Använd en kombinerad utvecklingssats för LTE-M, NB-IoT eller DECT NR+ för att snabbt komma igång med en trådlös IoT-konstruktion

De trådlösa teknologierna för LPWAN (Low-Power Wide Area Network) via mobilnät, som t.ex. LTE-M (Long-Term Evolution Machine Type Communication) och NB-IoT (NarrowBand-IoT) för IoT (Internet of Things), har en trådlös räckvidd på över en kilometer för batteridrivna enheter och använder befintlig och beprövad infrastruktur via mobilnätet. New Radio+ (DECT NR+) är ett licensfritt LPWAN-alternativ för tillämpningar som kräver en mobilnätsliknande metod vid stora IoT-implementationer. Alla de tre metoderna kan vara komplicerade att implementera för utvecklare, även med erfarenhet av trådlös kommunikation med kort räckvidd.

Att arbeta med en leverantör som har förcertifierade produkter med integrerade programvarustackar för protokollen LTE-M, NB-IoT eller DECT NR+ och automatiserade modem kan kompensera för komplexiteten i LPWAN-konstruktionen. Lösningar som dessa gör det möjligt för utvecklare att fokusera mer på tillämpningsdifferentiering och uppnå tidsmålen för marknadsintroduktion.

Artikeln sammanfattar fördelarna med LTE-M, NB-IoT och DECT NR+ för IoT-anslutningar med lång räckvidd och diskuterar utmaningar vid implementering. Därefter presenteras en kombinerad mobilenhet för IoT och DECT NR+ med tillhörande utvecklingssats från Nordic Semiconductor och hur den kan användas för att lösa dessa utmaningar.

Varför använda trådlöst LTE-M, NB-IoT eller DECT NR+?

För att vara en grundläggande del av det globala nätverk som utgör Internet måste IoT-enheter kunna kommunicera med molnet via IP (Internet Protocol) utan att behöva använda dyra gateways. I vissa tillämpningar, som t.ex. inom jordbruk, smarta städer och miljöövervakning, måste kommunikationen fungera över långa avstånd och kräva minimalt underhåll. Det sistnämnda innebär låg strömförbrukning för att maximera batteritiden.

LTE-M och NB-IoT erbjuder en mobil lösning för dessa utmaningar. De är baserade på specifikationer som fastställts av 3GPP så de är IP-kompatibla och har en räckvidd på över en kilometer. Frekvensbandet för LTE-M och NB-IoT är 698 till 960 MHz respektive 1710 till 2200 MHz. De tekniska detaljerna för LTE-M och NB-IoT sammanfattas i tabell 1.

Tabell 1: Här visas en jämförelse mellan LTE-M och NB-IoT. (Bildkälla: Nordic Semiconductor)

DECT NR+ är ett alternativ för tillämpningar som kräver anslutningar med lång räckvidd utan licensavgift. Den är baserad på specifikationerna för 5G, arbetar i 1900 MHz-bandet, har stöd för LPWAN med hög täthet och lämpar sig för maskin till maskin-kommunikation och övervakning av luftkvalitet i en hel stad.

Förenkling av RF-konstruktion

Att implementera RF-konstruktioner är en utmaning för många utvecklare och kan ofta äventyra tidsplanerna för marknadsintroduktionen. Vissa hårdvaruutmaningar kan dock hanteras genom att välja en integrerad lösning som döljer mycket av komplexiteten. Ett exempel är SiP-enheten (system-in-package) nRF9161 från Nordic Semiconductor (figur 1).

SiP-enheten innehåller processorn Cortex^®-M33 från Arm^® som är avsedd för tillämpningsprogramvara och ett modem med stöd för RF-gränssnitten LTE-M, NB-IoT och DECT NR+. Den innehåller även en RF-frontend (RFFE) och en strömförsörjning, allt i en LGA-kapsling (Land Grid Array) med måtten 16 x 10,5 x 1,04 mm. Modemet har stöd för IPv4/IPv6 och krypterade uppdateringar trådlöst (firmware-over-the-air). Tillämpningsprocessorn stöds av 1 Mb flashminne och 256 Kb RAM.

