ใช้ชุดพัฒนา LTE-M, NB-IoT และ DECT NR+ เพื่อเริ่มต้นการออกแบบ IoT ไร้สาย

Contributed By DigiKey's North American Editors

เทคโนโลยีไร้สายเครือข่ายบริเวณกว้าง (LPWAN) พลังงานต่ำสำหรับ Internet of Things (IoT) เช่น Long-Term Evolution Machine Type Communication (LTE-M) และ NarrowBand-IoT (NB-IoT) ให้ระยะการเชื่อมต่อไร้สายมากกว่าหนึ่งกิโลเมตร (km) สำหรับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่โดยใช้โครงสร้างพื้นฐานเซลลูลาร์ที่มีอยู่และผ่านการพิสูจน์แล้ว New Radio+ (DECT NR+) เป็นทางเลือก LPWAN ที่ไม่มีใบอนุญาตสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการแนวทางแบบเซลลูลาร์สำหรับการปรับใช้ IoT ขนาดใหญ่ แนวทางทั้งสามนี้อาจซับซ้อนในการนำไปใช้สำหรับนักพัฒนา แม้แต่ผู้ที่มีประสบการณ์ระบบไร้สายระยะสั้นก็ตาม

การทำงานร่วมกับผู้ให้บริการโซลูชันที่นำเสนอผลิตภัณฑ์ที่ผ่านการรับรองล่วงหน้าด้วยชุดซอฟต์แวร์โปรโตคอล LTE-M, NB-IoT หรือ DECT NR+ ในตัวและโมเด็มอัตโนมัติสามารถชดเชยความซับซ้อนในการออกแบบ LPWAN ได้ โซลูชันดังกล่าวช่วยให้นักพัฒนามุ่งเน้นไปที่การสร้างความแตกต่างของการใช้งานได้มากขึ้น และบรรลุเป้าหมายด้านเวลาออกสู่ตลาด

บทความนี้เป็นการสรุปประโยชน์ของ LTE-M, NB-IoT และ DECT NR+ สำหรับการเชื่อมต่อ IoT ระยะไกล และอภิปรายการความท้าทายในการนำไปใช้ จากนั้นจะแนะนำอุปกรณ์ IoT เซลลูลาร์แบบผสมผสานและ DECT NR+ และชุดการพัฒนาที่เกี่ยวข้อง จาก Nordic Semiconductor และแสดงให้เห็นว่าสามารถนำผลิตภัณฑืไปใช้เพื่อเอาชนะความท้าทายเหล่านี้ได้อย่างไร

เหตุใดจึงต้องใช้ LTE-M, NB-IoT หรือ DECT NR+ แบบไร้สาย

หากต้องการเป็นส่วนพื้นฐานของเครือข่ายทั่วโลกที่สร้างอินเทอร์เน็ต อุปกรณ์ IoT จะต้องสามารถสื่อสารกับระบบคลาวด์โดยใช้ Internet Protocol (IP) ได้โดยไม่ต้องใช้เกตเวย์ที่มีราคาแพง ในแอปพลิเคชันอย่าง เช่น เกษตรกรรม สมาร์ทซิตี้ และการตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อม การสื่อสารจะต้องดำเนินการในระยะทางไกลและต้องการการบำรุงรักษาน้อยที่สุด โดยการบำรุงรักษาน้อยที่สุดหมายถึงการใช้พลังงานต่ำเพื่อยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่

LTE-M และ NB-IoT นำเสนอโซลูชันเซลลูลาร์เพื่อรับมือกับความท้าทายเหล่านี้ อิงตามข้อกำหนดที่กำหนดโดย 3GPP ดังนั้นจึงสามารถใช้ IP ร่วมกันได้และให้ช่วง km-plus LTE-M และ NB-IoT ทำงานในย่านความถี่ตั้งแต่ 698 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) ถึง 960 MHz และ 1710 MHz ถึง 2200 MHz ตามลำดับ รายละเอียดทางเทคนิคของ LTE-M และ NB-IoT สรุปไว้ในตารางที่ 1

