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使用现成的LTE Cat M1调制解调器简化低功耗广域物联网连接

移动健康监测,遥感和智慧城市等广域物联网应用的开发人员存在连接问题:蓝牙,zigbee和Wi-Fi缺乏所需的范围,而传统的蜂窝无线电则过于昂贵,耗电和复杂。
为了解决这个问题,另一个连接选项已经出现,LTE Cat M1蜂窝。除此之外,还有易于使用的认证解决方案,大大降低了蜂窝连接的复杂性和成本,同时加快了广域,低功耗,低成本,远程物联网设计的上市时间。
其中一个解决方案是NimbeLink的 NL-SW-LTE-SVZM20 Skywire LTE Cat-M1调制解调器。本文将介绍NL-SW-LTE_SVZM20以及如何开始对其进行设计和编程。

LTE Cat M1基础知识

LTE类别M1被创建为更传统的LTE服务(例如Cat4)的较便宜的替代方案,Cat4被设计为支持100Mbits / s的吞吐量。对于超低功耗,低占空比的物联网传感应用,以及Kbits / s的10s或100s的数据速率需求,这显然是矫枉过正的。在LTE标准的版本13中,3GPP(第三代合作伙伴计划)定义了一类LTE技术,包括LTE Cat M1,其数据速率低于300 Kbits / s。
这种较低的数据速率以及由此导致的复杂度降低更好地匹配了物联网设计要求,同时仍然允许设计者利用蜂窝的无处不在和相对无干扰的授权波段操作。现在,长距离物联网设备可以在单个电池上运行多年,而无需更换或充电。
此外,LTE Cat M1提供足够高的性能,物联网设备可以快速传输数据突发并快速返回到低功耗状态。此外,LTE Cat M1在10 ms范围内具有延迟,允许其在具有时间要求的物联网应用中使用。
最后,LTE Cat M1支持LTE所需的语音(VoLTE)连接,以支持物联网应用(如健康和健身,零售,交通,建筑服务等)中基于语音接口的预期增长需求。

满足LTE设计和认证挑战

虽然它具有明显的优势,但LTE连接却面临着多重挑战。在设计层面上,LTE芯片组仍然是相对复杂的设备,对于优化发射机和接收机信号路径有着严格的要求。
制造商通过提供结合了芯片组和优化的射频电路设计的LTE模块来解决这些问题,通常将系统接口要求(如信号电压转换和缓冲)留给系统设计者。LTE调制解调器提供商可以满足这些要求,包括模块周围的电路板,以及加速集成到系统设计(如基于MCU的物联网设备)所需的最终元素。
蜂窝解决方案的分层性质也解决了即使是精心设计的基于蜂窝的系统也能停止生产的最终要求。开发人员需要通过认证测试来符合政府和运营商的要求,这些测试可能会增加数月时间,并且会对完成的设计造成重大的成 没有适当认证的产品根本不被允许进入运营商网络。
在细胞溶液等级较高的层次上,使用未认证的成分会增加这些成本。例如,使用缺乏运营商认证的芯片组的模块制造商面临着明显更高的成本和延迟,因为认证实验室填补了测试的空白。进一步的复杂化是因为仅从政府机构获得的认证或者仅从承运人获得的认证不能保证另一个认证。例如,在美国,运营商经常对联邦通信委员会(FCC)规定的测试要求进行额外的测试。
NimbeLink通过其NL-SW-LTE-SVZM20 Skywire LTE Cat-M1调制解调器消除了这些设计和认证障碍。

快速发展与准备去调制解调器子系统

该调制解调器专为物联网应用而设计,具有低功耗操作,同时支持LTE频段B4和B13上的LTE Cat M1 Verizon服务。B4和B13分别以1700 MHz和750 MHz左右的中心频率运行,可以为链路预算相对较低的物联网设备提供深度覆盖。调制解调器对于开发人员来说同样重要,它已经通过了终端设备的预认证,消除了与蜂窝认证相关的成本和延迟。同时,NimbeLink的Skywire调制解调器支持固件升级,使开发人员能够在运营商网络中部署新的功能。
对于物联网开发人员,NimbeLink调制解调器将LTE Cat M1模块与支持功能相结合,以提供完整的蜂窝子系统(图1)。因此,开发人员使用一个简单的系统集成接口,通过共享的UART硬件接口,使用熟悉的“AT”命令,将其基于MCU的系统功能连接到调制解调器。
NimbeLink NL-SW-LTE-SVZM20 Skywire LTE Cat-M1调制解调器的示意图
图1:NimbeLink NL-SW-LTE-SVZM20 Skywire LTE Cat-M1调制解调器将LTE Cat M1模块与旨在简化系统设计集成的特性和功能相结合。(图片来源:NimbeLink)
物理设计集成同样简单。在调制解调器的29 x 33 x 10.5 mm的占位面积内,其I / O引脚布局符合业界标准的XBee外形尺寸,允许设计人员将调制解调器与兼容的电路板相结合。设计人员可以利用XBee兼容引脚排列,使用一对10引脚连接器(如Sullins Connector Solutions NPPN101BFCN-RC)将调制解调器连接到自己的电路板上。NimbeLink还提供了工程师可以用来将调制解调器焊接到电路板上的建议面积(图2)。开发人员使用兼容LTE的天线(如Taoglas FXP400.07.0100A)完成物理集成。
NimbeLink NL-SW-LTE-SVZM20 Skywire LTE Cat M1调制解调器的示意图
图2:NimbeLink NL-SW-LTE-SVZM20 Skywire LTE Cat M1调制解调器提供XBee兼容的引脚接口,用于连接兼容的电路板或焊接到定制电路板,使用此处所示的封装规格。(图片来源:NimbeLink)

