מדוע וכיצד להתניע פרויקטים של IoT סלולרי על ידי שימוש בלוח פיתוח IoT של Microchip‏

אינטרנט-של-דברים (IoT‏) סלולרי, טכנולוגיית Low Power Wide Area Network‏ (LPWAN‏), מציע מסלול ברור ומוכח ל-IoT‏ מוגן ואיתן עבור יישומים המשתרעים מערים חכמות עד חקלאות, וניטור תשתיות מרחוק. עם זאת, IoT סלולרי הוא‏ טכנולוגיה מורכבת, מפחיד מתכננים בלתי מנוסים המתחילים פרויקט.

למרות זאת, אתגרי תכנון IoT סלולרי ניתנים להקלה על ידי ביסוס פרויקטים על לוחות פיתוח סלולרי המשתמשים במיקרו-בקרים (MCU) למטרה-כללית מוכרים וסביבות תכנון משולבות (IDEs). מגובים על ידי ספריות של תוכנת מקור-פתוח וחיבור חיישן פשוט, לוחות פיתוח אלו מקלים על המתכנן להתחיל פרויקטים של IoT סלולרי מעריכת חומרה כל הדרך עד משלוח נתונים לענן.

מאמר זה מתאר בקצרה את היתרונות של IoT סלולרי לפני שמסביר את מורכבויות התכנון שהטכנולוגיה יכולה להציג. המאמר מתאר אחר כך כיצד השימוש בלוחות פיתוח IoT סלולרי יכול למנוע חלק גדול ממורכבות זו. לבסוף, המאמר מתאר כיצד להכין לוח פיתוח Microchip Technology‏ כדי לשלוח נתונים פשוטים של צבע וטמפרטורה אל הענן.

מה זה IoT סלולרי?

IoT סלולרי משתמש בטכנולוגיה סלולרית בהספק נמוך כדי לחבר ‏התקני קצה IoT (כגון חיישנים ומפעילים (Actuators‏)) אל הענן. IoT סלולרי הוא טכנולוגיית‏ LPWAN‏ המתאפיינת על ידי טווח של מעל קילומטר, תמיכת התקן-קצה צפיפות-גבוהה וקצב העברה נמוך.

בעוד קיימות טכנולוגיות‏ LPWAN‏ אחרות—במיוחד LoRaWAN (ראה, “ האץ פרויקטים LoRaWAN IoT‏ עם ‏ערכת התחלה מקצה-לקצה”) ו-Sigfox‏—IoT סלולרי מציע מספר יתרונות מפתח, כולל:

• התאמה עתידית: כסטנדרט, המפרטים של IoT סלולרי נמצאים כל הזמן תחת בחינה ופיתוח.
• מדרגיות: IoT סלולרי יכול לתמוך בפריסה המהירה של IoT באמצעות ארכיטקטורה סלולרית קיימת.
• איכות של שירות (QoS‏): IoT סלולרי מציע אמינות גבוהה מכיוון שהוא מבוסס על תשתית מוכחת ובשלה ביישומים מסחריים בנפח-גדול.
• תפעוליות-בינית (Interoperability) ‏IP: התקני קצה יכולים להיות מקושרים ישירות לענן ללא הצורך בשערים (Gateways) יקרים ומורכבים.

מתכננים חייבים לקחת בחשבון שעם IoT סלולרי ישנה הוצאה שוטפת הקשורה בהעברת נתונים.‏ זה לא המקרה עם טכנולוגיות מתחרות כגון LoRaWAN המשתמשת בספקטרום התדרים ללא-רישיון. עם זאת, עלויות נתוני IoT סלולרי נמצאות בירידה בשל לחצים תחרותיים ושימוש הולך וגדל במחשוב קצה, דבר המקטין את נפח הנתונים חסרי החשיבות הנשלח ברשת.

IoT סלולרי מפוקח על ידי ‏סטנדרט טלקום המוסדר והמעודכן על ידי ה-Third Generation Partnership Project‏ (3GPP). מהדורה 13 של סטנדרט ה-3GPP הרחיבה את קטגוריות המודם מכונה-למכונה (M2M)) שלה כדי לאפשר מודמים עלות-נמוכה, הספק-נמוך וקצב-העברה-נמוך המתאימים לקישוריות IoT‏. התוצאה של מהדורות נוספות של הסטנדרט היא שיפורים נוספים למודמים IoT‏ אלה.

