarjoajan nimi, käyttäjätunnus ja salasana).

SIM-kortin rekisteröinti mobiiliverkko-operaattorille

Kun SIM-kortti ja MNO-parametri on konfiguroitu, matkapuhelinverkon moduuli rekisteröi itsensä automaattisesti matkapuhelinverkkoon sen jälkeen kun virta on kytketty päälle. Ongelmatilanteessa rekisteröinti voidaan tarkistaa manuaalisesti taulukossa 2 esitetyillä AT-komennoilla.

Taulukko 2: AT-rekisteröintikomennot. (Taulukon lähde: u-blox, kirjoittajan muokkaama)

Yhteys HTTP-etäpalvelimeen AT-komennolla

GitHub-repositorio ”Firechip_u-blox_LARA-R6_Arduino_Library” sisältää kattavan kirjaston AT-komentoja LARA-R6-moduuleille, jotka on kirjoitettu C++-kielellä Arduino-ohjaimia varten. Kuusitoista sovellusesimerkkiä, mukaan lukien ping-testit, rekisteröinti, pakettikeskus, tekstiviesti, GNSS ja IoT-pilvi, tarjoavat ehdotuksia asiakaskohtaisia koodirakenteita varten.

AT-komennot voivat myös lähettää pyyntöjä HTTP-etäpalvelimelle aktiivisen yhteyden aikana, vastaanottaa palvelimen vastauksen ja tallentaa vastauksen läpinäkyvästi paikalliseen tiedostojärjestelmään. Tuettuja menetelmiä ovat HEAD, GET, DELETE, PUT, POST file ja POST data.

Lara_R6_Example9 lähettää satunnaisia lämpötiloja RemoteHTTP-palvelimelle ThingSpeak.com HTTP POST- tai GET-menetelmillä. ThingSpeak on MathWorksin IoT-analyysialustapalvelu, jonka avulla voidaan koota, visualisoida ja analysoida live-datavirtoja pilvessä. Taulukko 3 näyttää HTTP-komennon ”POST data” syntaksin.

Taulukko 3: ”POST data” on HTTP-komento numero 5, ja sen muoto on kuvan mukainen. (Taulukon lähde: u-blox, kirjoittajan muokkaama)

Tämä esimerkki voidaan ohjelmoida Arduino-isäntäohjaimelle, joka ohjaa LARA-R6-moduulia arviointialustalla AT-komentojen välityksellä. Lisäksi tarvitaan konfiguroitu SIM-kortti.

Ohjelmoijan on luotava ThingSpeak-käyttäjätili ja asetettava kenttä 1 lämpötilan satunnaiselle mittausarvolle valikkokohdan Channels > My Channels > New Channel kautta. Vastaava ”Write API Key” syötetään pääohjelmassa ”LARA-R6_Example9_ThingSpeak.ino” muuttujaan myWriteAPIKey.

C++-pääohjelma luo satunnaisen lämpötila-arvon, muodostaa pilvikohtaisen merkkijonon ja kutsuu kirjastofunktiota sendHTTPPOSTdata 20 sekunnin välein (listaus 1).

Kopioi
...
1  String myWriteAPIKey = "PFIOEXW1VF21T7O6"; // Change this to your API key
2  String serverName = "api.thingspeak.com"; // Domain Name for HTTP POST/GET
3  [...]




4  void loop()
5  {
6    // Create a random temperature between 20 and 30  
7    float temperature = ((float)random(2000,3000)) / 100.0; 
8
9
10   // Send data using HTTP POST
11   String httpRequestData = "api_key=" + myWriteAPIKey + "&field1=" + 

                                String(temperature);
12
13   Serial.print(F("POSTing a temperature of "));
14   Serial.print(String(temperature));
15   Serial.println(F(" to ThingSpeak"));
16        
17   // Send HTTP POST request to /update. The reponse will be written to 

        post_response.txt in the LARA's file system
18   myLARA.sendHTTPPOSTdata(0, "/update", "post_response.txt", httpRequestData,

                             LARA_R6_HTTP_CONTENT_APPLICATION_X_WWW);
19
20
21   // Send data using HTTP GET 
22      ==> see original code on Github
23
24   for (int i = 0; i < 20000; i++) // Wait for 20 seconds    
25   {
26     myLARA.poll(); // Keep processing data from the LARA so we can catch 

                            the HTTP command result
27     delay(1);
28   }
29  }
...

