Gebruik van een LTE-M, NB-IoT en DECT NR+ combinatie-ontwikkelkit voor een draadloos IoT-ontwerp

Mobiele draadloze LPWAN-technologieën (low-power wide-area network) voor het Internet of Things (IoT), zoals LTE-M (long-term evolution machine type communication) en NB-IoT (narrowband IoT), bieden een draadloos verbindingsbereik van meer dan een kilometer (km) voor batterijgevoede apparaten die gebruik maken van bestaande en bewezen cellulaire infrastructuur. New Radio+ (DECT NR+) is een licentievrij LPWAN-alternatief voor toepassingen die een cellulair-achtige aanpak vereisen voor massale IoT-implementaties. De implementatie van deze drie benaderingen kan echter complex zijn voor ontwikkelaars, zelfs voor degenen met ervaring op het gebied van draadloze verbindingen op korte afstand.

Werken met een leverancier van oplossingen die vooraf gecertificeerde producten biedt met geïntegreerde LTE-M-, NB-IoT- of DECT NR+-protocolsoftwarestacks en geautomatiseerde modems kan de complexiteit van het LPWAN-ontwerp enigszins goedmaken. Dankzij dergelijke oplossingen kan de ontwikkelaar zich meer richten op de differentiatie van toepassingen en de doelstellingen voor de time-to-market.

Dit artikel geeft een overzicht van de voordelen van LTE-M, NB-IoT en DECT NR+ voor IoT-connectiviteit op lange afstand en bespreekt de uitdagingen bij de implementatie. Vervolgens introduceren we een combinatie van cellulair IoT en DECT NR+ en de bijbehorende ontwikkelkit van Nordic Semiconductor en tonen we hoe deze kunnen worden gebruikt om deze uitdagingen te overwinnen.

Waarom draadloze LTE-M, NB-IoT of DECT NR+ gebruiken?

Om een fundamenteel onderdeel te vormen van het wereldwijde internet moeten IoT-apparaten zonder het gebruik van dure gateways kunnen communiceren met de cloud via het Internet Protocol (IP). In sommige toepassingen, zoals landbouw, smart cities en milieumonitoring, moet communicatie over lange afstanden worden uitgevoerd met minimaal onderhoud. Dit laatste betekent een laag energieverbruik om de levensduur van de batterij te maximaliseren.

LTE-M en NB-IoT bieden een cellulaire oplossing voor deze uitdagingen. Ze zijn gebaseerd op specificaties van 3GPP, wat betekent dat ze IP-interoperabel zijn en een bereik halen van meer dan een kilometer. LTE-M en NB-IoT werken in frequentiebanden van respectievelijk 698 megahertz (MHz) tot 960 MHz en 1710 MHz tot 2200 MHz. De technische details van LTE-M en NB-IoT zijn samengevat in tabel 1.

Tabel 1: Een vergelijking tussen LTE-M en NB-IoT. (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

DECT NR+ biedt een alternatief voor toepassingen die lange-afstandsconnectiviteit vereisen zonder licentiekosten. Het is gebaseerd op 5G-specificaties, werkt in de 1900MHz-band, kan high-density LPWAN’s ondersteunen en is geschikt voor M2M-communicatie (machine-to-machine) en stadsbrede bewaking van de luchtkwaliteit.

Vereenvoudigen van het RF-ontwerp

Het implementeren van RF-ontwerpen is voor veel ontwikkelaars een uitdaging en kan vaak de time-to-market in gevaar brengen. Sommige hardware-uitdagingen kunnen echter overwonnen worden door een geïntegreerde oplossing te kiezen die veel van de complexiteit verbergt. Een voorbeeld is de system-in-package (SiP) nRF9161 van Nordic Semiconductor (afbeelding 1).

De SiP bevat een Arm^® Cortex^®-M33 processor speciaal voor toepassingssoftware en een modem met ondersteuning voor LTE-M-, NB-IoT- en DECT NR+ RF-interfaces. Het bevat ook een RF front-end (RFFE) en een energiebeheersysteem, allemaal in een LGA-pakket (land grid array) van 16,0 x 10,5 x 1,04 millimeter (mm). De modem ondersteunt IPv4/IPv6 en versleutelde firmware-over-the-air (FOTA) updates. De applicatieprocessor wordt ondersteund door 1 megabyte (MB) flashgeheugen en 256 kilobytes (kB) RAM.