LTE-M NB-IoT
หรือเรียกอีกอย่างว่า "eMTC", "LTE Cat-M1" "LTE Cat-NB1" (3GPP rel 13) - "LTE Cat-NB2" (3GPP rel 14)
ปริมาณงานสูงสุด (DL/UL) 300/375 kbps 30/60 kbps (NB1) - 127/169 kbps (NB2)
ช่วง มากถึง 4 เท่า มากถึง 7 เท่า
การเคลื่อนไหว/การเลือกเซลล์ใหม่ ใช่ จำกัด
การใช้งานความถี่ LTE In-band LTE In-band, Guard band และ GSM ถูกนำมาใช้ใหม่
ความหนาแน่นของการปรับใช้ สูงสุด 50,000 ต่อเซลล์ สูงสุด 50,000 ต่อเซลล์
ขนาดโมดูล เหมาะสำหรับเครื่องใช้สวมใส่ เหมาะสำหรับเครื่องใช้สวมใส่
การใช้พลังงาน อายุการใช้งานแบตเตอรี่สูงสุด 10 ปี อายุการใช้งานแบตเตอรี่สูงสุด 10 ปี

ตารางที่ 1: แสดงการเปรียบเทียบระหว่าง LTE-M และ NB-IoT (แหล่งรูปภาพ: Nordic Semiconductor)

DECT NR+ มอบทางเลือกสำหรับแอปพลิเคชันที่ต้องการการเชื่อมต่อระยะไกลโดยไม่มีค่าธรรมเนียมใบอนุญาต โดยอิงตามข้อกำหนด 5G ทำงานในย่านความถี่ 1900 MHz สามารถรองรับ LPWAN ความหนาแน่นสูงและเหมาะกับการสื่อสารแบบเครื่องต่อเครื่อง (M2M) และการตรวจสอบคุณภาพอากาศทั่วทั้งเมือง

การออกแบบ RF ที่เรียบง่าย

การใช้การออกแบบ RF ถือเป็นความท้าทายสำหรับนักพัฒนาจำนวนมาก และบ่อยครั้งอาจทำให้กำหนดเวลาในการออกสู่ตลาดลดลง อย่างไรก็ตาม ความท้าทายด้านฮาร์ดแวร์บางอย่างสามารถเอาชนะได้ด้วยการเลือกโซลูชันแบบรวมที่ซ่อนความซับซ้อนไว้มาก ตัวอย่างหนึ่งคือระบบในแพ็คเกจ (SiP) nRF9161 ของ Nordic Semiconductor (รูปที่ 1)

SiP ประกอบด้วยโปรเซสเซอร์ Arm® Cortex®-M33 สำหรับการใช้งานซอฟต์แวร์และโมเด็มที่รองรับอินเตอร์เฟส LTE-M, NB-IoT และ DECT NR+ RF โดยเฉพาะ นอกจากนี้ยังมี RF front-end (RFFE) และระบบการจัดการพลังงาน ทั้งหมดนี้อยู่ในแพ็คเกจ land grid array (LGA) ขนาด 16.0 x 10.5 x 1.04 mm โมเด็มรองรับ IPv4/IPv6 และการอัพเดตเฟิร์มแวร์แบบเข้ารหัสผ่านทางอากาศ (FOTA) โปรเซสเซอร์การใช้งานรองรับหน่วยความจำแฟลช 1 เมกะไบต์ (Mbyte) และ RAM 256 กิโลไบต์ (Kbytes)

ภาพ nRF9161 SiP ของ Nordic Semiconductorรูปที่ 1: nRF9161 SiP รวมเอาโปรเซสเซอร์ Arm Cortex-M33, โมเด็ม LTE, RFFE, หน่วยความจำ และการจัดการพลังงาน (แหล่งที่มาภาพ: Nordic Semiconductor)

SiP ยังมีตัวรับ GNSS สำหรับแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น การติดตามตำแหน่ง อินเตอร์เฟสและอุปกรณ์ต่อพ่วงประกอบด้วยตัวแปลงอนาล็อกเป็นดิจิตอล (ADC) 12 บิต, นาฬิกาเรียลไทม์ (RTC), อินเตอร์เฟสอุปกรณ์ต่อพ่วงแบบอนุกรม (SPI), วงจรรวมระหว่างกัน (I²C), เสียงระหว่าง IC (I²S), เครื่องรับ/ส่งสัญญาณแบบอะซิงโครนัสสากล (UART), การมอดูเลตความหนาแน่นของพัลส์ (PDM), และการมอดูเลตความกว้างพัลส์ (PWM) SiP ช่วยให้สามารถพัฒนาโซลูชันเซลลูลาร์หรือ DECT NR+ IoT ได้โดยใช้อุปกรณ์ตัวเดียว เสาอากาศ แบตเตอรี่ SIM หรือ eSIM และเซ็นเซอร์ (รูปที่ 2)

