שימוש בערכת ההערכה המשולבת עם LTE-M‏, NB-IoT‏ ו-+DECT NR‏ כדי להתניע תכנון IoT‏ אלחוטי

טכנולוגיות אלחוט סלולריות עבור Low-Power Wide-Area Network‏ (LPWAN) עבור אינטרנט של דברים (IoT), כגון Long-Term Evolution Machine Type Communication‏ (LTE-M‏) ו-NarrowBand-IoT‏ (NB-IoT‏), מציעות טווח חיבוריות אלחוטית של למעלה מקילומטר (ק"מ) עבור התקנים מוזני-סוללות תוך שימוש בתשתית סלולרית קיימת ומוכחת. ה-(New Radio+ (DECT NR‏ הוא אלטרנטיבה LPWAN נטולת-רישיון עבור יישומים הדורשים גישה דמוית סלולר לפריסות IoT מאסיביות. כל שלוש הגישות יכולות להיות מורכבות למימוש עבור מפתחים, אפילו עבור אלה עם ניסיון באלחוט לטווחים קצרים.

העבודה עם ספק פתרונות המציע מוצרים מורשים-מראש עם חבילות התוכנה של פרוטוקולי LTE-M‏, NB-IoT‏ או +DECT NR‏ ומודמים אוטומטיים יכולה לפצות על מורכבות תכנון LPWAN‏. פתרונות כאלה מאפשרים למפתחים להתמקד יותר בבידול היישומים שלהם ולהשיג את יעדי זמן היציאה לשוק.

מאמר זה מסכם את יתרונות LTE-M‏, NB-IoT‏ ו-+DECT NR‏ עבור חיבוריות IoT‏ לטווחים ארוכים ודן באתגרי המימוש. לאחר מכן הוא מציג שילוב של התקן IoT סלולרי ו-+DECT NR‏ עם ערכת פיתוח קשורה של Nordic Semiconductor‏ ומראה כיצד ניתן להשתמש בהם כדי להתגבר על אתגרים אלו.

מדוע להשתמש ב-LTE-M‏, NB-IoT‏ או +DECT NR‏ עבור אלחוט?

כדי להיות חלק מהותי מהרשת העולמית היוצרת את האינטרנט, התקני IoT חייבים להיות מסוגלים לתקשר עם הענן באמצעות פרוטוקול אינטרנט (IP) ללא שימוש בשערים (Gateways‏) יקרים. ביישומים מסוימים, כמו חקלאות, ערים חכמות וניטור סביבה, התקשורת חייבת להתבצע למרחקים ארוכים ודורשת תחזוקה מינימלית. האחרון מתורגם לצריכת הספק נמוכה כדי למקסם את חיי הסוללה.

LTE-M ו-NB-IoT מציעים פתרון סלולרי לאתגרים אלו. הם מבוססים על מפרטים שנקבעו על ידי 3GPP, כך שהם ניתנים לתפעוליות-בינית IP ומספקים טווח של ק"מ פלוס. LTE-M ו-NB-IoT פועלים בפסי תדר מ-698 מגה-הרץ (MHz) עד 960 מגה-הרץ, ו-1710 מגה-הרץ עד 2200 מגה-הרץ, בהתאמה. הפרטים הטכניים של LTE-M ו-NB-IoT מסוכמים בטבלה 1.

טבלה 1: מוצגת השוואה בין LTE-M ל-NB-IoT. (מקור התמונה: Nordic Semiconductor‏)

+DECT NR מספק חלופה עבור יישומים הדורשים חיבוריות לטווחים ארוכים ללא דמי רישיון. הוא מבוסס על מפרטי 5G, פועל בפס 1900 מגה-הרץ, יכול לתמוך ברכיבי LPWAN בצפיפות גבוהה, והוא מתאים לתקשורת מכונה-למכונה (M2M) ולניטור איכות האוויר ברחבי עיר.

