Käytä LTE-M-, NB-IoT- ja DECT NR+ -yhdistelmän tarjoavaa kehityssarjaa langattoman IoT-suunnittelun käynnistämiseen

Esineiden internetin (IoT) langattomat vähätehoiset pitkän kantaman verkkoteknologiat (LPWAN), kuten LTE-M (Long-Term Evolution Machine Type Communication) ja NB-IoT (NarrowBand-IoT), tarjoavat yli kilometrin (km) langattoman yhteysetäisyyden paristo- ja akkukäyttöisille laitteille käyttämällä olemassa olevaa ja luotettavaa matkapuhelininfrastruktuuria. New Radio+ (DECT NR+) on lisenssivapaa LPWAN-vaihtoehto sovelluksiin, jotka edellyttävät solumaista lähestymistapaa massiivisten IoT-laitemäärien kanssa. Kaikki kolme lähestymistapaa voivat olla kehittäjille monimutkaisia toteuttaa – niillekin, joilla on kokemusta lyhyen kantaman langattomista yhteyksistä.

Työskentely sellaisen ratkaisuntarjoajan kanssa, joka tarjoaa valmiiksi sertifioituja tuotteita, joissa on integroituna LTE-M-, NB-IoT- tai DECT NR+ -protokollaohjelmistopinot ja automaattiset modeemit, voi kompensoida LPWAN-suunnittelun kompleksisuutta. Tällaisten ratkaisujen avulla kehittäjä voi keskittyä enemmän siihen, mikä tekee sovelluksesta erilaisen, ja saavuttaa markkinoilletuonnin aikatavoitteet.

Tämä artikkeli tarjoaa yhteenvedon LTE-M-, NB-IoT- ja DECT NR+ -teknologioiden hyödyistä pitkän kantaman IoT-yhteyksissä ja käsittelee toteutuksen haasteita. Sen jälkeen se esittelee Nordic Semiconductorin langattoman yhdistetyn IoT- ja DECT NR+ -laitteen ja siihen liittyvän kehityspaketin ja näyttää, miten niitä voidaan käyttää tällaisten haasteiden ratkaisuun.

Miksi käyttää langatonta LTE-M-, NB-IoT- tai DECT NR+ -teknologiaa?

Jotta IoT-laitteet voivat olla olennainen osa Internetin muodostamaa maailmanlaajuista verkkoa, niiden on pystyttävä kommunikoimaan pilven kanssa IP (Internet Protocol) -protokollan avulla ilman kalliiden yhdyskäytävien käyttöä. Sellaisissa sovelluksissa kuten maataloudessa, älykkäissä kaupungeissa ja ympäristönvalvonnassa kommunikaation on toimittava pitkillä etäisyyksillä ja vähäisellä huoltotarpeella. Jälkimmäinen tarkoittaa pientä virrankulutusta pariston/akun käyttöiän maksimoimiseksi.

LTE-M- ja NB-IoT-teknologiat tarjoavat langattoman ratkaisun näihin haasteisiin. Ne perustuvat 3GPP:n asettamiin spesifikaatioihin, joten ne ovat IP-yhteensopivia ja tarjoavat yli kilometrin kantaman. LTE-M toimii taajuuskaistalla 698–960 MHz ja NB-IoT taajuuskaistalla 1710–2200 MHz. Taulukossa 1 on yhteenveto LTE-M- ja NB-IoT-teknologioiden teknisistä tiedoista.

Taulukko 1: LTE-M- ja NB-IoT-teknologioiden vertailu. (Kuvan lähde: Nordic Semiconductor)

DECT NR+ tarjoaa vaihtoehdon sovelluksiin, jotka vaativat pitkän kantaman yhteyttä ilman lisenssimaksua. Se perustuu 5G-spesifikaatioihin, toimii 1900 MHz:n taajuudella, tukee korkean tiheyden LPWAN-verkkoja ja soveltuu koneiden väliseen kommunikaatioon (M2M) ja kaupunginlaajuiseen ilmanlaadun seurantaan.

