Miksi ja miten mobiiliverkon IoT-projekteja voidaan nopeuttaa Microchipin IoT-kehitysalustan avulla

Mobiiliverkon esineiden internet (IoT) – LPWAN (Low Power Wide Area Network) -teknologia – tarjoaa selkeän ja luotettavan tavan luoda turvallinen ja robusti IoT sovelluksissa, jotka ulottuvat älykaupungeista maatalouteen ja infrastruktuurin etävalvontaan. Mobiiliverkon IoT on kuitenkin kompleksinen teknologia, joka aiheuttaa kokemattomille suunnittelijoille vaikeuksia, kun he aloittavat projektin.

Mobiiliverkon IoT:n suunnitteluhaasteita voidaan kuitenkin helpottaa käyttämällä projekteissa mobiilikehitysalustoja ja niiden tuttuja yleiskäyttöisiä mikrokontrollereita (MCU) ja integroituja kehitysympäristöjä (IDE). Nämä kehitysalustat auttavat suunnittelijoita pääsemään alkuun IoT-mobiiliprojekteissa laitteiston layoutista aina tietojen lähettämiseen pilveen asti ja niissä hyödynnetään avoimen lähdekoodin ohjelmistokirjastoja ja yksinkertaista anturiliitäntää.

Tässä artikkelissa käsitellään ensin lyhyesti mobiiliverkon IoT:n etuja ja sen jälkeen siinä käsitellään tämän teknologian käyttöön liittyvää kompleksisuutta. Sitten artikkelissa kuvataan, miten mobiiliverkon IoT -kehitysalustojen käytöllä voidaan vähentää paljon tätä kompleksisuutta. Lopuksi artikkelissa kuvataan, miten Microchip Technologyn kehitysalusta määritetään lähettämään yksinkertaisia väri- ja lämpötilatietoja pilveen.

Mitä on mobiiliverkon IoT?

Mobiiliverkon IoT käyttää vähävirtaista langatonta tekniikkaa IoT-päätelaitteiden (kuten anturien ja aktuaattorien) yhdistämiseksi pilveen. Kyseessä on LPWAN-tekniikka, jolle on ominaista yli kilometrin kantama, päätelaitteiden tuki korkealla tiheydellä ja alhaiset tiedonsiirtonopeudet.

Vaikka on olemassa muitakin LPWAN-tekniikoita, kuten LoRaWAN (katso ”Nopeuta LoRaWAN IoT -projekteja päästä-päähän-aloitussarjalla”) ja Sigfox, mobiili IoT tarjoaa joitakin keskeisiä etuja:

• Tulevaisuusvarmuus: mobiiliverkon IoT-spesifikaatiota tarkistetaan ja kehitetään jatkuvasti.
• Skaalautuvuus: mobiiliverkon IoT:n käyttöönottoa nopeuttaa vakiintuneen mobiiliarkkitehtuurin käyttö.
• Palvelun laatu (QoS): mobiiliverkon IoT tarjoaa korkean luotettavuuden, koska se perustuu suuren mittakaavan kaupallisissa sovelluksissa hyväksi koettuun ja kehittyneeseen infrastruktuuriin.
• IP-yhteentoimivuus: päätelaitteet voidaan yhdistää suoraan pilvipalveluun ilman kalliita ja kompleksisia yhdyskäytäviä.

Suunnittelijoiden on otettava huomioon, että mobiiliverkon IoT:ssa tiedonsiirtoon liittyy jatkuvia kustannuksia. Näin ei ole kilpailevissa teknologioissa, kuten LoRaWAN, joka käyttää lisensoimatonta taajuusspektriä. Mobiiliverkon IoT:n datakustannukset ovat kuitenkin laskusuunnassa kilpailupaineiden ja reunalaskennan lisääntyneen käytön vuoksi, mikä vähentää verkon kautta lähetettävän tavallisen datan määrää.

Mobiiliverkon IoT:ta säätelee kolmannen sukupolven kumppanuushankkeen (3GPP) määrittelemä ja päivittämä televiestintästandardi. 3GPP-standardin versio 13 on laajentanut koneiden välisiä (M2M) modeemiluokkia mahdollistaen IoT-yhteyksiin soveltuvat edulliset, pienitehoiset ja alhaisten tiedonsiirtonopeuksien modeemit. Standardin myöhemmät versiot ovat parantaneet näitä IoT-modeemeja entisestään.