פישוט תכן RF‏

מימוש תכני RF הוא מאתגר עבור מפתחים רבים ויכול לעתים לגרום להתפשרות על לוחות הזמנים של היציאה לשוק. עם זאת, ניתן להתגבר על כמה אתגרי חומרה על ידי בחירת פתרון משולב שמחפה על חלק ניכר מהמורכבות. דוגמה אחת היא מערכת nRF9161‏ של מערכת-בתוך-מארז (SiP) של Nordic Semiconductor (איור 1).

ה-SiP‏ משלב מעבד M33‏-®Cortex‏ ^®Arm‏ ייעודי לתוכנת היישום ומודם התומך בממשקי RF‏ LTE-M‏, NB-IoT‏ ו-+DECT NR‏. הוא כולל גם קצה-קדמי RF‏ (RFFE‏) ומערכת ניהול הספק, הכול במארז Land Grid Array‏ (LGA‏) של 1.04 מ"מ x‏ 10.5 מ"מ x‏ 16.0 מילימטר (מ"מ). המודם תומך ב-IPv4/IPv6 ובעדכוני קושחה מוצפנים (FOTA‏). מעבד היישומים נתמך על ידי זיכרון Flash‏ של 1 מגה-בייט (Mbyte) וזיכרון RAM‏ של 256 קילו-בייט (Kbytes).

איור 1: ה-nRF9161 SiP משלב מעבד Arm Cortex-M33, מודם LTE‏, RFFE‏, זיכרון וניהול הספקת-כוח. (מקור התמונה: Nordic Semiconductor‏)

ה-SiP כולל גם מקלט GNSS עבור יישומים כגון מעקב מיקום. ממשקים ורכיבים היקפיים כוללים ממיר אנלוגי-לדיגיטלי (ADC‏) Bit‏-12‏, שעון זמן-אמת (RTC‏), Serial Peripheral Interface‏ (SPI‏), Inter-Integrated Circuit‏ (I²C‏), Inter-IC Sound‏ (I²S‏), Universal Asynchronous Receiver/Transmitter‏ (UART‏), Pulse Density Modulation‏ (PDM‏) ו-Pulse Width Modulation‏ (PWM‏). ה-SiP מאפשר פיתוח פתרון סלולרי או DECT NR+ IoT באמצעות התקן יחיד, אנטנה, סוללה, SIM או eSIM וחיישן (איור 2).

איור 2: nRF9161 SiP הוא פתרון חיבוריות סלולרי משולב ביותר (LTE-M, NB-IoT) ו-DECT NR+ IoT. (מקור התמונה: Nordic Semiconductor‏)

אתגרי תכנון תוכנה

האתגרים של תכנון RF IoT מתפרשים גם על התוכנה. חבילות התוכנה של הסלולר ו-+DECT NR‏ הן גדולות ומורכבות ביותר; בניית כל אחת מהן מאפס דורשת מומחי פרוטוקולים. במקרה של LTE-M ו-NB-IoT, המפתחים חייבים לממש פקודות Attention‏ (AT‏) ספציפיות-לסלולר כאשר חבילת התוכנה נבנית ונבדקת. הן מהוות את הבסיס לתקשורת בין כל מודם סלולרי לבקר המארח שלו. הן משמשות בעיקר להגדרת התצורה ולניפוי באגים במודם, ומאפשרות חיבור רשת באמצעות מפעילי רשתות סלולריות (MNOs‏).

Nordic מקלה על בעיות כתיבת קוד התוכנה על ידי אספקת חבילת תוכנה LTE-M מוכחת ויציבה שתוכנתה-מראש במודם SiP. בנוסף, יישום Serial LTE Modem‏ של Nordic מטפל בפקודות AT המורות למודם לשדר ולקלוט נתונים.

מעבר לאתגרים ההנדסיים, מודמים סלולריים חייבים גם לעמוד בדרישות הרשאה ורגולציה קפדניות ספציפיות-לאזור. אלו כוללות הרשאות עולמיות כדי להבטיח תאימות למפרטי LTE, המאפשרים להתקני הקצה לתקשר בין רשתות LTE-M או NB-IoT. בנוסף, לכמה MNOs יש דרישות הרשאה משלהם עצמם.