RF-suunnittelun yksinkertaistaminen

RF-ratkaisun toteuttaminen on haastavaa monille kehittäjille ja voi usein vaarantaa markkinoilletuonnin aikataulut. Paljon laitteistohaasteita voidaan kuitenkin voittaa valitsemalla integroitu ratkaisu, joka kätkee suuren osan kompleksisuudesta. Yksi esimerkki on Nordic Semiconductorin nRF9161 SiP (System-in-Package) -teknologia (kuva 1).

SiP sisältää sovellusohjelmistoille tarkoitetun Arm^® Cortex^®-M33-prosessorin ja modeemin, joka tukee LTE-M-, NB-IoT- ja DECT NR+ RF -rajapintoja. SiP sisältää myös RF-etuasteen (RFFE) ja virranhallintajärjestelmän, ja kaikki on 16,0 x 10,5 x 1,04 millimetrin (mm) kokoisessa LGA (Land Grid Array) -kotelossa. Modeemi tukee IPv4/IPv6-protokollia ja salattuja FOTA (Firmware-Over-The-Air) -päivityksiä. Sovellusprosessorilla on käytössään 1 megatavun (Mt) flash-muisti ja 256 kilotavun (Kt) RAM-muisti.

Kuva 1: nRF9161 SiP sisältää Arm Cortex-M33 -prosessorin, LTE-modeemin, RF-etuasteen, muistin ja virranhallinnan. (Kuvan lähde: Nordic Semiconductor)

SiP sisältää myös GNSS-vastaanottimen esimerkiksi sijainnin seurannan kaltaisia sovelluksia varten. Rajapintoihin ja oheislaitteisiin kuuluvat 12-bittinen analogi-digitaalimuunnin (ADC), reaaliaikakello (RTC), SPI (Serial Peripheral Interface), I²C (Inter-Integrated Circuit), I²S (Inter-IC Sound), UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), pulssitiheysmodulaatio (PDM) ja pulssileveysmodulaatio (PWM). SiP mahdollistaa langattoman tai DECT NR+ IoT-ratkaisun kehittämisen, jossa käytetään yhtä laitetta, antennia, paristoa/akkua, SIM- tai eSIM-korttia ja anturia (kuva 2).

Kuva 2: nRF9161 SiP on pitkälle integroitu langaton (LTE-M, NB-IoT) ja DECT NR+ IoT-yhteysratkaisu. (Kuvan lähde: Nordic Semiconductor)

Ohjelmistosuunnittelun haasteet

RF IoT -suunnittelun haasteet ulottuvat myös ohjelmistoon. Langattomat ja DECT NR+ -pinot ovat suuria ja erittäin monimutkaisia; kumman tahansa rakentaminen tyhjästä vaatii protokolla-asiantuntijoita. LTE-M- ja NB-IoT-teknologioiden tapauksessa kehittäjän täytyy toteuttaa solukohtaiset huomiokomennot (AT), kun pino on rakennettu ja testattu. Ne ovat minkä tahansa matkapuhelinmodeemin ja sen isäntäohjaimen välisen kommunikaation perusta. Niitä käytetään pääasiassa modeemin konfigurointiin ja debuggaukseen sekä verkkoyhteyden mahdollistamiseen mobiiliverkko-operaattoreiden (MNO) kautta.

Nordic helpottaa ohjelmiston koodausongelmia toimittamalla SiP-modeemiin valmiiksi ohjelmoidun, luotettavan ja vakaan LTE-M-pinon. Lisäksi Nordicin Serial LTE Modem -sovellus käsittelee AT-komennot, joilla modeemi ohjataan lähettämään ja vastaanottamaan dataa.

Teknisten haasteiden lisäksi matkapuhelinmodeemien on täytettävä tiukat aluekohtaiset sertifiointi- ja viranomaisvaatimukset. Niihin kuuluvat maailmanlaajuiset sertifioinnit yhteensopivuuden varmistamiseksi LTE-spesifikaatioiden kanssa, jotta päätelaite voi kommunikoida LTE-M- tai NB-IoT-verkoissa. Lisäksi joillakin mobiiliverkko-operaattoreilla on omia sertifiointivaatimuksiansa.

