Einsatz eines Mobilfunk- und GPS-SiPs zur schnellen Implementierung der Bestandsüberwachung in Landwirtschaft und Smart Cities

Entwickler von Geräten und Systemen für das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) und zur Bestandsüberwachung in Industrie, Landwirtschaft und intelligenten Städten benötigen eine Möglichkeit, über lange Zeiträume mit minimaler Leistung über große Entfernungen zu kommunizieren. Drahtlose Technologien wie RFID-Etiketten, Bluetooth und Wi-Fi sind bereits weit verbreitet für Lösungen zur Bestandsüberwachung, aber sie haben eine begrenzte Reichweite und verbrauchen zu viel Strom. Erforderlich ist eine Kombination aus GPS und einer Anpassung der Infrastruktur wie z.B. Mobilfunknetze, die bereits weit verbreitet sind und für die Kommunikation über größere Reichweiten als Wi-Fi oder Bluetooth ausgelegt sind.

LTE-basierte Mobilfunknetze wurden ursprünglich für drahtlose Breitbandkonnektivität für mobile Produkte und Geräte entwickelt. IoT-Anwendungen hingegen können durch den Einsatz leistungsärmerer, schmalbandiger Mobilfunktechnologien wie Long Term Evolution for Machines (LTE-M) und Narrowband IoT (NB-IoT) erreicht werden. Nach wie vor ist die Entwicklung von HF- und drahtlosen Anwendungen schwierig, und Entwickler, denen es an umfangreicher Erfahrung fehlt, insbesondere im Hinblick auf Mobilfunk, haben große Schwierigkeiten, ein funktionierendes Design zu implementieren, das die Leistung und den Stromverbrauch der Drahtlostechnik optimiert und gleichzeitig die internationalen gesetzlichen Richtlinien sowohl für Mobilfunk- als auch GPS-Ortungsdienste sowie die spezifischen Anforderungen der Netzbetreiber erfüllt.

Dieser Artikel beschreibt die Trends und Entwicklungsanforderungen bei der Bestandsüberwachung. Anschließend wird eine Schmalband-SiP-Lösung (SiP: System-in-Package) von Nordic Semiconductor für GPS und Mobilfunk vorgestellt und gezeigt, wie sie die Implementierung GPS-fähiger Mobilfunkgeräte für die Bestandsüberwachung und andere landwirtschaftliche und intelligente städtische IoT-Anwendungen erheblich vereinfachen kann.

Warum die Bestandsüberwachung immer wichtiger wird

Die Fähigkeit, Produkte effizient zu versenden, ist für den Handel von entscheidender Bedeutung: Allein Amazon hat im Jahr 2019 schätzungsweise fünf Milliarden Pakete verschickt und dabei fast 38 Milliarden Dollar an Versandkosten ausgegeben - ein Anstieg von 37% gegenüber 2018^[1,2]. Für jede Reederei stellen Verzögerungen, Schäden und Diebstahl eine erhebliche Belastung für Hersteller, Händler und Kunden dar. Bei Amazon wurde fast ein Viertel der versandten Pakete zurückgeschickt, 21 Prozent, weil der Kunde ein beschädigtes Paket erhalten hatte^[3].

Amazon steht keineswegs allein, wenn es darum geht, einen bedeutenden Teil des Budgets für den Versand aufzuwenden. Laut dem Bericht des Council of Supply Chain Management Professionals (CSCMP) über den Stand der Logistik im Jahr 2020 gaben Unternehmen im Jahr 2019 fast 1,7 Billionen US-Dollar für Versandkosten aus - eine Ausgabe, die 7,6 Prozent des US-Bruttosozialprodukts (BIP) ausmacht^[4]. Die Fähigkeit, Pakete zu verfolgen und Verspätungen und Schadensfälle zu erkennen, kann Lieferanten und Einkäufern bei der Behebung von Versandproblemen erhebliche Vorteile bringen.

Neben der Verfolgung von Paketen durch die Lieferkette benötigen die meisten Unternehmen verbesserte Methoden zur Verfolgung ihrer eigenen Vermögenswerte und zur Lokalisierung verlegter Gegenstände. Dennoch protokolliert die Hälfte aller Unternehmen Vermögenswerte noch immer manuell, und von diesen verlassen sich viele auf Mitarbeiter, die Lagerhäuser, Fabriken und physische Standorte durchsuchen, um fehlende Vermögenswerte zu finden^[5].