חיישנים אלחוטיים מצוידים במודמים IoT סלולרי יכולים לשלוח נתונים לאורך קילומטרים לענן, ללא הצורך בשערים (gateways) יקרים ומורכבים, ביחד עם האבטחה וה-QoS‏ בהן התקשורת הסלולרית ידועה.

ההבדל בין LTE-M‏ ו-NB-IoT‏

IoT סלולרי בא בשתי צורות, LTE‏ קטגוריה M1‏ (LTE-M‏) ו-IoT פס צר‏ (NB-IoT‏).  שני הסוגים מתוכננים לשימוש עם התקנים מוגבלי-משאבים, לעיתים קרובות מוזני-סוללה, שאופייניים ל-IoT‏ ו-IoT תעשייתי (IIoT‏). מאחר ומודמים IoT מתחברים לתשתית סלולרית קיימת, כל אחד חייב להיות בעל מודול זיהוי מנוי (SIM) משלו.

LTE-M‏ מבוסס על טכנולוגיית LTE‏ (“4G”) בסיסית. הוא תומך בתקשורת מאובטחת, כיסוי נרחב וקיבולת מערכת גבוהה. היכולת שלו לעבוד‏ כמערכת דופלקס-מלא ברוחב-פס יחסית רחב‏ (1.4‏ מגה-הרץ (MHz‏)) משפרת שיהוי (Latency‏) וקצב העברה בהשוואה ל-NB-IoT‏. קצב ההעברה של נתונים גולמיים הוא 300 קילו-ביט לשנייה (Kbits/s) קישור-מטה ו-375‎ kbits/s‏ קישור-מעלה. הטכנולוגיה מתאימה לקישורי IP מקצה-לקצה מאובטחים, וניידות נתמכת על ידי טכניקות העברה סלולרית LTE. LTE-M מתאים עבור יישומים ניידים כגון מעקב אחר נכסים או מכשור רפואי.

NB-IoT‏ מתוכנן בעיקר עבור יעילות-אנרגטית ועבור חדירה טובה יותר לתוך בניינים ואזורים אחרים לא ידידותיים ל-RF. בניגוד LTE-M‏, הוא אינו מבוסס על השכבה הפיזית LTE‏ (PHY). מורכבות מודם היא אפילו פחותה מזאת של התקן LTE-M‏, כיוון ש-NB-IoT‏ משתמש ברוחב-פס של 200 קילו-הרץ (kHz‏). בעוד קצב העברת נתונים גולמיים הוא ‎60/30 Kbits/s צנוע‏, הטווח הוא טוב יותר משל LTE-M‏. NB-IoT‏ מתאים ליישומים סטטיים כגון מונים חכמים, שעלולים להיות מוסתרים על ידי קירות.

מודמים IoT סלולרי מסחריים

כעת זמינים מגוון מודמים מסחריים LTE-M/NB-IoT. דוגמה אחת היא מודול ה-Monarch 2 GM02S מבית Sequans‏. ההתקן תומך ביחידת שמירת מלאי (SKU) יחידה של RF front-end המתאימה עבור 20 מפסי ה-LTE הגלובליים. הוא מסופק במודול LGA‏ קומפקטי בעל מידות של 16.3 x‏ 17 X‏ 1.85 מילימטר (mm). המודול עומד בדרישות 3GPP‏ מהדורה 14/15. המודם, שמוזן מספק יחיד של 2.2 עד 5.5 וולט, מסוגל לשדר בהספק מקסימלי של 23+ דציבלים מיוחסים ל-1 מילי-וואט (mW‏) (dBm‏).

ה-GM02S תומך ב-SIM‏ ו-eSim חצוניים כמו גם במודולי SIM משולבים. כלול ממשק אנטנה 50 אוהם (Ω‏). ההתקן מסופק עם חבילת תוכנה‏ LTE-M/NB-IoT ותוכנת Cloud Connector של Sequan עבור חיבור קל לפלטפורמות ענן מסחריות (איור 1‏).

איור 1‏: מודם GM02S LTE-M/NB-IoT של Sequans בא במארז קומפקטי ועם חבילת תוכנה בשלה. (מקור תמונה: Sequans‏)

אתגרי תכנון של IoT סלולרי

בעוד מודם ה-GM02S הוא‏ התקן משולב במידה רבה המסופק עם חבילת תוכנה וקישוריות ענן, כמו כל המודמים המסחריים, עדיין דרושה עבודת פיתוח משמעותית לפני שיישום IoT שולח נתונים באופן חלק למרחק של קילומטרים אל הענן.