Mobiiliverkon IoT-modeemeilla varustetut langattomat anturit voivat lähettää tietoja pilveen kilometrien päästä ilman kalliita ja kompleksisia yhdyskäytäviä. Ne tarjoavat tietoturvan ja QoS-ominaisuudet, joista mobiiliverkko tunnetaan.

LTE-M- ja NB-IoT-teknologian välinen ero

Mobiiliverkon IoT -teknologioita on olemassa kahta eri muotoa, LTE-luokka M1 (LTE-M) ja kapeakaistainen IoT (NB-IoT). Molemmat tyypit on suunniteltu käytettäväksi resurssirajoitteisissa, usein akkukäyttöisissä laitteissa, jotka ovat tyypillisiä IoT:lle ja teolliselle IoT:lle (IIoT). Koska IoT-modeemit muodostavat yhteyden nykyiseen matkapuhelininfrastruktuuriin, kukin niistä vaatii oman SIM (Subscriber Identity Module) -korttinsa.

LTE-M perustuu pelkistettyyn LTE (”4G”) -teknologiaan. Se tukee suojattua tiedonsiirtoa, laajaa kattavuusaluetta ja korkeaa järjestelmäkapasiteettia. Sen kyky toimia täysdupleksisena järjestelmänä suhteellisen laajalla kaistanleveydellä (1,4 megahertsiä (MHz)) parantaa sen latenssia ja tiedonsiirtonopeutta NB-IoT-teknologiaan verrattuna. Raakadatan tiedonsiirtonopeus on 300 kilobittiä sekunnissa (Kbits/s) alaspäin ja 375 Kbits/s ylöspäin. Teknologia soveltuu suojattuihin päästä-päähän-IP-yhteyksiin, ja liikkuvuutta tuetaan LTE-solunvaihtotekniikoilla. LTE-M soveltuu sellaisiin mobiilisovelluksiin kuten omaisuudenseuranta ja terveydenhuolto.

NB-IoT:n suunnittelussa on huomioitu ensisijaisesti energiatehokkuus sekä tehokas läpäisykyky rakennuksien sisälle ja muille RF-epäystävällisille alueille. Toisin kuin LTE-M, se ei perustu LTE:n fyysiseen kerrokseen (PHY). Modeemi on jopa vähemmän kompleksinen kuin LTE-M-laitteet, sillä NB-IoT käyttää 200 kilohertsin (kHz) kaistanleveyttä. Raakadatan tiedonsiirtonopeus on vaatimattomat 60/30 Kbit/s, mutta kantama on kuitenkin parempi kuin LTE-M-teknologialla. NB-IoT soveltuu staattisiin sovelluksiin, kuten älymittareihin, joiden ympärillä voi olla seinät.

Kaupalliset mobiiliverkon IoT-modeemit

Saatavilla on nyt useita erilaisia kaupallisia LTE-M/NB-IoT-modeemeja. Yksi esimerkki on Monarch 2 GM02S -moduuli valmistajalta Sequans. Laite tukee yhtä SKU (Stock Keeping Unit) RF-etuastetta, joka voi käyttää 20 maailmanlaajuista LTE-kaistaa. Se toimitetaan kompaktissa LGA-moduulissa, jonka mitat ovat 16,3 x 17 x  1,85 millimetriä (mm). Moduuli täyttää 3GPP Release 14/15 -standardin vaatimukset. Modeemi käyttää yksipuolista 2,2–5,5 voltin jännitettä, ja sen maksimilähetysteho on +23 desibeliä suhteessa 1 milliwattiin (mW) (dBm).

GM02S tukee ulkoista SIM-korttia ja eSIM-korttia sekä integroituja SIM-kortteja. Tuote sisältää 50 ohmin (Ω) antenniliitännän. Laitteen mukana toimitetaan LTE-M/NB-IoT-ohjelmistopino ja Sequans Cloud Connector -ohjelmisto, joka mahdollistaa helpon yhdistämisen kaupallisiin pilvialustoihin (kuva 1).

Kuva 1: Sequans GM02S LTE-M/NB-IoT -modeemi on kooltaan kompakti ja tarjoaa kehittyneen ohjelmistopinon. (Kuvan lähde: Sequans)

Mobiiliverkon IoT-suunnittelun haasteet

Vaikka GM02S-modeemi on pitkälle integroitu laite, joka toimitetaan ohjelmistopinolla ja pilviyhteydellä varustettuna kuten kaikki kaupalliset modeemit, tarvitaan vielä huomattava määrä kehitystyötä ennen kuin IoT-sovellus voi lähettää dataa saumattomasti kilometrien matkan pilveen.