Nordic on tässäkin tapauksessa helpottanut kehittäjien taakkaa sertifioimalla nRF9161 SiP -piirin valmiiksi käyttöön kaikkein kriittisimmillä alueilla, tärkeimmissä verkoissa ja näiden verkkojen tärkeimmillä LTE-kaistoilla.

nRF9161-kehityssarjan käyttö

Vaikka nRF9161 SiP helpottaakin useita kriittisiä laitteisto- ja ohjelmistohaasteita, jotka liittyvät langattomaan IoT- ja DECT NR+ -kehitykseen, toimivan prototyypin luonti vaatii silti työtä. Nordic tarjoaa suunnitteluprosessin nopeuttamiseksi nRF9161 DK -kehityssarjan (kuva 3) ja valikoiman ohjelmistotyökaluja. Työkalujen kärjessä on yhtiön nRF Connect SDK, joka on yhtenäinen kehitysympäristö Nordicin langattomille ratkaisuille.

Kehityssarja sisältää SiP:n ja tarvittavat piirit täysin toimivan prototyypin toteuttamiseksi. Sarjaan kuuluu dedikoitu LTE-M/NB-IoT- ja DECT NR+ -antenni sekä integroitu patch-antenni GNSS-käyttöä varten. Ohjelmointi ja debuggaus ovat mahdollisia sisäisen SEGGER J-Link -debuggerin kautta, ja sarjan mukana toimitetaan SIM-kortti, jossa on dataa valmiiksi ladattuna. Se tukee myös SIM-ohjelmiston käyttöä, mikä vähentää virrankulutusta edelleen.

Kuva 3: nRF9161-kehityssarja sisältää nRF9161 SiP -ratkaisun LTE-M-, NB-IoT- ja DECT NR+ -teknologioita varten, LPWAN- ja GNSS-antennit, ohjelmointiin ja debuggaukseen tarkoitetun SEGGER J-Link -debuggerin ja valmiiksi ladatun SIM-kortin. (Kuvan lähde: Nordic Semiconductor)

Jotta nRF9161-sarjalla voi aloittaa kehitystyön, SIM-kortti on asetettava paikoilleen (tai eSIM on aktivoitava), PROG/DEBUG SW10 -kytkin on asetettava asentoon ”nRF91” ja sarja on yhdistettävä pöytätietokoneeseen micro-USB 2.0 -kaapelilla. Kehityssarja vaatii Windows-, macOS- tai Ubuntu Linux -käyttöjärjestelmän (OS).

Seuraava vaihe on Nordicin nRF Connect for Desktopin asennus ja ohjelmiston aktivointi. Sen kautta on mahdollista asentaa pika-aloitussovellus, joka on työkalu opastettuihin asennus- ja määritystoimenpiteisiin. Ohjelmisto yksinkertaistaa kehityssarjan laiteohjelmiston päivittämistä ja SIM-kortin aktivointia. Kehittäjä voi siirtää dataa sarjasta pilveen luomalla Nordic nRF Cloud -tilin tai muodostamalla yhteyden muihin pilvipalveluihin.

Pika-aloitussovellus ohjaa kehittäjän tämän jälkeen Nordic nRF Connect SDK -ympäristöön. SDK toimii Nordicin nRF Connect for VS Code -laajennusta käyttämällä Visual Studio Coden kanssa, joka on suosittu integroitu kehitysympäristö (IDE). SDK-ympäristöä käytetään sovellusten kehittämiseen, ja se tarjoaa hyödyllisiä esimerkkejä, kuten laitteen sijainnin haun GNSS-, mobiili- tai Wi-Fi-paikannuksen avulla ja anturidatan lähettämisen nRF9161-sarjasta pilveen.