LTE子系统

NimbeLink通过其NL-M1DK开发套件,详细介绍调制解调器的接口设计和系统集成。虽然开发板提供完整的LTE Cat M1解决方案,但相关的原理图说明了将调制解调器集成到定制系统设计中所需的简单接口(图3)。
NimbeLink NL-SW-LTE-SVZM20调制解调器接口的详细原理图(点击放大)
图3:NimbeLink提供了将NL-SW-LTE-SVZM20 Skywire LTE Cat-M1调制解调器连接到物联网设计(包括MOSFET缓冲器和电流测量测试点)的详细原理图。(图片来源:NimbeLink)
如示意图所示,该模块只需要几个额外的组件就可以为基于MCU的设计增加LTE Cat M1功能。除少数电阻和电容外,NimbeLink还增加了一对安森美半导体的 FDV301N MOSFET缓冲器。NimbeLink还在开发板上增加了一个Susumu  RL1220S-R10-F表面贴装型电流检测电阻,以便开发人员测量电路板J13连接器上的调制解调器电流。
除了评估LTE Cat M1连接性之外,开发人员还可以使用该电路板为基本电池供电的物联网传感器系统建立原型。该电路板包含一个围绕德州仪器BQ25060DQCR构建的电池管理电路。因此,开发人员只需插入SparkFun Electronics PRT-13855 2 Ah @ 3.7 V(标称)锂电池等可充电电源即可为独立配置的电路板供电。板载LED和按钮支持简单的用户界面,而该板的亿光电子 PT15-21C / TR8封装光电晶体管和透镜作为一个独立的位置传感器。
该板的Sensirion SHT30-DIS-B温湿度传感器为物联网设计评估提供了额外的数据源。SHT30传感器通过I 2 C接口连接到系统,I 2 C接口与调制解调器UART接口一起在单独的引脚上引出。最后,该主板还包含一个FTDI FT2232D IC,它提供了一个USB接口用于连接到开发系统。
开发人员只需安装提供的天线,电源线,USB电缆,并将NimbeLink NL-SIM-VER-M1 SIM卡插入调制解调器板的下面(图4),即可开始使用开发套件。与使用蜂窝的任何移动设备一样,开发者也需要激活运营商网络上的设备。在这种情况下,开发者联系NimbeLink支持,通常在同一天执行一个快速的程序来激活Verizon网络上的调制解调器。
NimbeLink NL-M1DK开发套件的图片
图4:结合NimbeLink NL-SW-LTE-SVZM20调制解调器,NimbeLink NL-M1DK开发套件提供了完整的LTE Cat-M1连接子系统。(图片来源:NimbeLink)
一旦连接,设备在NimbeLink数据计划上运行,在Verizon网络内的NimbeLink专用网络内使用私有IP地址。结果,蜂窝连接设备不能从公共互联网访问,因为它只能数据发送到互联网。之后,开发人员可以在Verizon网络的自己的专用网络中为生产设备配置一个静态IP,以便通过互联网进行物联网应用的双向通信。无论是在NimbeLink专用网络还是自己的网络上运行,调制解调器都使用一组简单的命令来提供其连接服务。