המודם מתוכנן אך ורק כדי לטפל בתקשורת בין התקן-הקצה ותחנת הבסיס. ‏מעבד יישום ופיקוח נפרד דרוש כדי לבקר את המודם בעוד גם מריץ את תוכנת יישום החיישן. נוסף לכך, המתכנן צריך גם להתחשב במעגל(י) האנטנה, ספק-כוח ובציוד התקן-קצה ב-SIM כדי להבטיח קישוריות חלקה עם הרשת הסלולרית (ראה, “כיצד להשתמש באנטנות משובצות מרובות--פסים כדי לחסוך מקום, מורכבות ועלויות בתכני IoT‏”).

מעבר לתכנון החומרה, דרושים כישורי קידוד מסוימים כדי להביא‏ מודול סלולרי להתחבר לרשת ולקלוט/לשדר נתונים. אם התכן משתמש ב-MCU יישום חיצוני, ‏בדרך כלל מתקשר עם המודול הסלולרי תוך שימוש ‏בקישור טורי UART‏ (למרות שמשתמשים בממשקי I/O אחרים גם כן). פקודות AT (“שים לב”) הן האמצעי הסטנדרטי לבקרת‏ מודם סלולרי. הפקודות מורכבות מסדרה של מחרוזות טקסט קצרות שניתנות לשילוב כדי ליצור פעולות כגון חיוג, ניתוק ושינוי הפרמטרים של החיבור.

ישנם שני סוגי פקודות AT: פקודות בסיסיות הן אלו שלא מתחילות עם “+”. דוגמאות של פקודות בסיסיות הן “D” (חייג), “A‏” (ענה), “H” (בקרת התחברות) ו-“O‏” (חזור למצב נתונים מקוונים). פקודות מורחבות הן אילו המתחילות עם “+”. לדוגמה, “CMGS+” (שלח הודעת SMS),‏ “CMGL+” (רשום רשימת הודעות SMS) ו-“CMGR+” (קרא הודעות SMS) (ראה “השתמש במודול סלולרי כדי לחבר פרויקט יוצר‏ (Maker Project) ל-IoT‏”).

שיקולי חומרה ותוכנה אלו גורמים למורכבות IoT סלולרי, שיכולה להאט התקדמות אצל מתכננים פחות מנוסים. למרבה המזל, יצרני מודם IoT סלולרי ו-MCU יישום התאחדו כדי להציע כלי תכנון חומרה ותוכנה המקלים בהרבה על עשיית שימוש בטכנולוגיית LPWAN‏ חשובה זו.

מניעת מורכבות עם לוחות פיתוח IoT‏

התמודדות עם האתגרים של תכנון IoT סלולרי הפכה לקלה יותר בהרבה על ידי ביסוס אב-טיפוס על לוח פיתוח מתוכנן-מטרה. חומרת לוח הפיתוח בדרך כלל כוללת‏ אנטנה, מקור מתח,‏ SIM עם הקצבה חינמית מסוימת של נתונים,‏ מעבד יישומים ורשתות כוונון כדי להבטיח ביצועי RF טובים. זה מעניק למתכננים יתרון התחלתי מוצק עבור הפרויקט שלהם ומאפשר להם להתמקד בפיתוח יישום.‏ עם הבחירה הנכונה של לוח פיתוח, פיתוח היישום יכול אפילו להתנהל‏ בסביבת פיתוח משולבת (IDE) מוכרת.

דוגמה אחת של‏ לוח פיתוח IoT סלולרי נפוץ היא לוח הפיתוח EV70N78A AVR-IoT Cellular Mini מבית Microchip. זוהי‏ פלטפורמת חומרה מבוססת סביב ה-Microchip AVR128DB48 MCU הנפוץ, והמודול הסלולרי Sequans Monarch 2 GM02S המוזכר לעיל. ה-MCU הוא התקן 8‎-bit,‏ ‎24 MHz. הוא בעל 128 קילו-בייט (Kbytes‏) של זיכרון Flash‏, 16 קילו-בייט של זיכרון SRAM‏, ‏512 בייט‏ של EEPROM‏, ומגיע במארז של 48 פינים.

לוח הפיתוח משלב גם שבב Secure Element ‏ATECC608B; עם חיבור הלוח לרשת LTE-M או NB-IoT, ה-ATECC608B משמש לאימות זהות החומרה בענן, לזיהוי ייחודי של כל לוח.

כדי להקל עוד יותר על המתכנן, לוח הפיתוח של Microchip גם כולל ‏כרטיס Truphone SIM מוכן-להפעלה עם 150 מגה-בייט (Mbytes‏) של נתונים.

