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为什么以及如何使用Microchip的物联网开发板启动蜂窝物联网项目

来源: digikey
2022-09-14
类别:通信与网络
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文章创建人 拍明

原标题:为什么以及如何使用Microchip的物联网开发板启动蜂窝物联网项目

  蜂窝物联网 (IoT) 是一种低功耗广域网 (LPWAN) 技术,它为从智慧城市到农业和远程基础设施监控等应用提供了一条清晰且经过验证的安全可靠物联网路径。然而,蜂窝物联网是一项复杂的技术,对于开始项目的没有经验的设计师来说是一项艰巨的任务。

  然而,蜂窝物联网设计挑战可以通过基于蜂窝开发板的项目来缓解,蜂窝开发板使用熟悉的通用微控制器 (MCU) 和集成设计环境 (IDE)。这些开发板以开源软件库和简单的传感器连接为后盾,使设计人员能够更轻松地开始蜂窝物联网项目,从硬件布局一直到将数据发送到云端。

  在解释该技术可能引入的设计复杂性之前,本文简要概述了蜂窝物联网的好处。然后,本文描述了蜂窝物联网开发板的使用如何消除这种复杂性。最后,本文介绍了如何设置Microchip Technology开发板以将简单的颜色和温度数据发送到云端。

  什么是蜂窝物联网?

  蜂窝物联网使用低功耗蜂窝技术将物联网终端设备(如传感器和执行器)连接到云端。它是一种 LPWAN 技术,其特点是公里以上范围、高密度终端设备支持和低吞吐量。

  虽然存在其他 LPWAN 技术,特别是 LoRaWAN(请参阅“使用端到端入门套件加速 LoRaWAN IoT 项目”)和 Sigfox,但蜂窝物联网提供了一些关键优势,包括:

  面向未来:作为一项标准,蜂窝物联网的规范一直在审查和开发中。

  可扩展性:蜂窝物联网可以通过已建立的蜂窝架构支持物联网的快速部署。

  服务质量 (QoS):蜂窝物联网提供了高可靠性,因为它基于在大批量商业应用中经过验证和成熟的基础设施。

  IP互操作性:终端设备可以直接连接到云端,无需昂贵和复杂的网关。

  设计人员需要考虑到蜂窝物联网是否存在与数据传输相关的持续费用。使用未经许可的频谱的竞争技术(例如 LoRaWAN)并非如此。然而,由于竞争压力和边缘计算的使用增加,蜂窝物联网数据成本呈下降趋势,从而减少了通过网络发送的普通数据量。

  蜂窝物联网受第三代合作伙伴计划 (3GPP) 监管和更新的电信标准管理。3GPP 标准的第 13 版扩展了其机器对机器 (M2M) 调制解调器类别,以允许适用于物联网连接的低成本、低功耗和低吞吐量调制解调器。该标准的进一步发布导致这些物联网调制解调器的进一步增强。

  配备蜂窝物联网调制解调器的无线传感器可以跨越数公里将数据发送到云端,而无需昂贵和复杂的网关,以及众所周知的蜂窝网络的安全性和 QoS。

  LTE-M和NB-IoT的区别

  蜂窝物联网有两种形式,LTE 类别 M1 (LTE-M) 和窄带物联网 (NB-IoT)。这两种类型都设计用于物联网和工业物联网 (IIoT) 典型的资源受限、通常由电池供电的设备。由于物联网调制解调器连接到已建立的蜂窝基础设施,因此每个调制解调器都需要自己的用户身份模块 (SIM)。

  LTE-M 基于精简的 LTE(“4G”)技术。它支持安全通信、无处不在的覆盖和高系统容量。与 NB-IoT 相比,它能够在相对较宽的带宽(1.4 兆赫 (MHz))上作为全双工系统运行,从而改善了延迟和吞吐量。原始数据吞吐量为每秒 300 千比特 (Kbits/s) 的下行链路和 375 Kbits/s 的上行链路。该技术适用于安全的端到端 IP 连接,移动性由 LTE 小区切换技术支持。LTE-M 适用于资产跟踪或医疗保健等移动应用。

  NB-IoT 主要是为提高能源效率和更好地渗透到建筑物和其他射频不友好区域而设计的。与 LTE-M 不同,它不是基于 LTE 物理层 (PHY)。调制解调器的复杂性甚至低于 LTE-M 设备,因为 NB-IoT 使用 200 千赫 (kHz) 带宽。虽然原始数据吞吐量仅为 60/30 Kbits/s,但范围优于 LTE-M。NB-IoT 适用于静态应用,例如可能被墙壁遮挡的智能电表。

  商用蜂窝物联网调制解调器

  一系列商用 LTE-M/NB-IoT 调制解调器现已上市。一个例子是Sequans的 Monarch 2 GM02S模块。该设备支持适用于全球 20 个 LTE 频段的单一库存单位 (SKU) 射频前端。它采用尺寸为 16.3 x 17 x 1.85 毫米 (mm) 的紧凑型 LGA 模块提供。该模块符合 3GPP Release 14/15 的要求。该调制解调器由 2.2 至 5.5 伏的单电源供电,能够以 1 毫瓦 (mW) (dBm) 为基准提供 +23 分贝的最大发射功率。