แผนผังของโซลูชันการเชื่อมต่อ IoT โดย nRF9161 SiP ของ Nordic Semiconductor (คลิกเพื่อดูภาพขยาย)รูปที่ 2: nRF9161 SiP เป็นโซลูชันการเชื่อมต่อเซลลูลาร์ที่มีการบูรณาการในระดับสูง (LTE-M, NB-IoT) และ DECT NR+ IoT (แหล่งที่มาภาพ: Nordic Semiconductor)

ความท้าทายในการออกแบบซอฟต์แวร์

ความท้าทายของการออกแบบ RF IoT ขยายไปถึงซอฟต์แวร์ด้วย สแต็คเซลลูลาร์และ DECT NR+ มีขนาดใหญ่และซับซ้อนสูง การสร้างตั้งแต่เริ่มต้นต้องใช้ผู้เชี่ยวชาญด้านโปรโตคอล ในกรณีของ LTE-M และ NB-IoT นักพัฒนาต้องใช้คำสั่งความสนใจเฉพาะเซลลูลาร์ (AT) เมื่อมีการสร้างและทดสอบสแต็ก สิ่งเหล่านี้เป็นพื้นฐานของการสื่อสารระหว่างโมเด็มเซลลูล่าร์และตัวควบคุมโฮสต์ ส่วนใหญ่จะใช้เพื่อกำหนดค่าและแก้ไขข้อบกพร่องของโมเด็ม และเปิดใช้งานการเชื่อมต่อเครือข่ายผ่านผู้ให้บริการเครือข่ายมือถือ (MNO)

Nordic ช่วยลดปัญหาการเข้ารหัสซอฟต์แวร์โดยการจัดหาสแต็ก LTE-M ที่ได้รับการพิสูจน์แล้วและเสถียรซึ่งตั้งโปรแกรมไว้ล่วงหน้าไว้ในโมเด็มของ SiP นอกจากนี้การใช้งาน โมเด็ม Serial LTE ของ Nordic ยังช่วยจัดการคำสั่ง AT ที่สั่งให้โมเด็มส่งและรับข้อมูล

นอกเหนือจากความท้าทายด้านวิศวกรรมแล้ว โมเด็มเซลลูลาร์ยังต้องเป็นไปตามข้อกำหนดการรับรองและกฎระเบียบเฉพาะภูมิภาคที่เข้มงวดอีกด้วย ซึ่งรวมถึงการรับรองระดับโลกเพื่อให้มั่นใจถึงความเข้ากันได้กับข้อกำหนด LTE ทำให้อุปกรณ์ปลายทางสามารถสื่อสารผ่านเครือข่าย LTE-M หรือ NB-IoT นอกจากนี้ MNO บางแห่งยังมีข้อกำหนดการรับรองของตนเอง

ขอย้ำอีกครั้งว่า Nordic ได้แบ่งเบาภาระของนักพัฒนาด้วยการรับรอง nRF9161 SiP ล่วงหน้าเพื่อทำงานในภูมิภาค, เครือข่ายหลัก, และย่านความถี่ LTE หลักที่สำคัญที่สุดบนเครือข่ายเหล่านั้น

การใช้ชุดพัฒนา nRF9161

แม้ว่า nRF9161 SiP จะช่วยลดความท้าทายด้านฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ที่สำคัญบางประการที่เกี่ยวข้องกับการพัฒนา IoT บนมือถือและ DECT NR+ แต่การสร้างต้นแบบที่ใช้งานได้ยังคงต้องใช้ความพยายาม เพื่อเร่งกระบวนการออกแบบ Nordic จึงนำเสนอผลิตภัณฑ์ชุดพัฒนา nRF9161 DK (รูปที่ 3) และชุดเครื่องมือซอฟต์แวร์ เครื่องมือที่เป็นหัวหอกของบริษัทคือ nRF Connect SDK เป็นสภาพแวดล้อมการพัฒนาแบบครบวงจรสำหรับโซลูชันไร้สายของ Nordic

ชุดพัฒนาประกอบด้วย SiP และมีวงจรที่จำเป็นเพื่อให้ต้นแบบทำงานได้อย่างสมบูรณ์ ชุดนี้มีเสาอากาศ LTE-M/NB-IoT และ DECT NR+ โดยเฉพาะ และชุดที่มีเสาอากาศแพทช์ในตัวสำหรับ GNSS การเขียนโปรแกรมและการดีบักเปิดใช้งานผ่านทาง SEGGERJ-Link ออนบอร์ด และชุดอุปกรณ์จะมาพร้อมกับซิมการ์ดที่โหลดข้อมูลไว้ล่วงหน้า นอกจากนี้ยังรองรับการใช้งาน Software SIM ช่วยลดการใช้พลังงานอีกด้วย