Vergleich von Netzwerktechnologien zur Bestandsüberwachung

Obwohl sich eine Reihe von Lösungen zur Automatisierung der Bestandsüberwachung herausgebildet hat, haben die zugrunde liegenden Technologien einen begrenzten Erfassungsbereich, sind teuer pro Einheitskosten oder haben einen hohen Energiebedarf. Letzteres ist von entscheidender Bedeutung, da es sich bei IoT-Geräten um batteriebetriebene Geräte handelt.

Konventionelle Verfolgungsmethoden, die auf der passiven Radiofrequenz-Identifikation (RFID) basieren, können während des Transports keine Live-Daten liefern und erfordern, dass die Pakete einige physische Kontrollpunkte passieren, um den an einem Paket angebrachten RFID-Tag zu erkennen. Batteriebetriebene aktive RFID-Etiketten sind in der Lage, Standortdaten in Echtzeit zu liefern, erfordern jedoch zusätzliche Infrastruktur und bleiben in ihrer Reichweite begrenzt.

Im Vergleich zu RFID-Tags bieten Bluetooth Low Energy (BLE) und Wi-Fi eine zunehmend größere Reichweite innerhalb eines Abdeckungsbereichs, der mit festen Ortungsgeräten für die jeweilige Technologie ausgestattet ist. Aufbauend auf einem umfassenden Ökosystem von Geräten und Software werden BLE und Wi-Fi bereits in standortbezogenen Anwendungen wie COVID-19-Kontaktverfolgung bzw. konventionellen Echtzeit-Ortungsdiensten (RTLS) eingesetzt. Mit der Verfügbarkeit von Peilfunktionen in Bluetooth 5.1 kann die Position eines Tags auf der Grundlage von AoA- (Angle-of-Arrival, Einfallswinkel) und AoD-Daten (Angle-of-Departure, Austrittswinkel) genau berechnet werden (Abbildung 1).

Abbildung 1: Hochentwickelte Peilungsfähigkeiten in Bluetooth unterstützen die präzise Ortung eines Tags im dreidimensionalen Raum. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Während BLE-Anwendungen weiterhin auf Anwendungen mit kurzer Reichweite beschränkt bleiben, kann Wi-Fi durch seine größere Reichweite für den Einsatz in Anwendungen zur Bestandsüberwachung innerhalb eines Lagers oder Unternehmens-Campus effektiv sein. WiFi-RTLS-Tags sind jedoch in der Regel teure Komponenten mit einem Strombedarf, der Batterien unpraktisch macht, wodurch ihr Einsatz auf die Verfolgung größerer, teurer Anlagen beschränkt wird. Gleichzeitig können groß angelegte Einsätze, bei denen eine dieser beiden Technologien zum Einsatz kommt, unter zunehmendem Rauschen in ihrer Empfangsbandbreite leiden, was zu verlorenen oder beschädigten Datenpaketen und einer Verschlechterung der Fähigkeiten zur Ortung führt.

Trotz ihres potenziellen Einsatzes für die lokale Nachverfolgung von Gütern können weder RFID, BLE noch Wi-Fi die Reichweite bieten, die erforderlich ist, um ein Gut leicht zu verfolgen, sobald es das Lager oder den Unternehmenscampus verlässt. Die Fähigkeit, ein Paket oder einen Ausrüstungsgegenstand regional oder sogar global zu verfolgen, hängt von der Verfügbarkeit einer drahtlosen Technologie ab, die sowohl eine größere Reichweite als auch einen Betrieb mit geringem Stromverbrauch ermöglicht.

Alternativen, die auf Ultrabreitband-Technologien mit niedrigem Stromverbrauch (UWB) basieren, können eine beträchtliche Reichweite erzielen, aber die Netzabdeckung bleibt begrenzt. Tatsächlich gibt es nur wenige Alternativen, die eine globale Abdeckung bieten können, wie sie bereits mit energiesparenden Weitbereichs-Mobilfunklösungen (LPWAN) verfügbar ist, die auf den LPWAN-Technologiestandards basieren, die vom 3rd Generation Partnership Project (3GPP) definiert wurden - dem internationalen Konsortium, das Mobilfunkstandards definiert.

