5G 还很遥远:使用现成的 LTE 4G 模块进行远程物联网感测和控制

Sierra Wireless 的 AirPrime WP7702 射频模块图片
图 1:Sierra Wireless 的 AirPrime WP7702 射频模块包含应用处理器,同时支持 Cat-M1 和 Cat-NB1 蜂窝协议。(图片来源:Sierra Wireless)
为了与 AirPrime 射频模块配合使用,Sierra Wireless 提供了 Developer Studio 集成开发环境 (IDE)。此 IDE 构建于 Eclipse Java IDE 之上,允许开发人员通过在 Windows、Linux 和 MacOS 主机上运行的直观图形用户界面 (GUI),使用 Legato 开源应用程序框架创建应用程序。该工具包含在设计周期的各个阶段有用的实用程序和功能,以支持无线数据应用的应用程序软件开发。
Legato 结合了基于 Linux 的 OS 发行版(在 WP7702 模块的 1.3 千兆赫 (GHz) Arm® Cortex®-A7 集成处理器上运行)、板级支持包 (BSP),以及在主机 PC 上运行的定制开发工具。Sierra Wireless 还提供 AirVantage 物联网平台,这是一个自助服务门户,为一组 Sierra Wireless 蜂窝调制解调器提供连接和设备管理,这些调制解调器连接到全球许多不同的蜂窝网络运营商。这些运营商包括 AT&T、Verizon、NTT、Telstra、KT 和 SKT。AirVantage 还通过无线连接,自动更新 Sierra Wireless 调制解调器的固件。
Talon Communications, Inc. 将 Sierra Wireless WP7702 模块放在一张兼作开发平台的载卡上。WP7702 模块和载卡一起构成了 mangOH Red™ 评估板,该评估板具有用于蜂窝微型 SIM 卡(获得运营商服务所必需)的板载插槽。mangOH Red 平台将 WP7702 模块的众多接口引脚分接到各种连接器,包括三个天线连接器、两个微型 USB 连接器、一个全尺寸 USB 主机端口、一个带 I2C、SPI、UART 和 GPIO I/O 引脚的排针,以及一个 3.5 毫米立体声音频输出插孔。
Talon Communications 的 mangOH Red 开发板图片
图 2:mangOH Red 开发板支持 Sierra Wireless 的 WP7702 射频模块的应用程序开发。(图片来源:Talon Communications)
mangOH Red 的 USB 主机端口可将该开发平台连接到主机计算机,以进行软件开发。加载适当的 Windows 驱动程序,并安装 Sierra Wireless 的 Legato Developer Studio,即可使用 WP7702 模块完成相关设置,以进行无线物联网应用程序开发。
u-blox 的 SARA-R410M-02B 是一款超小型 LTE Cat-M1 和 Cat-NB1 射频收发器模块,尺寸为 16 x 26 x 2.5 mm,采用 96 引脚 LGA 封装。
该收发器模块通过 USB 或 UART 接口连接到主机处理器,并由主处理器使用由 3GPP 定义的面向字符串的 AT 命令集来控制。SARA-R410M-02B 还配备 SIM 卡接口,用于识别运营商服务。
u-blox 的 SARA-R410M-02B 射频收发器模块图片
图 3:u-blox 的 SARA-R410M-02B 射频收发器模块采用完整的 Cat-M1 和 Cat-NB1 无线电与基带,可以连接到主机处理器。(图片来源:u-blox)
u-blox 的 EVK-R4 评估套件包含并分接了 u-blox SARA-R410M 模块的 I/O 引脚。该套件提供了适当的连接器,用于将模块连接到天线、电源和主机处理器;而且具有板载 SIM 卡座,可容纳 GNSS(全球导航卫星系统)子卡。GNSS 设备通常会与蜂窝无线电配对,可用于跟踪应用。(有关 GNSS 设备和模块的更多信息,请参阅“使用 GNSS 模块快速设计位置跟踪系统”和“使用经济高效的 GNSS 模块实现跟踪应用的快速采集和高精度”。)