  GM02S 支持外部 SIM 和 eSIM 以及集成 SIM。包括一个 50 欧姆 (Ω) 天线接口。该设备配备 LTE-M/NB-IoT 软件堆栈和 Sequan 的 Cloud Connector 软件,可轻松连接到商业云平台(图 1)。

  

Sequans 的 GM02S LTE-M/NB-IoT 调制解调器图片


  图 1:Sequans 的 GM02S LTE-M/NB-IoT 调制解调器采用紧凑型封装和成熟的软件堆栈。(图片来源:Sequans)

  蜂窝物联网设计挑战

  虽然 GM02S 调制解调器是一种高度集成的设备,提供软件堆栈和云连接,但与所有商业调制解调器一样,在物联网应用程序将数公里内的数据无缝发送到云端之前,仍需要大量的开发工作。

  调制解调器专门设计用于管理终端设备和基站之间的通信。需要一个单独的监控和应用处理器来控制调制解调器,同时运行传感器应用软件。此外,设计人员还需要考虑天线电路、电源以及为终端设备配备 SIM 卡,以确保与蜂窝网络的无缝连接(请参阅“如何使用多频段嵌入式天线节省空间,物联网设计的复杂性和成本”)。

  除了硬件设计之外,还需要一些编码技能才能让蜂窝模块连接到网络并接收/传输数据。如果设计使用外部应用 MCU,它通常使用 UART 串行链路与蜂窝模块通信(尽管也使用其他 I/O 接口)。AT(“注意”)命令是控制蜂窝调制解调器的标准方法。这些命令由一系列短文本字符串组成,可以组合起来产生诸如拨号、挂断和更改连接参数等操作。

  AT 命令有两种类型: 基本命令是那些不以“+”开头的命令。“D”(拨号)、“A”(接听)、“H”(挂机控制)和“O”(返回在线数据状态)是示例。扩展命令是以“+”开头的命令。例如,“+CMGS”(发送 SMS 消息)、“+CMGL”(列出 SMS 消息)和“+CMGR”(读取 SMS 消息)(请参阅“使用蜂窝模块将创客项目连接到 IoT ”) .

  这些硬件和软件考虑因素给蜂窝物联网带来了复杂性,这可能会减缓经验不足的设计人员的进展。幸运的是,应用 MCU 和蜂窝物联网调制解调器制造商现在已经联合起来提供硬件和软件设计工具,使利用这一重要的 LPWAN 技术变得更加容易。

  使用物联网开发板消除复杂性

  将原型建立在专门设计的开发板上,可以大大简化蜂窝物联网设计的挑战。开发板硬件通常包括天线、电源、带有一些免费数据余量的 SIM、应用处理器和调谐网络,以确保良好的射频性能。这为设计人员的项目提供了坚实的硬件先机,并使他们能够专注于应用程序开发。通过正确选择开发板,甚至可以在熟悉的 IDE 中进行应用程序开发。

  Microchip 的EV70N78A AVR-IoT Cellular Mini 开发板是流行的蜂窝物联网开发板的一个示例。这是一个基于流行的 Microchip AVR128DB48 MCU 和上面详述的 Sequans Monarch 2 GM02S 蜂窝模块的硬件平台。MCU 是一个 8 位、24 MHz 设备。它具有 128 KB 的闪存、16 KB 的 SRAM、512 字节的 EEPROM,并采用 48 引脚封装。

  该开发板还集成了一个ATECC608B安全元件;连接到 LTE-M 或 NB-IoT 网络后,ATECC608B 用于通过云对硬件进行身份验证,以唯一地识别每块电路板。

  为了让设计人员更轻松,Microchip 开发板还包括一个可激活的 Truphone SIM 卡,其中包含 150 兆字节 (Mbytes) 的数据。

  该开发板具有五个用户 LED、两个机械按钮、一个 32.768 kHz 晶体、颜色和温度传感器、一个与Adafruit Feather 兼容的边缘连接器、一个 Qwiic I 2 C 连接器、一个板载调试器、一个 USB 端口、电池和外部输入电源选项,以及带有充电状态 LED 的MCP73830锂离子/锂聚合物电池充电器(图 2)。

  

Microchip Technology AVR-IoT Cellular Mini 开发板图片(点击放大)


  图 2:AVR-IoT 蜂窝迷你开发板基于 AVR128DB48 MCU,配有一张 SIM 卡和 150 MB 数据。(图片来源:微芯科技)

  启动蜂窝物联网项目

  蜂窝物联网的目的是无线连接物联网终端设备,例如传感器和执行器,以便它们的数据可以传输数公里至云端。在 Microchip 开发板上,MCU 预装了一个固件映像,形成一个演示应用程序,让用户可以快速连接板载温度和颜色传感器并将数据发送到基于云的沙箱(由 AWS 托管)。