Figur 1: SiP-enheten nRF9161 innehåller processorn Cortex-M33 från Arm, LTE-modem, RF-frontend, minne och strömförsörjning. (Bildkälla: Nordic Semiconductor)

SiP-enheten har även en GNSS-mottagare för tillämpningar som t.ex. positionsspårning. Gränssnitt och kringutrustning omfattar en 12-bitars analog-till-digital-omvandlare (ADC), realtidsklocka (RTC), SPI (Serial Peripheral Interface), I²C (Inter-Integrated Circuit), I²S (Inter-IC Sound), UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), PDM (Pulse Density Modulation) och pulsbreddsmodulering. SiP gör det möjligt att utveckla en IoT-lösning för mobilnät eller DECT NR+ med hjälp av en enda enhet, en antenn, ett batteri, ett SIM-kort eller eSIM-kort och en givare (figur 2).

Figur 2: SiP-enheten nRF9161 är en högintegrerad anslutningslösning för IoT för mobilnät (LTE-M, NB-IoT) och DECT NR+. (Bildkälla: Nordic Semiconductor)

Utmaningar inom mjukvaruutveckling

Utmaningarna med en RF-konstruktion för IoT påverkar även programvaran. Stackarna för mobilnät och DECT NR+ är stora och mycket komplexa; att bygga upp någon av dem från grunden kräver protokollspecialister. När det gäller LTE-M och NB-IoT måste utvecklare implementera mobilnätsspecifika AT-kommandon när stacken är skapad och testad. De utgör grunden för kommunikationen mellan mobilmodem och dess värdstyrenheter. De används främst för att konfigurera och felsöka modem och för att möjliggöra nätverksanslutning via mobiloperatörer (MNO).

Nordic Semiconductor förenklar programkodningen genom att erbjuda en beprövad och stabil stack för LTE-M som är förprogrammerad i SiP-modemet. Dessutom hanterar Serial LTE Modemet från Nordic Semiconductor AT-kommandon som instruerar modemet att sända och ta emot data.

Utöver de tekniska utmaningarna måste mobilmodem också uppfylla strikta regionspecifika certifieringskrav och bestämmelser. Dessa inkluderar globala certifieringar för att garantera kompatibilitet med specifikationerna för LTE, vilket gör att den slutliga produkten kan kommunicera via nätverk med LTE-M eller NB-IoT. Vissa mobiloperatörer har dessutom sina egna certifieringskrav.

Nordic Semiconductor har återigen förenklat för utvecklaren genom att förhandscertifiera SiP-enheten nRF9161 för drift i de viktigaste regionerna, de viktigaste nätverken samt de viktigaste LTE-banden i dessa nätverk.

Användning av utvecklingssatsen nRF9161

Även om SiP-enheten nRF9161 underlättar vissa viktiga hård- och mjukvaruutmaningar i samband med utveckling av IoT för mobilnät och DECT NR+, krävs det fortfarande insatser för att skapa en fungerande prototyp. För att påskynda konstruktionsprocessen finns utvecklingssatsen nRF9161 (figur 3) och en uppsättning programvaruverktyg från Nordic Semiconductor att tillgå. Mest framträdande bland verktygen är företagets SDKnRF Connect, en enhetlig utvecklingsmiljö för trådlösa lösningar från Nordic Semiconductors .

Utvecklingssatsen innehåller SiP-enheten och de kretsar som krävs för att få fram en fullt fungerande prototyp. Satsen har en dedicerad antenn för LTE-M/NB-IoT och DECT NR+ samt en integrerad antenn av patchtyp för GNSS. Programmering och felsökning möjliggörs via den inbyggda SEGGER J-Link, och satsen levereras med ett SIM-kort som är förladdat med data. Den stödjer även användning av ett eSIM-kort, vilket ytterligare minskar strömförbrukningen.

Figur 3: Utvecklingssatsen nRF9161 innehåller SiP-enheten nRF9161 för LTE-M, NB-IoT och DECT NR+ och har antenner för LPWAN och GNSS, en inbyggd SEGGER J-Link för programmering och felsökning samt ett förinstallerat SIM-kort. (Bildkälla: Nordic Semiconductor)

För att komma igång med utvecklingen med satsen nRF9161 måste SIM-kortet vara monterat (eller eSIM aktiverat), omkopplaren PROG/DEBUG SW10 vara inställd på "nRF91" och satsen ansluten till en stationär dator via en mikro-USB 2.0-kabel. Utvecklingssatsen kräver något av operativsystemen Windows, macOS eller Ubuntu Linux.