u-blox 的 EVK-R4 开发套件示意图
图 4:u-blox 的 EVK-R4 开发套件分接了 u-blox SARA-R410M 模块的 I/O 引脚,以便于开发。(图片来源:u-blox)
Hologram, Inc. 通过将 u-blox 的 SARA-R410M 模块安装在小型 USB 板上,开发出 HOL-NOVA-R410。此解决方案提供了一种快速方法,用于将 LTE Cat-M1 和 Cat-NB1 射频收发器功能添加到配备 USB 端口的现有产品中。
u-blox 的 SARA-R410M 蜂窝射频调制解调器图片
图 5:Hologram Inc 的 NOVA-R410 将 u-blox 的 SARA-R410M 蜂窝射频调制解调器放置在小型 USB 载板上,以简化为配备 USB 的系统添加远距离物联网射频通信的过程。(图片来源:u-blox)
Nordic Semiconductor 的 nRF9160 系统级封装 (SiP) 将应用微控制器、完整的 LTE 调制解调器、收发器前端以及电源管理功能,集成到尺寸为 10 x 16 x 1 mm 的封装中。该模块包含用于资产跟踪的 GPS 支持。若将从蜂窝网络获得的位置数据与 GPS 卫星三边测量相结合,可远程监测设备的位置。
nRF9160 的应用处理器是运行频率为 64 兆赫的 Arm Cortex-M33,该处理器与 256 千字节 (Kbyte) 的静态 RAM 和 1 兆字节 (Mbyte) 的闪存相结合。该模块的 4G LTE 调制解调器采用 3GPP 第 13 版 Cat-M1 和 Cat-NB1,以及第 14 版 Cat-NB1 和 Cat-NB2 协议。
Nordic Semiconductor 的 nRF9160-DK 开发套件针对 nRF9160 模块而提供,其 nRF9160 模块安装在载板上。
Nordic Semiconductor 的 nRF9160-DK 开发套件图片
图 6:Nordic Semiconductor 的 nRF9160-DK 开发套件分接了 nRF9160 蜂窝模块的所有引脚,用于开发工作,并提供广泛的软件支持。(图片来源:Nordic Semiconductor)
该软件开发套件 (SDK) 包括:
  • Zephyr Project 可扩展型实时操作系统 (RTOS),适用于 nRF9160
  • MCUboot 安全引导程序
  • nrfxlib RTOS 独立库
nRF9160-DK 开发套件的框图显示了 nRF9160 可能需要的支持元器件。
Nordic Semiconductor 的 NRF9160-DK 开发套件框图
图 7:Nordic Semiconductor 的 NRF9160-DK 开发套件框图显示了 nRF9160 蜂窝物联网 SiP 可能需要的支持元器件。(图片来源:Nordic Semiconductor)
Nordic 建议使用 Segger Microcontroller Systems 的 Embedded Studio IDE 来构建 nRF9160 应用程序。Segger Embedded Studio 的专用版本可免费用于 Nordic Semiconductor 器件,包括 nRF9160 SiP。

流量套餐概述

在运营商网络上部署设备之前,必须首先通过鉴定流程,以确保该设备符合运营商对频带和干扰的要求。在进行该流程之前,开发人员需要选择合适的流量套餐,并考虑该流量套餐的长期成本。为此,此处提供了可用的物联网蜂窝流量套餐列表,作为有用的资源。

总结

蜂窝物联网环境正在迅速变化,特别是随着 5G 蜂窝技术的出现和即将到来的推广。市场上已有用于蜂窝物联网应用的射频模块,但这些模块需要生态系统的支持,才能使蜂窝物联网变得实用。这种生态系统包含所需的软件开发工具、堆栈和库,以便将芯片和模块解决方案转变为可部署产品。在 5G 普及之前,基于 4G LTE 的模块将成为未来许多年远程物联网感测和控制的可行解决方案。
 

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