Afbeelding 1: De nRF9161-SiP bevat een Arm Cortex-M33 processor, LTE-modem, RFFE, geheugen en energiebeheer. (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

De SiP beschikt ook over een GNSS-ontvanger voor toepassingen zoals locatiebepaling. Interfaces en randapparatuur zijn onder andere een 12-bit analoog-digitaalomzetter (ADC), real-time klok (RTC), seriële periferie-interface (SPI), intergeïntegreerd circuit (I²C), inter-IC sound (I²S), universele asynchrone ontvanger/zender (UART), pulsdichtheidsmodulatie (PDM) en pulsbreedtemodulatie (PWM). Met de SiP kan een cellulaire of DECT NR+ IoT-oplossing worden ontwikkeld met behulp van één apparaat, een antenne, batterij, SIM of eSIM en een sensor (afbeelding 2).

Afbeelding 2: De nRF9161-SiP is een sterk geïntegreerde cellulaire (LTE-M, NB-IoT) en DECT NR+ IoT-connectiviteitsoplossing. (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

Uitdagingen voor softwareontwerp

De uitdagingen van RF IoT-ontwerp strekken zich uit tot de software. De cellulaire en DECT NR+ stacks zijn groot en zeer complex. Om ze vanaf nul op te bouwen zijn protocolspecialisten nodig. In het geval van LTE-M en NB-IoT moet de ontwikkelaar cellulair-specifieke attentie (AT) opdrachten implementeren zodra de stack is gebouwd en getest. Deze vormen de basis van de communicatie tussen een mobiele modem en de hostbesturingseenheid. Ze worden voornamelijk gebruikt om de modem te configureren en te debuggen en om netwerkverbindingen via mobiele netwerkoperatoren (MNO’s) mogelijk te maken.

Nordic vereenvoudigt problemen met softwarecodering door een bewezen en stabiele LTE-M stack te leveren die is voorgeprogrammeerd in de modem van de SiP. Daarnaast verwerkt de Serial LTE Modem-toepassing van Nordic AT-opdrachten waarmee de modem gegevens kan verzenden en ontvangen.

Naast de technische uitdagingen moeten cellulaire modems ook voldoen aan strenge regiospecifieke certificering en regelgeving. Deze omvatten wereldwijde certificeringen om compatibiliteit met de LTE-specificaties te garanderen, zodat het eindapparaat kan communiceren via LTE-M- of NB-IoT-netwerken. Daarnaast hebben sommige MNO’s hun eigen certificeringsvereisten.

Opnieuw heeft Nordic de last van de ontwikkelaar verlicht door de nRF9161-SiP vooraf te certificeren voor gebruik in de meest kritieke regio’s, belangrijke netwerken en de belangrijkste LTE-banden op die netwerken.

Gebruiken van de nRF9161-ontwikkelingskit

Hoewel de nRF9161-SiP enkele kritieke hardware- en software-uitdagingen verlicht die gepaard gaan met de ontwikkeling van cellulair IoT en DECT NR+, vereist het maken van een werkend prototype nog steeds inspanning. Om het ontwerpproces te versnellen, biedt Nordic de nRF9161 DK ontwikkelkit (afbeelding 3) en een pakket softwaretools. De tools worden aangevoerd door de nRF Connect SDK van het bedrijf, een uniforme ontwikkelomgeving voor de draadloze oplossingen van Nordic.

De ontwikkelkit bevat de SiP en de nodige schakelingen om een volledig functioneel prototype te maken. De kit heeft een speciale LTE-M/NB-IoT en DECT NR+ antenne en een geïntegreerde patchantenne voor GNSS. Programmeren en debuggen is mogelijk via de onboard SEGGER J-Link en de kit wordt geleverd met een SIM-kaart met data. Het ondersteunt ook het gebruik van een Software SIM, waardoor het stroomverbruik nog verder daalt.

Afbeelding 3: De nRF9161 DK bevat de nRF9161 SiP voor LTE-M, NB-IoT en DECT NR+ en beschikt over LPWAN- en GNSS-antennes, een on-board SEGGER J-Link voor programmeren en debuggen evenals een voorgeladen SIM-kaart. (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

Om aan de slag te gaan met de ontwikkeling van de nRF9161-kit moet de SIM-kaart worden ingestoken (of de eSIM worden geactiveerd), de schakelaar PROG/DEBUG SW10 worden ingesteld op ‘nRF91’ en de kit worden aangesloten op een desktopcomputer met een micro-USB 2.0-kabel. De ontwikkelkit vereist een Windows, macOS of Ubuntu Linux besturingssysteem (OS).

De volgende stap is om nRF Connect for Desktop van Nordic te installeren en de software te activeren. Van daaruit is het mogelijk om de Quick Start-toepassing te installeren, een hulpmiddel voor begeleide installatie- en configuratieprocedures. De software vereenvoudigt het updaten van de ontwikkelkitfirmware en het activeren van de SIM-kaart. Om gegevens van de kit naar de cloud te verzenden, kan de ontwikkelaar een Nordic nRF Cloud-account aanmaken of verbinding maken met andere cloudservices.