Modeemi on tarkoitettu ainoastaan päätelaitteen ja tukiaseman väliseen viestintään. Modeemin ohjaukseen ja samalla anturisovellusohjelmiston suorittamiseen tarvitaan erillinen valvonta- ja sovellusprosessori. Lisäksi suunnittelijan on otettava huomioon antennipiirit, virtalähde ja päätelaitteen varustaminen SIM-kortilla, jotta varmistetaan saumaton yhteys matkapuhelinverkkoon (katso ”How to Use Multiband Embedded Antennas to Save Space, Complexity, and Cost in IoT Designs” (Monikaistaisten sulautettujen antennien käyttö tilan, kustannusten ja kompleksisuuden vähentämiseksi IoT-ratkaisuissa)).

Laitteistosuunnittelun lisäksi tarvitaan myös koodaustaitoja, jotta matkapuhelinmoduuli voidaan yhdistää verkkoon ja jotta se voi vastaanottaa/lähettää dataa. Jos ratkaisussa käytetään ulkoista sovellusmikrokontrolleria, se kommunikoi tyypillisesti matkapuhelinmoduulin kanssa UART-sarjalinkin kautta (vaikka myös muita I/O-rajapintoja voidaan käyttää). AT (”attention”) -komennot ovat tavallinen tapa ohjata matkapuhelinmodeemia. Komennot koostuvat sarjasta lyhyitä tekstimerkkijonoja, joita yhdistelemällä saadaan aikaan sellaisia toimintoja kuten soitto, yhteyden katkaisu ja yhteysparametrien muuttaminen.

AT-komentoja on kahdenlaisia: peruskomennot ovat niitä, joiden edessä ei ole ”+”-merkkiä. Esimerkkejä näistä ovat ”D” (soita), ”A” (vastaa), ”H” (katkaise yhteys) ja ”O” (palaa online-datatilaan). Laajennettujen komentojen edessä on ”+”-merkki. Esimerkiksi ”+CMGS” (lähetä tekstiviesti), ”+CMGL” (näytä tekstiviestit) ja ”+CMGR” (lue tekstiviestit) (katso “Use a Cellular Module to Connect a Maker Project to the IoT” (Käytä matkapuhelinmoduulia Maker-projektin yhdistämiseen IoT:iin)).

Nämä laitteisto- ja ohjelmistokysymykset tekevät mobiiliverkon IoT-teknologiasta kompleksista, ja tämä voi hidastaa vähemmän kokeneiden suunnittelijoiden edistymistä. Onneksi sovellusmikrokontrollerien ja mobiiliverkon IoT-modeemien valmistajat ovat nyt yhdistäneet voimansa tarjotakseen sellaisia laitteisto- ja ohjelmistosuunnittelutyökaluja, jotka helpottavat huomattavasti tämän tärkeän LPWAN-teknologian hyödyntämistä.

Kompleksisuuden eliminointi IoT-kehitysalustojen avulla

Mobiiliverkon IoT-suunnittelun haasteisiin vastaaminen helpottuu huomattavasti käyttämällä prototyyppinä tarkoitukseen suunniteltua kehitysalustaa. Kehitysalustan laitteisto sisältää yleensä antennin, virtalähteen, SIM-kortin pienellä ilmaisella datamäärällä, sovellusprosessorin ja viritysverkot hyvän RF-suorituskyvyn takaamiseksi. Tämä tarjoaa suunnittelijoille vankan laitepohjan projektia varten ja mahdollisuuden keskittyä sovelluskehitykseen. Kun kehitysalusta valitaan oikein, sovellus voidaan jopa kehittää tutussa IDE-ympäristössä.

Yksi esimerkki suositusta mobiiliverkon IoT-kehitysalustasta on Microchipin AVR-IoT Cellular Mini -kehitysalusta EV70N78A. Tämä laitteistoalusta perustuu suosittuun Microchip AVR128DB48 -mikrokontrolleriin ja edellä kuvattuun Sequans Monarch 2 GM02S -matkapuhelinmoduuliin. Mikrokontrolleri on 8-bittinen 24 MHz:n laite. Se sisältää 128 kilotavua (Kt) flash-muistia, 16 kilotavua SRAM-muistia, 512 tavua EEPROM-muistia ja se käyttää 48 nastan koteloa.

Kehitysalustaan on integroitu myös turvaelementti ATECC608B. Kun kehitysalusta yhdistetään LTE-M- tai NB-IoT-verkkoon, turvaelementti ATECC608B suorittaa laitteiston todentamisen pilvipalvelussa, jotta jokainen alusta voidaan tunnistaa yksilöllisesti.