  准备好硬件进行开发,只需激活并插入 SIM 卡,将外部天线连接到板子,将板上的调试 USB-C 端口连接到 PC,扫描底部的二维码板或打开大容量存储设备,然后按照 CLICK-ME.HTM 进入套件网页。

  Github提供的Microchip IoT Provisioning Tool提供了一种易于使用的解决方案,用于为选定的云提供商配置 AVR-IoT Cellular Mini、设置网络提供商和选择蜂窝频段。(要使沙盒演示固件正常工作,必须为 AWS Microchip 沙盒预置开发板。)

  一旦开发人员对演示应用程序有了一定的信心,他们就可以开始使用开发板的完整Arduino IDE 支持来构建自己的应用程序。这种支持基于托管在 Github上的AVR IoT 蜂窝 Arduino 库。该库建立在开源 DxCore 之上(图 3)。

  

Microchip AVR IoT 蜂窝物联网库图片(点击放大)


  图 3:AVR IoT 蜂窝物联网库(橙色)包括用于编程和控制开发板的软件模块(以绿色简化形式显示)。(图片来源:微芯科技)

  板载调试器 (PKOB nano) 为 Arduino IDE 提供完整的编程支持。无需任何外部工具,它还提供对串行端口接口(串行到 USB 桥接器)和两个逻辑分析仪通道(调试 GPIO)的访问。AVR IoT Cellular Mini 板上的板载调试器显示为主机 USB 子系统上的人机接口设备 (HID)。对于更雄心勃勃的项目,开发板的 Qwiic 和 Feather 兼容边缘连接器允许从Sparkfun和 Adafruit 的各种附加板中轻松扩展(图 4)。

  

Microchip AVR IoT 开发板框图


  图 4:此 AVR IoT 开发板框图显示,与主机 PC 的连接是通过调试器的 USB 链路,而应用程序 MCU 的编程是通过调试器的 UART 链路。请注意,应用 MCU 和蜂窝调制解调器之间的连接也是通过 UART 进行的。(图片来源:微芯科技)

  开始应用程序编程需要下载和安装 Arduino IDE 和 DxCore。接下来,需要配置 Arduino IDE 以允许 AVR IoT 蜂窝 Arduino 库运行(清单 1)。

  

允许 AVR IoT 蜂窝 Arduino 库运行的 Arduino IDE 配置列表


  清单 1:配置 Arduino IDE 以允许 AVR IoT 蜂窝 Arduino 库运行。(代码来源:微芯科技)

  一旦配置了 IDE,就可以安装库。完成后,可以访问开发板的几个库示例。熟悉 Visual Studio Code IDE 的设计人员可以将其用于 AVR IoT 开发,前提是他们安装了 Arduino 插件。在任一 IDE 中开发的 Arduino 应用程序代码通过板载调试器移植到开发板的 MCU。

  进行功率测量

  蜂窝物联网旨在以低功耗运行,以延长电池供电的物联网终端设备的使用寿命。因此,优化应用程序代码以实现最低功耗非常重要。

  在 Microchip 开发板上,所有电路板部件的电源通过五个切割带连接。这些也用于电流测量目的。要测量所需电路上的功率,需要剪断带子并在孔之间连接一个电流表(图 5)。

  

Microchip AVR IoT 开发板上的切割带图片


  图 5:AVR IoT 开发板上的切割带可用于测量关键电路的功耗。(图片来源:微芯科技)

  该开发板还具有使用其MIC94163开关和连接到 MCU 上的 ADC 引脚的分压器的系统电压测量电路,可实现按需测量并防止通过分压器漏电。要测量系统电压,请执行以下步骤:

  配置 ADC 的电压基准。

  将 MCU GPIO 系统电压测量使能引脚 (PB3) 设置为高电平以使能分压器。

  将 MCU ADCO 系统电压测量引脚 (PE0) 设置为 ADC 的输入。

  运行单端模数转换 (ADC)。

  使用以下公式计算电压:V = ADC 结果 x V REF x 4/ADC 分辨率。

  最后,通过以下步骤测量电源电压也很简单:

  配置 ADC 的电压基准。

  选择VDD或VDDIO2作为 ADC 的正输入。(V DD和 V DDIO2是 MCU ADC 的可用内部输入通道。)

  运行单端 ADC 转换。

  使用以下公式计算电压:V = ADC 结果 x V REF x 10/ADC 分辨率。

  结论

  蜂窝物联网是一种流行的 LPWAN,具有越来越大的商业潜力。然而,设计蜂窝物联网驱动的终端设备需要硬件和软件专业知识。为了帮助设计人员,新的蜂窝物联网开发板(例如 Microchip 的 EV70N78A AVR-IoT 蜂窝迷你开发板)提供了快速原型设计路线。

  该开发板使用高端 LTE-M/NB-IoT 调制解调器和流行的 Microchip MCU。使用 Arduino 或 Visual Studio Code IDE 简化了应用程序代码开发。


责任编辑:David

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