De Quick Start-toepassing leidt de ontwikkelaar vervolgens naar de nRF Connect SDK van Nordic. De SDK werkt met Visual Studio Code, een populaire geïntegreerde ontwikkelomgeving (IDE), met behulp van de nRF Connect voor VS Code-extensie van Nordic. De SDK wordt gebruikt om toepassingen te ontwikkelen en bevat handige voorbeelden zoals het ophalen van de locatie van een apparaat met behulp van GNSS, cellulaire of wifipositionering en het verzenden van sensorgegevens van de nRF9161-kit naar de cloud.

Zodra de toepassing is gebouwd, is het programmeren van de ingebouwde Arm-applicatieprocessor van de nRF9161-SiP eenvoudig. De eerste stap is om de kit aan te sluiten op een pc met een USB-kabel en hem aan te zetten. Vanuit de nRF Connect voor VS Code-extensie moet de ontwikkelaar op de optie ‘Flash’ in de ‘Actions View’ klikken. Er verschijnt een melding die de voortgang van het programmeren weergeeft en de voltooiing bevestigt.

Met de ontwikkelkit kan de ontwikkelaar ook het LTE-M, NB-IoT of DECT NR+ RF-signaal controleren. Goede RF-prestaties zijn essentieel voor het maximaliseren van het communicatiebereik tussen het IoT-apparaat en het basisstation. Om de meting uit te voeren, wordt een kabel aangebracht tussen de kleine coaxiale connector (J1) op de kit en een spectrumanalyzer (afbeelding 4).

Afbeelding 4: Het RF-signaal van de nRF9161-ontwikkelkit kan worden gemeten door het met een coaxkabel op een spectrumanalyzer aan te sluiten. (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

Geavanceerde ontwikkeltools voor de nRF9161 DK

Zodra een toepassing is geprogrammeerd, biedt Nordic twee tools waarmee de ontwikkelaar de prestaties kan observeren. De eerste is de Power Profiler Kit II (PPK2) (afbeelding 5). Dit zelfstandige apparaat kan de stroomafname van de ontwikkelkit meten over een bereik van 200 nanoampère (nA) tot 1 ampère (A) met een resolutie die varieert tussen 100 nA en 1 milliampère (mA). De PPK2 kan ook tot 5 volt bij 1 A aan de ontwikkelkit leveren.

Afbeelding 5: De PPK2 kan het gemiddelde en momentane stroomverbruik van de nRF9161-ontwikkelkit meten tijdens het uitvoeren van een toepassing. (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

De PPK2 wordt gebruikt met een Power Profiler-app, onderdeel van de nRF Connect for Desktop software. De ontwikkelaar kan de app gebruiken om het gemiddelde en momentane stroomverbruik van de nRF9161-kit te analyseren tijdens het uitvoeren van een toepassing. Aflezingen kunnen over een langere periode worden gedaan en er kan tegelijkertijd worden ingezoomd op een interval van een milliseconde als dat nodig is. De gemeten gegevens kunnen worden geëxporteerd voor verdere verwerking.

Met de energieverbruiksanalyse kan de ontwikkelaar zien waar de applicatiecode kan worden aangepast om energie te besparen en zo de levensduur van de batterij van het ontwerp te verlengen (afbeelding 6).

Afbeelding 6: De Power Profiler-app in nRF Connect for Desktop toont het huidige verbruik van de toepassing tijdens uitvoering. (Bron afbeelding: Nordic Semiconductor)

De Cellular Monitor-tool van Nordic helpt bij de ontwikkeling van toepassingen en wordt ondersteund door de nRF Connect for Desktop-software. De monitor laat zien wat het modem van de nRF9161-SiP doet terwijl de ontwikkelkit de toepassing uitvoert. Dit omvat netwerkprestaties, apparaatstatus en gegevensoverdracht. Met deze details kan de ontwikkelaar het modemverkeer analyseren en de prestaties van de toepassing optimaliseren. De informatie wordt weergegeven op een seriële terminal.

Conclusie

LPWAN-technologieën LTE-M, NB-IoT en DECT NR+ ondersteunen betrouwbare, veilige en schaalbare lange-afstandsconnectiviteit voor IoT-apparaten, maar het ontwikkelen van draadloze hardware en software kan een uitdaging zijn. De nRF9161-SiP, embedded protocol software en ondersteunende nRF9161 DK ontwikkelkit en apps van Nordic verminderen veel van de ontwerpcomplexiteit.