Suunnittelutyötä helpottaa lisäksi se, että Microchipin kehitysalusta sisältää myös aktivointivalmiin Truphone SIM-kortin 150 megatavun (Mt) datamäärällä.

Kehitysalusta sisältää viisi käyttäjälediä, kaksi mekaanista painiketta, 32,768 kHz:n kiteen, väri- ja lämpötila-anturit Adafruit Feather -yhteensopivan reunaliittimen, Qwiic I²C -liittimen, sisäisen debuggerin, USB-portin, akun ja ulkoisen tulon virtalähdevaihtoehdot sekä lataustilan ledivalolla varustetun litiumioni-/litiumpolymeeriakkulaturin MCP73830 (kuva 2).

Kuva 2: AVR-IoT Cellular Mini -kehitysalusta perustuu mikrokontrolleriin AVR128DB48, ja sen mukana tulee SIM-kortti 150 Mt:n datamäärällä. (Kuvan lähde: Microchip Technology)

Mobiiliverkon IoT-projektin käynnistäminen

Mobiiliverkon IoT:n tarkoituksena on yhdistää IoT-päätelaitteet, kuten anturit ja aktuaattorit, langattomasti verkkoon, jotta niiden data voidaan lähettää pilveen kilometrien etäisyydeltä. Microchip-kehitysalustan mikrokontrolleriin on valmiiksi asennettu laiteohjelmistokuva. Se kuuluu esimerkkisovellukseen, jonka avulla käyttäjät voivat luoda nopeasti yhteyden verkkoon ja lähettää dataa alustan sisäisistä lämpötila- ja väriantureista pilvipohjaiseen hiekkalaatikkoon (AWS-palvelussa).

Laitteisto on helppo saada valmiiksi kehitystyötä varten: SIM-kortti on aktivoitava ja asetettava paikalleen, ulkoinen antenni on liitettävä piirilevyyn, piirilevyn USB-C-vianmääritysportti on yhdistettävä tietokoneeseen, piirilevyn pohjassa oleva QR-koodi on skannattava tai on avattava massamuistilaite ja mentävä CLICK-ME.HTM-tiedoston kautta sarjan verkkosivulle.

Microchip IoT Provisioning Tool -työkalu (saatavilla Githubista) tarjoaa helppokäyttöisen ratkaisun AVR-IoT Cellular Mini -kehitysalustan konfigurointiin, jossa voidaan valita pilvipalveluntarjoaja, verkkopalveluntarjoajan asetukset sekä halutut matkapuhelintaajuuskaistat. (Jotta hiekkalaatikkoesimerkki toimisi, kehitysalustaksi on valittava AWS Microchip -hiekkalaatikko).

Kun kehittäjät ovat keränneet kokemusta esimerkkisovelluksen avulla, he voivat aloittaa oman sovelluksen luonnin käyttämällä apuna kehitysalustan täyttä Arduino IDE -tukea. Tämä tuki perustuu Githubin ylläpitämään AVR IoT Cellular Arduino -kirjastoon. Kirjaston perustana on avoimen lähdekoodin DxCore (kuva 3).

Kuva 3: AVR IoT Cellular -kirjasto (oranssi) sisältää ohjelmistomoduulit kehitysalustan ohjelmointia ja ohjausta varten (näkyy yksinkertaistettuna vihreällä). (Kuvan lähde: Microchip Technology)

Sisäänrakennettu debuggeri (PKOB nano) tarjoaa täyden ohjelmointituen Arduino IDE:lle. Ulkoisia työkaluja ei tarvita, ja debuggeri tarjoaa myös pääsyn sarjaporttiliitäntään (sarjaliitäntä-USB-silta) ja kahteen logiikka-analysaattorikanavaan (debuggaus-GPIO). AVR IoT Cellular Mini -kehitysalustan sisäänrakennettu debuggeri näkyy isäntäkoneen USB-alijärjestelmässä HID (Human Interface Device) -laitteena. Kunnianhimoisempia projekteja varten kehitysalustan Qwiic- ja Feather-yhteensopivat reunaliittimet mahdollistavat helpon laajentamisen käyttämällä Sparkfunin ja Adafruitin (kuva 4) laajaa lisälevyvalikoimaa.