שוב, Nordic הקלה את הנטל על המפתחים על ידי הרשאה-מראש של ה-nRF9161 SiP לפעולה באזורים הקריטיים ביותר, ברשתות המפתח ובפסי LTE העיקריים ברשתות אלו.

השימוש בערכת הפיתוח nRF9161

בעוד שה-nRF9161 SiP מקל על כמה אתגרי חומרה ותוכנה קריטיים הקשורים לפיתוח IoT ו-+DECT NR סלולרי, יצירת אב-טיפוס הפועל כנדרש עדיין דורשת מאמץ. כדי לזרז את תהליך התכנון, Nordic מציעה את ערכת הפיתוח nRF9161 DK‏ (איור 3) וחבילה של כלי תוכנה. את הכלים מובילים ה-nRF Connect SDK של החברה, סביבת פיתוח מאוחדת עבור פתרונות האלחוט של Nordic.

ערכת הפיתוח משלבת את ה-SiP וכוללת את המעגלים הדרושים כדי לאפשר בניית אב-טיפוס מתפקד במלואו. הערכה כוללת אנטנת LTE-M/NB-IoT ו-+DECT NR ייעודית וכן אנטנת Patch‏ משולבת עבור GNSS. תכנות וניפוי באגים מאופשרים דרך ה-J-Link‏ של SEGGER‏ שעל הלוח, והערכה מגיעה עם כרטיס SIM משולב טעון-מראש עם נתונים. הוא גם תומך בשימוש ב-SIM תוכנה, המפחית עוד יותר את צריכת ההספק.

איור 3: ה-nRF9161 DK כולל את nRF9161 SiP עבור LTE-M, NB-IoT ו-+DECT NR כמו גם אנטנות GNSS‏ LPWAN ו-J-Link של SEGGER על-הלוח עבור תכנות וניפוי באגים, כמו גם כרטיס SIM טעון-מראש. (מקור התמונה: Nordic Semiconductor‏)

כדי להתחיל בפיתוח עם ערכת nRF9161, יש לתקוע את כרטיס ה-SIM (או להפעיל את ה-eSIM), להעביר את מתג PROG/DEBUG SW10 למצב "nRF91", ולחבר את הערכה למחשב שולחני באמצעות כבל 2.0‏ Micro-USB‏. ערכת הפיתוח דורשת מערכת הפעלה (OS‏) Windows‏, MacOS או Linux‏ Ubuntu‏.

הצעד הבא הוא התקנת nRF Connect for Desktop‏ של Nordic והפעלת התוכנה. מכאן אפשר להתקין את אפליקציית Quick Start‏, כלי עבור תהליכי התקנה והגדרה מודרכים. התוכנה מפשטת את עדכון הקושחה של ערכת הפיתוח והפעלת כרטיס ה-SIM. כדי להעביר נתונים מהערכה לענן, המפתחים יכולים להגדיר חשבון nRF Cloud‏ של Nordic או להתחבר לשירותי ענן אחרים.

לאחר מכן אפליקציית Quick Start‏ יפנה את המפתח ל-nRF Connect SDK של Nordic. ה-SDK פועל עם Visual Studio Code‏, סביבת פיתוח משולבת פופולרית (IDE), תוך שימוש בתוספת nRF Connect עבור VS Code‏ של Nordic. ה-SDK משמש לפיתוח יישומים וכולל דוגמאות שימושיות כגון אחזור מיקום ההתקן באמצעות מיקום GNSS, סלולרי או Wi-Fi, והעברת נתוני חיישנים מערכת nRF9161 לענן.

לאחר בניית האפליקציה, תכנות מעבד היישומים Arm של ה-nRF9161 SiP הוא פשוט. הצעד הראשון הוא לחבר את הערכה למחשב באמצעות כבל USB ולהפעיל אותה. מתוך התוספת nRF Connect עבור VS Code‏ על המפתח ללחוץ על האפשרות "Flash" ב"הצגת פעולות". מופיעה הודעה המציגה את התקדמות התכנות ומאשרת את השלמתו.