网络连接

开发人员使用一系列AT命令与调制解调器进行交互,交互式或编程方式交付。在开发过程中,工程师可以通过USB将主板连接到主机系统,并使用PuTTY等主机终端程序发出AT命令与调制解调器进行交互。
虽然创建一个合适的AT命令序列的任务非常简单,但NimbeLink消除了这个开发步骤。NimbeLink的开源库为开发人员提供了一系列脚本,包括特定AT执行诸如打开一个点对点协议(PPP)连接到蜂窝网络操作所需的命令。这里,一个基脚本提供AT命令定义(CGDCONT)的分组数据协议(PDP)类型和用户接入点名称(APN),设置电话功能(FUN),连接到分组服务(CGATT)和执行(CGDATA )PPP连接(清单1)。
TIMEOUT 3
ECHO ON
'' AT
OK AT+CGDCONT=3,"IPV4V6","[apn]"
OK AT+CFUN=1
OK AT+CGATT=1
OK AT+CGDATA="ppp",3,1
CONNECT ''
清单1:NimbeLink的开源脚本库为开发人员提供了基本操作所需的特定AT命令序列。(代码来源:NimbeLink)
另一个脚本调用基本脚本并执行完成连接所需的相关操作(清单2)。
/dev/ttyUSB0
921600
connect "/usr/sbin/chat -v -f /etc/ppp/peers/vzw-SVZM2x-chat"
noauth
defaultroute
usepeerdns
local
debug
updetach
清单2:NimbeLink脚本向开发人员展示了如何使用其他库脚本建立蜂窝连接,例如vzw-SVZM2x-chat在这种情况下。(代码来源:NimbeLink)
在一个应用程序中,开发人员可以使用共享UART连接对物联网设备的MCU主机进行编程,以发送类似的AT命令流。建立PPP连接后,物联网设备将使用传统的http网络协议或ISO标准消息队列遥测传输(MQTT)等轻量级消息协议与云服务器进行交互。反过来,物联网应用程序通常会在功能上使用此基本启用PPP的MQTT,以使用传输层安全性(TLS)相互身份验证与云建立安全连接。

物联网云

诸如亚马逊网络服务(AWS)之类的物联网云平台支持这个特定的通信栈,同时提供额外的面向物联网的服务。对于AWS,开发人员可以通过实现AWS IoT应用程序编程接口(API)的库来访问这些服务。例如,AWS IoT Embedded C库包含演示用于构建自定义IoT应用程序的基本设计模式的示例程序。示例程序演示了与MQTT一起使用的基本发布/订阅模型的实现。这里,示例展示了开发人员将如何使用该调用:
aws_iot_mqtt_publish(&client, "sdkTest/sub", 11, &paramsQOS0);
使用实例化一个包含MQTT消息描述的数据结构的参数(清单3)将数据发布到MQTT代理。
typedef struct {
  QoS qos; ///< Message Quality of Service
  uint8_t isRetained; ///< Retained messages are \b NOT supported by the
/// AWS IoT Service at the time of this SDK release.
  uint8_t isDup; ///< Is this message a duplicate QoS > 0 message?
/// Handled automatically by the MQTT client.
  uint16_t id; ///< Message sequence identifier. Handled 
/// automatically by the MQTT client.
  void *payload; ///< Pointer to MQTT message payload (bytes).
  size_t payloadLen; ///< Length of MQTT payload.
} IoT_Publish_Message_Params;
清单3:开发人员可以在Amazon Web Services(AWS)云上构建IoT应用程序,并使用AWS IoT Embedded C库提供的样本对其软件进行建模,例如MQTT消息结构。(代码来源:亚马逊网络服务)
物联网设备使用类似的调用订阅MQTT主题:
aws_iot_mqtt_subscribe(&client, "sdkTest/sub", 11, QOS0, iot_subscribe_callback_handler, NULL);
由于订阅消息的异步性质,MQTT订阅调用包含一个回调(iot_subscribe_callback_handler),用于处理收到的消息。AWS嵌入式C示例提供了一个回调存根,它说明了回调的输入参数和典型行为(清单4)。
void iot_subscribe_callback_handler(AWS_IoT_Client *pClient, char *topicName, uint16_t topicNameLen,
                                                              IoT_Publish_Message_Params *params, void *pData) {
       IOT_UNUSED(pData);
       IOT_UNUSED(pClient);
       IOT_INFO("Subscribe callback");
       IOT_INFO("%.*s\t%.*s", topicNameLen, topicName, (int) params->payloadLen, params->payload);
}
清单4:AWS IoT Embedded C库中的示例软件说明了关键的设计模式,例如IoT设备可能用于处理与订阅的MQTT主题关联的异步数据的回调。(代码来源:亚马逊网络服务)
开发人员可以使用AWS Embedded C库或用于C ++,Java和Python等的类似AWS IoT库将物联网设备连接到AWS IoT平台。在其物联网平台中,AWS提供诸如身份验证,设备投影和基于规则的激活等服务。一旦连接到AWS IoT平台,应用程序就可以利用更全面的AWS云服务来进行实时流式传输,分析,监控等等。

结论

LTE Cat M1在越来越多的物联网应用中为低功耗,广域连接提供越来越多的选择。与早期的蜂窝技术不同,LTE Cat M1连接能够以降低的系统成本,功耗和复杂性满足IoT吞吐量要求。使用NimbeLink调制解调器,开发人员可以在硬件设计或软件开发方面进行少量额外工作,从而快速实现LTE Cat M1连接。

(责任编辑:ioter)

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