Kuva 4: Tämä AVR IoT -kehitysalustan lohkokaavio näyttää, että yhteys isäntätietokoneeseen toteutetaan debuggerin USB-linkin kautta, kun taas sovellusmikrokontrolleri ohjelmoidaan debuggerin UART-linkin kautta. Huomaa, että myös sovellusmikrokontrollerin ja matkapuhelinmodeemin välinen yhteys toteutetaan UART-yhteyden kautta. (Kuvan lähde: Microchip Technology)

Sovellusohjelmoinnin aloittaminen vaatii Arduino IDE:n ja DxCoren lataamista ja asentamista. Sen jälkeen Arduino IDE on konfiguroitava siten, että se mahdollistaa AVR IoT Cellular Arduino -kirjaston suorittamisen (luettelo 1).

Luettelo 1: Arduino IDE:n konfigurointi, joka mahdollistaa AVR IoT Cellular Arduino -kirjaston suorittamisen. (Koodin lähde: Microchip Technology)

Kun IDE on konfiguroitu, voidaan asentaa kirjasto. Kun tämä on tehty, kehitysalustassa voidaan käyttää useita kirjaston sisältämiä esimerkkejä. Visual Studio Code IDE -ympäristön kanssa tutut suunnittelijat voivat käyttää sitä AVR IoT -kehitykseen, mikäli he asentavat siihen Arduino-lisäosan. Jommassakummassa IDE-ympäristössä kehitetty Arduino-sovelluskoodi siirretään kehitysalustan mikrokontrolleriin alustalle sisäänrakennetun debuggerin avulla.

Virtamittausten suorittaminen

Mobiiliverkon IoT on suunniteltu toimimaan pienellä teholla akkukäyttöisten IoT-päätelaitteiden käyttöiän pidentämiseksi. Siksi sovelluskoodi on tärkeää optimoida minimaalista virrankulutusta varten.

Virta johdetaan Microchip-kehitysalustalla kaikkiin alustan osiin viiden johtimen kautta, jotka voidaan katkaista. Näitä on tarkoitus käyttää myös virranmittaustarkoituksiin. Halutun piirin virta voidaan mitata yksinkertaisesti katkaisemalla johdin ja kytkemällä reikiin ampeerimittari (kuva 5).

Kuva 5: AVR IoT -kehitysalustan katkaistavia johtimia voidaan käyttää pääpiirien virrankulutuksen mittaamiseen. (Kuvan lähde: Microchip Technology)

Kehitysalustaan kuuluu myös järjestelmäjännitteen mittauspiiri, jossa käytetään MIC94163-kytkintä ja mikrokontrollerin ADC-nastaan liitettyä jännitejakajaa. Tämä mahdollistaa haluttaessa jännitteen mittauksen ja estää virtavuodon jännitejakajan kautta. Voit mitata järjestelmäjännitteen seuraavasti:

1. Konfiguroi ADC:n referenssijännite.
2. Aseta mikrokontrollerin GPIO-järjestelmän jännitemittauksen aktivointinasta (PB3) ylös jännitejakajan aktivoimiseksi.
3. Aseta mikrokontrollerin ADCO-järjestelmän jännitteenmittausnasta (PE0) tuloksi ADC:lle.
4. Suorita epäsymmetrinen analogiadigitaalimuunnos (ADC).
5. Laske jännite yhtälöllä: V = ADC-tulos x V_REF x 4/ADC-resoluutio.

Myös syöttöjännitteen mittaus on helppoa seuraavien ohjeiden mukaisesti:

1. Konfiguroi ADC:n referenssijännite.
2. Valitse V_DD tai _VDDIO2 ADC:n positiiviseksi tuloksi. (V_DD ja V_DDIO2 ovat mikrokontrollerin ADC:n käytettävissä olevia sisäisiä tulokanavia.)
3. Suorita epäsymmetrinen ADC-muunnos.
4. Laske jännite yhtälöllä: V = ADC-tulos x V_REF x 10/ADC-resoluutio.

Yhteenveto

Mobiiliverkon IoT on suosittu LPWAN-teknologia, jolla on kasvava kaupallinen potentiaali. Mobiiliverkon IoT-päätelaitteiden suunnittelu vaatii kuitenkin sekä laitteisto- että ohjelmisto-osaamista. Suunnittelijat voivat kehittää nopeasti prototyyppejä uusien mobiiliverkon IoT-kehitysalustojen avulla. Esimerkki tällaisesta on Microchipin AVR-IoT Cellular Mini -kehitysalusta EV70N78A.

Kehitysalusta käyttää korkealuokkaista LTE-M/NB-IoT-modeemia ja suosittua Microchipin mikrokontrolleria. Arduino- tai Visual Studio Code IDE helpottavat sovelluskoodin kehittämistä.