ภาพชุดพัฒนา nRF9161 ของ Nordic Semiconductorรูปที่ 3: nRF9161 DK มี nRF9161 SiP สำหรับ LTE-M, NB-IoT และ DECT NR+ และมีเสาอากาศ LPWAN และ GNSS, SEGGER J-Link ในตัวสำหรับการเขียนโปรแกรมและการดีบัก และซิมการ์ดที่โหลดไว้ล่วงหน้า (แหล่งที่มาภาพ: Nordic Semiconductor)

ในการเริ่มต้นพัฒนาด้วยชุด nRF9161 ต้องเสียบซิมการ์ด (หรือเปิดใช้งาน eSIM) จากนั้นตั้งค่าสวิตช์ PROG/DEBUG SW10 เป็น “nRF91” และชุดต้องเชื่อมต่อกับคอมพิวเตอร์เดสก์ท็อปโดยใช้ micro-USB สาย 2.0 ชุดพัฒนาต้องใช้ระบบปฏิบัติการ (OS) Windows, macOS หรือ Ubuntu Linux

ขั้นตอนต่อไปคือการติดตั้ง การเชื่อมต่อ nRF สำหรับเดสก์ท็อป และเปิดใช้งานซอฟต์แวร์ของ Nordic จากนั้น คุณจะสามารถติดตั้งแอปพลิเคชัน Quick Start ซึ่งเป็นเครื่องมือสำหรับการตั้งค่าที่แนะนำและขั้นตอนการติดตั้งได้ ซอฟต์แวร์ช่วยลดความยุ่งยากในการอัปเดตเฟิร์มแวร์ชุดพัฒนาและเปิดใช้งานซิมการ์ด หากต้องการส่งข้อมูลจากชุดอุปกรณ์ไปยังคลาวด์ นักพัฒนาซอฟต์แวร์สามารถสร้างบัญชี nRF Cloud ของ Nordic หรือเชื่อมต่อกับบริการคลาวด์อื่นๆ ได้

แอปพลิเคชัน Quick Start จะนำนักพัฒนาไปยัง nRF Connect SDK ของ Nordic SDK ทำงานร่วมกับ Visual Studio Code ซึ่งเป็นสภาพแวดล้อมการพัฒนาแบบรวม (IDE) ที่ได้รับความนิยม โดยใช้ส่วนขยาย nRF Connect สำหรับ VS Code ของ Nordic SDK ใช้เพื่อพัฒนาแอปพลิเคชันและรวมตัวอย่างที่เป็นประโยชน์ เช่น การดึงข้อมูลตำแหน่งของอุปกรณ์โดยใช้ GNSS, การวางตำแหน่งมือถือ หรือ Wi-Fi และการส่งข้อมูลเซ็นเซอร์จากชุด nRF9161 ไปยังระบบคลาวด์

เมื่อสร้างแอปพลิเคชันแล้ว การเขียนโปรแกรมโปรเซสเซอร์แอปพลิเคชัน Arm ของ nRF9161 SiP บนเครื่องก็ทำได้ง่าย ขั้นตอนแรกคือเชื่อมต่อชุดอุปกรณ์กับ PC โดยใช้สาย USB และเปิดเครื่อง จากส่วนขยาย nRF Connect สำหรับ VS Code นักพัฒนาจะต้องคลิกตัวเลือก “Flash” ใน “มุมมองการกระทำ” การแจ้งเตือนจะปรากฏขึ้น โดยแสดงความคืบหน้าของโปรแกรมและยืนยันเสร็จสิ้น

ชุดพัฒนายังช่วยให้นักพัฒนาสามารถตรวจสอบสัญญาณ LTE-M, NB-IoT หรือ DECT NR+ RF ได้ ประสิทธิภาพ RF ที่ดีถือเป็นสิ่งสำคัญในการเพิ่มช่วงการสื่อสารระหว่างอุปกรณ์ IoT และสถานีฐาน ในการวัดค่า ให้ติดตั้งสายเคเบิลระหว่างคอนเน็กเตอร์โคแอกเซียลขนาดเล็ก (J1) บนชุดอุปกรณ์และเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัม (รูปที่ 4)

แผนภาพการวัดสัญญาณ RF ของชุดพัฒนา nRF9161 ของ Nordic Semiconductorรูปที่ 4: สามารถวัดสัญญาณ RF ของชุดพัฒนา nRF9161 ได้โดยเชื่อมต่อกับเครื่องวิเคราะห์สเปกตรัมด้วยสายโคแอกเซียล (แหล่งที่มาภาพ: Nordic Semiconductor)