Nästa steg är att installera nRF Connect for Desktop från Nordic Semiconductor och aktivera programvaran. Därefter är det möjligt att installera snabbstartsguiden, ett verktyg för guidade installations- och konfigurationsförfaranden. Programvaran förenklar uppdatering av utvecklingssatsens firmware och aktivering av SIM-kort. För att överföra data från utvecklingssatsen till molnet kan utvecklaren skapa ett konto för nRF Cloud hos Nordic Semiconductor eller ansluta till andra molntjänster.

Snabbstartsguiden kommer sedan att leda utvecklaren till programutvecklingssatsen nRF Connect från Nordic Semiconductor. Programutvecklingssatsen fungerar med Visual Studio Code, en populär integrerad utvecklingsmiljö (IDE), med hjälp av tillägget nRF Connect för VS Code från Nordic Semiconductor. Programutvecklingssatsen används för att utveckla tillämpningar och innehåller användbara exempel som t.ex. att hämta en enhets plats med hjälp av positionering via GNSS, mobilnät eller WiFi och överföra givardata från utvecklingssatsen nRF9161 till molnet.

När tillämpningen är byggd är det enkelt att programmera den inbyggda Arm processorn SiP-enheten RF9161. Det första steget är att ansluta utvecklingssatsen till en PC med en USB-kabel och slå på strömmen. Från tillägget nRF Connect för VS Code måste utvecklaren klicka på alternativet "Flash" i "Actions View". Ett meddelande visas som visar hur programmeringen fortskrider och bekräftar när den slutförts.

Med utvecklingssatsen kan utvecklaren också kontrollera RF-signalen för LTE-M, NB-IoT och DECT NR+. Bra RF-prestanda är avgörande för att maximera räckvidden för kommunikationen mellan IoT-enheten och basstationen. För att göra mätningen monteras en kabel mellan den lilla koaxialkontakten (J1) på utvecklingssatsen och en spektrumanalysator (figur 4).

Figur 4: RF-signalen för utvecklingssatsen nRF9161 kan mätas genom att ansluta den med en koaxialkabel till en spektrumanalysator. (Bildkälla: Nordic Semiconductor)

Avancerade utvecklingsverktyg för utvecklingssatsen nRF9161

När en tillämpning är programmerad erbjuder Nordic Semiconductor två verktyg som gör det möjligt för utvecklaren att följa dess prestanda. Den första är Power Profiler Kit II (PPK2) (figur 5). Den fristående enheten kan mäta utvecklingssatsens strömförbrukning i ett intervall mellan 200 nA och 1 A med en upplösning som varierar mellan 100 nA och 1 mA. PPK2 kan även leverera upp till 5 V vid 1 A till utvecklingssatsen.

Figur 5: PPK2 kan mäta den genomsnittliga och momentana strömförbrukningen för utvecklingssatsen nRF9161 när en tillämpning körs. (Bildkälla: Nordic Semiconductor)

PPK2 används med en Power Profiler-app, som ingår i programvaran nRF Connect för dator. Figur 5: PPK2 kan mäta den genomsnittliga och momentana strömförbrukningen för utvecklingssatsen nRF9161 när en tillämpning körs. Avläsningar kan göras under en längre tid samtidigt som man zoomar in på millisekunders intervall om så krävs. Mätdata kan exporteras för vidare bearbetning.

Med analyserna av strömförbrukningen kan utvecklare se var tillämpningskoden kan ändras för att spara ström och förlänga konstruktionens batteritid (figur 6).

Figur 6: Appen Power Profiler i nRF Connect for Desktop visar tillämpningens strömförbrukning i driftläge. (Bildkälla: Nordic Semiconductor)

Verktyget Cellular Monitor från Nordic Semiconductor underlättareutvecklingen av tillämpningar och stöds av programvaran nRF Connect for Desktop. Övervakningsverktyget visar vad modemet i SiP-enheten nRF9161 gör när utvecklingssatsen kör tillämpningen. Detta inkluderar nätverksprestanda, enhetens status och dataöverföring. Informationen gör det möjligt för utvecklare att analysera modemets trafik och optimera tillämpningens prestanda. Informationen visas på en seriell terminal.

Sammanfattning

Teknologierna för LTE-M, NB-IoT och DECT NR+ för LPWAN stödjer tillförlitliga, säkra och skalbara anslutningar med lång räckvidd för IoT-enheter, men det kan vara svårt att utveckla trådlösa hård- och mjukvaruenheter. Med SiP-enheten nRF9161 från Nordic Semiconductor, inbäddad protokollprogramvara och stöd av utvecklingssatsen nRF9161 DK och appar minskar konstruktionens komplexitet betydligt.