Listaus 1: Tämä pääohjelma luo satunnaisen lämpötila-arvon ja kutsuu kirjastofunktiota sendHTTPPOSTdata 20 sekunnin välein. (Koodin lähde: Firechip on Github)

AT-komentojonon luonti kutsumalla kirjastofunktioita

Kirjaston otsikkotiedosto ”Firechip_u-blox_LARA-R6_Arduino_Library.h” välittää funktiokutsun sendHTTPPOSTdata kirjastomenettelyyn ”Firechip_u-blox_LARA-R6_Arduino_Library.cpp”, jossa täysin muotoiltu AT-komentojono luodaan ja lähetetään (listaus 2).

Kopioi
...
1  LARA_R6_error_t LARA_R6::sendHTTPPOSTdata(int profile, String path, 

                              String responseFilename, String data,  

                              LARA_R6_http_content_types_t httpContentType)
2  {
3    LARA_R6_error_t err;
4    char *command;
5
6    if (profile >= LARA_R6_NUM_HTTP_PROFILES)
7     return LARA_R6_ERROR_ERROR;
8
9    command = lara_r6_calloc_char(strlen(LARA_R6_HTTP_COMMAND) + 24 +

                                  path.length() + responseFilename.length()

                                  + data.length());
10   if (command == nullptr)
11     return LARA_R6_ERROR_OUT_OF_MEMORY;
12   sprintf(command, "%s=%d,%d,\"%s\",\"%s\",\"%s\",%d",

             LARA_R6_HTTP_COMMAND, profile, LARA_R6_HTTP_COMMAND_POST_DATA,

             path.c_str(), responseFilename.c_str(), data.c_str(),

             httpContentType);
13
14   err = sendCommandWithResponse(command, LARA_R6_RESPONSE_OK_OR_ERROR,

                                 nullptr, LARA_R6_STANDARD_RESPONSE_TIMEOUT);
15
16   free(command);
17   return err;
18 }
...

Listaus 2: Tämä C++-kirjastomenettely luo ja lähettää täysin muotoillun AT-komentojonon (rivi 12). (Koodin lähde: Firechip on Github)

Kirjastomenettely LARA_R6::sendHTTPPOSTdata (listaus 2) käyttää funktiokutsussa myLARA.sendHTTPPOSTdata() (listaus 1) annettuja parametreja ja lisäksi kirjaston otsikkotiedostossa määritettyjä muuttujia täydellisen HTTP-komentojonon luontiin taulukon 3 mukaisesti. Lopuksi LARA-R6-modeemi lähettää tuloksena saadun AT-komentojonon ThingSpeakin RemoteHTTP-palvelimelle:

AT+UHTTPC=0,5,"/update","post_response.txt","api_key=PFIOEXW1VF21T7O6&field1=21.54",0

Yhteenveto

LARA-R6-sarjan LTE Cat 1 -monitilaradiomoduulit ovat tehokkaita ja kustannustehokkaita laitteita vähävirtaisten IoT- ja M2M-sovellusten maailmanlaajuisia verkkoyhteyksiä varten. Kuten edellä on esitetty, kehittäjillä on arviointialustan kautta suora pääsy kaikkiin rajapintoihin, ja he voivat konfiguroida ja ohjata helposti moduulin protokollia ja toimintoja AT-komennoilla. Tämä tarjoaa yksinkertaisia vaihtoehtoja PC-modeemikäyttöön, datan lähetykseen pilveen ja AT-komentojonojen luontiin kirjastotoimintojen kautta.