Mit Mobilfunkkonnektivität globale Reichweite erreichen

Unter den 3GPP-Standards sind diejenigen, die auf LTE-M- und NB-IoT-Technologien basieren, speziell dafür ausgelegt, ein relativ leichtgewichtiges Mobilfunkprotokoll bereitzustellen, das gut auf die IoT-Anforderungen hinsichtlich Datenrate, Bandbreite und Stromverbrauch abgestimmt ist.

Definiert in 3GPP Release 13, ist LTE Cat M1 ein LTE-M-Standard, der 1 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) sowohl für Downlink- als auch für Uplink-Übertragungen mit einer Latenzzeit von 10 bis 15 Millisekunden (ms) und einer Bandbreite von 1,4 Megahertz (MHz) unterstützt. Ebenfalls in 3GPP Release 13 definiert, ist Cat-NB1 ein NB-IoT-Standard, der 26 Kilobit pro Sekunde (kbit/s) Downlink und 66 kbit/s Uplink mit 1,6 bis 10 s Latenzzeit und 180 Kilohertz (kHz) Bandbreite bietet. Definiert in 3GPP Release 14, einem weiteren NB-IoT-Standard, bietet Cat-NB2 höhere Datenraten bei 127 kbit/s Downlink und 159 kbit/s Uplink.

Obwohl die spezifischen Merkmale dieser beiden Klassen der LPWAN-Technologie weit über den Rahmen dieses kurzen Artikels hinausgehen, können beide für typische Anwendungen zur Bestandsüberwachung effektiv eingesetzt werden. In Kombination mit Sensoren und GPS-Fähigkeiten (Global Positioning Satellite) in kompakten Paketen können Bestandsüberwachungslösungen, die auf LTE-M- oder NB-IoT-basierten Mobilfunk-LPWANs basieren, die Art von Fähigkeiten unterstützen, die für Bestandsmanagement und End-to-End-Logistik erforderlich sind.

Angesichts des Potenzials von LPWAN, mehr Effizienz und Kosteneinsparungen zu erzielen, spielt das Mobilfunk-LPWAN weiterhin eine größere Rolle in der Logistik. Mit der Verfügbarkeit des SiPs nRF9160 von Nordic Semiconductor können Entwickler schneller und einfacher die wachsende Nachfrage nach LPWAN-basierten Geräten bedienen, die für eine effektivere Bestandsüberwachung oder andere IoT-Anwendungen benötigt werden.

Wie eine SiP-Komponente eine Drop-In-Lösung zur Bestandsüberwachung liefern kann

Der stromsparende SiP-Baustein nRF9160 von Nordic Semiconductor kombiniert einen SoC-Baustein (SoC: System-on-Chip) nRF91 von Nordic Semiconductor mit unterstützenden Schaltungen, um eine komplette LPWAN-Konnektivitätslösung in einem einzigen 10 x 16 x 1,04 Millimeter (mm) großen LGA-Gehäuse (Land Grid Array) zu bieten. Zusammen mit einem Arm®-Cortex®-M33-basierten Mikrocontroller für die Anwendungsverarbeitung integrieren die SoC-Varianten nRF91 ein LTE-M-Modem in den SiP NRF9160-SIAA, ein NB-IoT-Modem in den SiP NRF9160-SIBA und sowohl LTE-M und NB-IoT als auch GPS in den SiP NRF9160-SICA. Darüber hinaus ist der SiP nRF9160 vorzertifiziert, um globale, regionale und Betreiber-Mobilfunkanforderungen zu erfüllen, so dass Entwickler schnell Lösungen für die Mobilfunkvernetzung ohne die Verzögerungen implementieren können, die normalerweise mit Konformitätsprüfungen verbunden sind.