לוח הפיתוח כולל חמש נורות LED למשתמש‏, שני לחצנים מכניים, גביש‏ kHz‏ 32.768‏, חיישני צבע וטמפרטורה, מחבר שפה תואם‏ Adafruit Feather, מחבר‏ Qwiic I²C, מנפה-באגים על-הלוח, נקודת-חיבור USB‏, סוללה ואפשרויות מתח כניסה חיצוני, ומטען סוללה ‏MCP73830 Li-ion/Li-po עם LED מצב טעינה (איור 2‏).

איור 2‏: לוח הפיתוח AVR-IoT Cellular Mini מבוסס על ה-AVR128DB48 MCU ומגיע שלם עם כרטיס SIM ו-‎150 Mbytes‏ של נתונים. (מקור התמונה: Microchip Technology)

התחלת פרויקט IoT סלולרי

המטרה של IoT סלולרי היא לחבר אלחוטית התקני-קצה IoT‏ כגון חיישנים ומפעילים (Actuators‏) כך שניתן לשלוח את הנתונים שלהם לאורך קילומטרים אל הענן. על לוח הפיתוח Microchip, ה-MCU טעון-מראש עם תמונת קושחה היוצרת‏ יישום הדגמה שמאפשר למשתמשים להתחבר במהירות ולשלוח נתונים מחיישני הטמפרטורה והצבע שעל הלוח אל ארגז חול מבוסס-ענן (מאוכסן על ידי AWS‏).

כדי להכין את החומרה להיות מוכנה לפיתוח, זה פשוט דורש הכנסת והפעלת כרטיס ה-‏SIM, חיבור האנטנה החיצונית ללוח, חיבור יציאת ה-USB-C‏ של מנפה-הבאגים על הלוח ל-PC, סריקת קוד ה-QR‏ בתחתית הלוח או פתיחת התקן האחסון בנפח גדול ולבצע את הוראות ה-CLICK-ME.HTM בעמוד האינטרנט של הערכה.

‏Microchip IoT Provisioning Tool הזמין מ-Github, מספק‏ פתרון קל-לשימוש עבור קביעת תצורה של‏ AVR-IoT Cellular Mini לספק הענן הנבחר, קביעת ספק הרשת ובחירת פסי תדרים סלולריים. (כדי שקושחת ההדגמה של ארגז החול תעבוד, לוח הפיתוח חייב להיות מוקדש לארגז החול AWS Microchip.)

לאחר שמפתחים צברו קצת ביטחון ביישום ההדגמה, הם יכולים להתחיל לבנות את היישום שלהם תוך שימוש בתמיכת Arduino IDE המלאה של לוח הפיתוח. תמיכה זו מבוססת על ספריית AVR IoT cellular Arduino המאוכסנת ב-Github. הספרייה בנוייה על גבי ה-DxCore מקור-פתוח (איור 3‏).

איור 3‏: ספריית ה-IoT ‏AVR IoT cellular (כתום) כוללת מודולי תוכנה עבור תכנות ובקרת לוח הפיתוח (מוצג בצורה מפושטת בירוק). (מקור התמונה: Microchip Technology)

מנפה-הבאגים שעל-הלוח (PKOB nano) מספק תמיכת תכנות מלאה עבור ה-Arduino IDE. אין צורך בכלים חיצוניים כלשהם, והוא גם מספק גישה לממשק יציאה טורית (טורית-לגשר USB‏) ושני ערוצי נתח לוגי (logic analyzer) ‏(GPIO ניפוי-שגיאות‏). מנפה-הבאגים שעל-הלוח על לוח ה-AVR IoT Cellular Mini‏ מופיע כהתקן ממשק אדם (HID) על תת-המערכת USB של המחשב המארח‏. עבור פרויקטים שאפתניים יותר, מחברי השפה Qwiic ותואמי Feather של לוח הפיתוח מאפשרים הרחבה קלה מתוך מבחר רחב של לוחות הרחבה מ-Sparkfun ו-Adafruit (איור 4‏).

איור 4‏: דיאגרמת בלוקים לוח פיתוח ‏AVR IoT זו מראה שהחיבור ל-PC מארח הוא דרך ה-USB link של מנפה-הבאגים, בעוד תכנות ה-MCU יישום הוא דרך ה-UART link של מנפה-הבאגים. שים לב שהחיבור בין ה-MCU יישום והמודם הסלולרי הוא גם כן דרך UART‏. (מקור תמונה: Microchip Technology)

כדי להתחיל בתכנות יישום יש להוריד ולהתקין את ה-Arduino IDE וה-DxCore. אחר כך, יש להגדיר תצורה של ה-Arduino IDE כדי לאפשר לספריית ה-AVR IoT cellular Arduino לרוץ (רשימה 1).