เครื่องมือการพัฒนาขั้นสูงสำหรับ nRF9161 DK

เมื่อแอปพลิเคชันได้รับการตั้งโปรแกรมแล้ว Nordic จะเสนอเครื่องมือสองอย่างที่ช่วยให้นักพัฒนาสามารถสังเกตประสิทธิภาพของแอปพลิเคชันได้ อย่างแรกก็คือ Power Profiler Kit II (PPK2) (รูปที่ 5) หน่วยสแตนด์อโลนนี้สามารถวัดการดึงกระแสของชุด Dev ในช่วง 200 นาโนแอมแปร์ (nA) ถึง 1 แอมแปร์ (A) โดยมีความละเอียดที่แตกต่างกันระหว่าง 100 nA ถึง 1 มิลลิแอมแปร์ (mA) PPK2 ยังสามารถจ่ายไฟให้กับชุดพัฒนาได้สูงสุด 5 โวลต์ที่ 1 A

ภาพชุด Power Profiler Kit II (PPK2) ของ Nordic Semiconductorรูปที่ 5: PPK2 สามารถวัดปริมาณการใช้กระแสไฟฟ้าโดยเฉลี่ยและทันทีของชุดพัฒนา nRF9161 เมื่อเรียกใช้แอปพลิเคชัน (แหล่งที่มาภาพ: Nordic Semiconductor)

PPK2 ใช้กับ แอป Power Profiler ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของซอฟต์แวร์ nRF Connect สำหรับเดสก์ท็อป นักพัฒนาสามารถใช้แอปเพื่อวิเคราะห์ปริมาณการใช้กระแสไฟฟ้าโดยเฉลี่ยและปัจจุบันของชุด nRF9161 เมื่อเรียกใช้แอปพลิเคชัน การอ่านค่าสามารถดำเนินการได้ในระยะเวลาที่ขยายออกไปพร้อมๆ กับการซูมเข้าในช่วงเวลามิลลิวินาทีพร้อมกัน หากจำเป็น ข้อมูลที่วัดได้สามารถส่งออกเพื่อการประมวลผลต่อไปได้

การวิเคราะห์การใช้พลังงานช่วยให้นักพัฒนาเห็นว่าสามารถแก้ไขรหัสแอปพลิเคชันได้ที่ไหนเพื่อประหยัดพลังงานเพื่อยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ของการออกแบบ (รูปที่ 6)

ภาพแอป Nordic Semiconductor Power Profiler ใน nRF Connect สำหรับเดสก์ท็อป (คลิกเพื่อดูภาพขยาย)รูปที่ 6: แอป Power Profiler ใน nRF Connect สำหรับเดสก์ท็อปแสดงปริมาณการใช้ปัจจุบันของแอปพลิเคชันในขณะที่ทำงาน (แหล่งที่มาภาพ: Nordic Semiconductor)

เครื่องมือ การตรวจสอบเซลลูล่าร์ ของ Nordic ช่วยในการพัฒนาแอปพลิเคชันและได้รับการสนับสนุนโดยซอฟต์แวร์ nRF Connect สำหรับเดสก์ท็อป จอภาพจะแสดงการทำงานของโมเด็มของ nRF9161 SiP ขณะที่ชุดพัฒนาเรียกใช้แอปพลิเคชัน ซึ่งรวมถึงประสิทธิภาพของเครือข่าย สถานะอุปกรณ์ และการส่งข้อมูล รายละเอียดเหล่านี้ช่วยให้นักพัฒนาสามารถวิเคราะห์การรับส่งข้อมูลของโมเด็มและเพิ่มประสิทธิภาพแอปพลิเคชันได้ ข้อมูลจะแสดงบนเทอร์มินอลอนุกรม

สรุป

เทคโนโลยี LTE-M, NB-IoT และ DECT NR+ LPWAN รองรับการเชื่อมต่อระยะไกลที่เชื่อถือได้ ปลอดภัย และปรับขนาดได้สำหรับอุปกรณ์ IoT แต่การพัฒนาอุปกรณ์ฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ไร้สายอาจเป็นเรื่องท้าทาย ซอฟต์แวร์โปรโตคอลแบบฝัง nRF9161 SiP ของ Nordic และชุดพัฒนาและแอปที่รองรับ nRF9161 DK ช่วยลดความซับซ้อนในการออกแบบได้มาก

DigiKey logo

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of DigiKey or official policies of DigiKey.

About this publisher

DigiKey's North American Editors