ערכת הפיתוח מאפשרת למפתח גם לבדוק את אותות ה-RF‏ של ה-LTE-M, NB-IoT או +DECT NR. ביצועי RF טובים הם חיוניים עבור מיקסום טווח התקשורת בין התקן ה-IoT לתחנת הבסיס. כדי לבצע את המדידה, מחברים כבל בין המחבר הקואקסיאלי הקטן (J1) בערכה לבין נתח הספקטרום (איור 4).

איור 4: ניתן למדוד את אותות ה-RF של ערכת הפיתוח nRF9161 על ידי חיבורו לנתח ספקטרום עם כבל קואקסיאלי. (מקור התמונה: Nordic Semiconductor‏)

כלי פיתוח מתקדמים עבור ה-nRF9161 DK

לאחר שהאפליקציה תוכנתה, Nordic מציעה שני כלים המאפשרים למפתח לבחון את הביצועים שלה. הראשון הוא Power Profiler Kit II‏ (PPK2‏) (איור 5). יחידה עצמאית זו יכולה למדוד את צריכת הזרם של ערכת הפיתוח על פני תחום של 200 ננו-אמפר (nA) עד 1 אמפר (A) ברזולוציה שבין nA‏ 100‏ ל-1 מיליאמפר (mA). ה-PPK2 יכול גם לספק עד 5 וולט ב-A‏ 1‏ לערכת הפיתוח.

איור 5: ה-PPK2 יכול למדוד את צריכת הזרם הממוצעת והרגעית של ערכת הפיתוח nRF9161 בעת הפעלת יישום. (מקור התמונה: Nordic Semiconductor‏)

ה-PPK2 משמש עם אפליקציית Power Profiler‏, חלק מתוכנת nRF Connect‏ עבור Desktop‏. המפתחים יכולים להשתמש באפליקציה כדי לנתח את צריכת הזרם הממוצעת והרגעית של ערכת nRF9161 בעת הפעלת יישום. ניתן לבצע קריאות לאורך זמן ממושך תוך התמקדות בו-זמנית במרווחים של מילי-שניות במידת הצורך. את הנתונים הנמדדים ניתן לייצא עבור עיבוד נוסף.

ניתוח צריכת ההספק מאפשר למפתחים לראות היכן ניתן לשנות את קוד האפליקציה כדי לחסוך בהספק על מנת להאריך את חיי הסוללה של התכן (איור 6).

איור 6‏: אפליקציית Power Profiler‏ ב-nRF Connect‏ עבור Desktop מציגה את צריכת הזרם של האפליקציה תוך כדי פעולתה. (מקור התמונה: Nordic Semiconductor‏)

הכלי Cellular Monitor‏ של Nordic מסייע בפיתוח יישומים ונתמך על ידי תוכנת nRF Connect‏ עבור Desktop. הצג מראה מה עושה המודם של nRF9161 SiP כאשר ערכת הפיתוח מריצה את האפליקציה. זה כולל את ביצועי הרשת, סטטוס ההתקן והעברת נתונים. פרטים אלו מאפשרים למפתח לנתח את תעבורת המודם ולמטב את ביצועי האפליקציה. המידע מוצג על טרמינל טורי.

סיכום

טכנולוגיות LPWAN‏ LTE-M‏, NB-IoT‏ ו-+DECT NR‏ תומכות בחיבוריות אמינה, מאובטחת ומדרגית עבור התקני IoT, אך פיתוח התקני חומרה ותוכנה לאלחוט יכול להיות מאתגר. ה-nRF9161 SiP של Nordic, תוכנת פרוטוקול משובצת התומכת בערכת הפיתוח והאפליקציות של nRF9161 DK, מפחיתה חלק ניכר ממורכבות התכנון.