Kun sovellus on luotu, nRF9161 SiP -piirin sisäisen Arm-sovellusprosessorin ohjelmointi on helppoa. Ensimmäisessä vaiheessa sarja yhdistetään tietokoneeseen USB-kaapelilla ja siihen kytketään virta. Kehittäjän on napsautettava nRF Connect for VS Code -laajennuksen ”Actions View” -näkymästä ”Flash”-vaihtoehtoa. Näyttöön tulee ilmoitus, joka näyttää ohjelmoinnin edistymisen ja vahvistaa sen päättymisen.

Kehityssarjan avulla voidaan myös tarkistaa LTE-M-, NB-IoT- tai DECT NR+ -RF-signaali. Hyvä RF-suorituskyky on erittäin tärkeää IoT-laitteen ja tukiaseman välisen kommunikaatioetäisyyden maksimoimiseksi. Mittausta varten sarjan pienen koaksiaaliliittimen (J1) ja spektrianalysaattorin väliin (kuva 4) asennetaan kaapeli.

Kuva 4: nRF9161-kehityssarjan RF-signaali voidaan mitata yhdistämällä se koaksiaalikaapelilla spektrianalysaattoriin. (Kuvan lähde: Nordic Semiconductor)

nRF9161-kehityssarjan edistyneet kehitystyökalut

Kun sovellus on ohjelmoitu, Nordic tarjoaa kaksi työkalua, joiden avulla kehittäjä voi tarkkailla sen suorituskykyä. Ensimmäinen on Power Profiler Kit II (PPK2) (kuva 5). Tämä erillinen laite voi mitata kehityssarjan virrankulutuksen 200 nanoampeerin (nA) ja 1 ampeerin (A) välisellä alueella 100 nA:n ja 1 milliampeerin (mA) välisellä resoluutiolla. PPK2 voi myös syöttää kehityssarjaan jopa 5 volttia virralla 1 A.

Kuva 5: PPK2 voi mitata nRF9161-kehityssarjan keskimääräisen ja hetkellisen virrankulutuksen sovellusta suoritettaessa. (Kuvan lähde: Nordic Semiconductor)

PPK2-sarjaa käytetään Power Profiler -sovelluksella, joka kuuluu nRF Connect for Desktop -ohjelmistoon. Kehittäjä voi analysoida sovelluksen avulla nRF9161-sarjan keskimääräisen ja hetkellisen virrankulutuksen sovellusta suoritettaessa. Lukemia voidaan ottaa pidemmältä ajalta ja samanaikainen zoomaus on tarvittaessa mahdollista millisekunnin tarkkuudella. Mittausdata voidaan myös viedä jatkokäsiteltäväksi.

Kehittäjä näkee virrankulutusanalyysin avulla, missä kohdin sovelluskoodia voidaan muuttaa virran säästämiseksi ja siten ratkaisun pariston/akun käyttöiän pidentämiseksi (kuva 6).

Kuva 6: Power Profiler -sovellus näyttää nRF Connect for Desktop -ohjelmistossa sovelluksen virrankulutuksen sen käytön aikana. (Kuvan lähde: Nordic Semiconductor)

Nordicin Cellular Monitor -työkalu auttaa sovelluksen kehitystyössä ja nRF Connect for Desktop -ohjelmisto tukee sitä. Tämä työkalu näyttää, mitä nRF9161 SiP -piirin modeemi tekee, kun kehityssarja suorittaa sovellusta. Se kattaa verkon suorituskyvyn, laitteen tilan ja datasiirron. Kehittäjä voi analysoida modeemiliikennettä ja optimoida sovelluksen suorituskyvyn näiden ominaisuuksien avulla. Informaatio näytetään sarjapäätteellä.

Yhteenveto

LTE-M-, NB-IoT- ja DECT NR+ LPWAN -tekniikat tukevat luotettavia, turvallisia ja skaalautuvia pitkän etäisyyden yhteyksiä IoT-laitteille, mutta langattomien laitteistojen ja ohjelmistojen kehittäminen voi olla haastavaa. Nordicin nRF9161 SiP, sulautettu protokollaohjelmisto ja sitä tukeva nRF9161 DK -kehityssarja ja sovellukset vähentävät paljon suunnittelun monimutkaisuutta.