רשימה 1: הגדרת התצורה של ה-Arduino IDE כדי לאפשר לספריית ה-AVR IoT cellular Arduino לרוץ. (קוד מקור: Microchip Technology)

לאחר הגדרת התצורה של ה-IDE ניתן להתקין את הספריה. כשזה נעשה, ניתן לגשת למספר דוגמאות ספריה עבור לוח הפיתוח. מתכננים המכירים את ה-Visual Studio Code IDE יכולים להשתמש בה עבור פיתוח ‏AVR IoT‏, בתנאי שהם מתקינים את תוספת ה-Arduino‏. קוד יישום Arduino‏ המפותח באחת משתי סביבות הפיתוח המשולבות (IDEs) מועבר ל-MCU של לוח הפיתוח דרך מנפה-הבאגים (Debugger) שעל הלוח.

ביצוע מדידות הספק

IoT סלולרי מתוכנן לרוץ בהספק נמוך כדי להאריך את החיים של התקני קצה IoT מוזני-סוללה. לכן חשוב למטב את קוד היישום בכיוון צריכת הספק מינימלית.

על לוח הפיתוח Microchip, אספק-כוח לכל חלקי הלוח מחוברת דרך חמש רצועות ניתנות לחיתוך. אלו גם נועדו עבור מטרות מדידת זרם. כדי למדוד הספק במעגל המבוקש, ניתן לחתוך את הרצוע ולחבר מד זרם בין שני החורים (איור 5‏).

איור 5‏: רצועות ניתנות לחיתוך על לוח הפיתוח ‏AVR IoT‏ ניתנות לשימוש כדי למדוד צריכת הספק במעגלי מפתח. (מקור תמונה: Microchip Technology)

ללוח הפיתוח יש גם מעגל ‏מדידת מתח מערכת המשתמש במתג ה-MIC94163 שלו ומחלק מתח מחובר לפין ADC על ה-MCU‏, מה שמאפשר מדידה לפי-דרישה ומניעת זליגת הספק דרך מחלק המתח. כדי למדוד את מתח המערכת, בצע צעדים אלה:

1. הגדר את מתח הייחוס עבור ה-ADC.
2. קבע את פין אפשור מדידת מתח מערכת MCU GPIO ‏(PB3) ברמה לוגית גבוהה כדי לאפשר את פעולת מחלק המתח.
3. קבע את פין מדידת מתח מערכת MCU ADCO‏ (PE0) ככניסה עבור ה-ADC.
4. הרץ המרה אנלוגית-לדיגיטלית (ADC) ‏Single-Ended‏.
5. חשב את המתח תוך שימוש במשוואה: V = תוצאת ADC‏ x V_REF x‏ רזולוציית ADC/‏4.

לבסוף, גם פשוט למדוד את מתח האספקה על ידי ביצוע צעדים אלו:

1. הגדר את מתח הייחוס עבור ה-ADC.
2. בחר ב-V_DD או ב-V_DDIO2 ככניסה החיובית ל-ADC. (V_DD ו-V_DDIO2 הם ערוצי כניסה פנימיים קיימים ל-ADC של ה-MCU.)
3. הרץ המרת ADC ‏Single-Ended‏.
4. חשב את המתח תוך שימוש במשוואה: V = תוצאת ADC‏ x V_REF x‏ רזולוציית ADC/‏10.

מסקנה

IoT סלולרי הוא‏ LPWAN‏ נפוץ עם פוטנציאל מסחרי הולך וגדל. עם זאת, תכנון התקני קצה מופעלי-IoT סלולרי דורש מומחיות בחומרה ותוכנה גם יחד. כדי לאפשר את זה למתכננים, לוחות פיתוח IoT סלולרי חדשים, כגון לוח פיתוח EV70N78A AVR-IoT Cellular Mini של Microchip, מציעים מסלול בניית אב-טיפוס מהיר.

לוח הפיתוח משתמש‏ במודם high-end LTE-M/NB-IoT וב-Microchip MCU נפוץ. פיתוח קוד יישום הוא מפושט על ידי שימוש ב-Arduino IDE או ‏Visual Studio Code IDE.