Alle SiP-Versionen kombinieren den Mikrocontroller-basierten Anwendungsprozessor und das Modem mit einem umfangreichen Satz an Peripheriekomponenten, einschließlich eines 12-Bit-Analog/Digital-Wandlers (ADC), der häufig in Sensordesigns benötigt wird. Der SiP verpackt den SoC weiter mit einem HF-Frontend, einem integrierten Schaltkreis für das Energiemanagement (PMIC) und zusätzlichen Komponenten, um eine Drop-In-Lösung für die LPWAN-Vernetzung zu schaffen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Der SiP nRF9160 von Nordic Semiconductor kombiniert einen SoC mit Anwendungsprozessor und LTE-Modem mit anderen Komponenten, die für die Implementierung eines kompakten energiesparenden mobilfunkbasierten Designs für die Bestandsüberwachung oder andere IoT-Anwendungen benötigt werden. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Der Mikrocontroller des SoC, der als Host-Prozessor dient, integriert eine Reihe von Sicherheitsfunktionen, die entwickelt wurden, um die wachsende Nachfrage nach Sicherheit in vernetzten Geräten, einschließlich IoT-Geräten und Systemen zur Bestandsüberwachung, zu befriedigen. Aufbauend auf der Arm-TrustZone-Architektur bettet der Mikrocontroller einen Arm-Cryptocell-Sicherheitsblock ein, der einen Kryptographie-Beschleuniger für öffentliche Schlüssel mit Mechanismen zum Schutz sensibler Daten kombiniert. Darüber hinaus bietet eine sichere Schlüsselverwaltungseinheit (KMU) sicheren Speicherplatz für mehrere Arten von geheimen Daten, darunter Schlüsselpaare, symmetrische Schlüssel, Hashes und private Daten. Eine separate Systemschutzeinheit (SPU) bietet außerdem sicheren Zugriff auf Speicher, Peripheriekomponenten, Gerätepins und andere Ressourcen.

Im Betrieb dient der Mikrocontroller des SoC als Host, führt Anwendungssoftware aus und startet und stoppt das Modem. Das Modem reagiert nicht nur auf Start- und Stoppbefehle des Hosts, sondern wickelt auch seine eigenen Operationen ab, indem es seine umfangreiche Palette integrierter Blöcke einschließlich eines dedizierten Prozessors, eines HF-Transceivers und des Modem-Basisbands nutzt. Mit seiner eingebetteten Firmware unterstützt das Modem 3GPP LTE Release 13 Cat-M1 und Cat-NB1 vollständig. Release 14 Cat-NB2 wird in Hardware unterstützt, erfordert jedoch zusätzliche Firmware für den Betrieb.

Wie der SiP nRF9160 eine Mobilfunkverbindung mit geringem Stromverbrauch erreicht

Der SiP nRF9160 kombiniert seine umfangreiche Hardware-Funktionalität mit einem vollständigen Satz von Energieverwaltungsfunktionen. Der im Lieferumfang enthaltene PMIC wird von einer Energiemanagement-Einheit (PMU) unterstützt, die den Stromverbrauch überwacht und Taktgeber und Versorgungsregler automatisch startet und stoppt, um einen möglichst geringen Stromverbrauch zu erreichen (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der SiP nRF9160 enthält eine PMU, die Taktgeber und Versorgungsregler automatisch steuert, um den Stromverbrauch zu optimieren. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Zusammen mit einem System-AUS-Modus, der die Stromzufuhr nur zu den Schaltkreisen aufrechterhält, die zum Aufwecken des Bausteins benötigt werden, unterstützt die PMU ein Paar von System-EIN-Submodi. Nach dem Power-on-Reset (POR) geht die Komponente in den Stromspar-Submodus über, der Funktionsblöcke einschließlich des Anwendungsprozessors, des Modems und der Peripheriekomponenten in einen Ruhezustand versetzt. In diesem Zustand startet und stoppt die PMU je nach Bedarf automatisch Taktgeber und Spannungsregler für verschiedene Blöcke.

Entwickler können den standardmäßigen Stromspar-Submodus außer Kraft setzen und stattdessen zu einem Submodus mit konstanter Latenz wechseln. Im Submodus mit konstanter Latenz behält die PMU die Leistung für einige Ressourcen bei und tauscht einen inkrementellen Anstieg des Stromverbrauchs gegen die Fähigkeit, eine vorhersagbare Antwortlatenz zu liefern. Entwickler können über den externen Enable-Pin einen dritten Versorgungsmodus aufrufen, der das gesamte System abschaltet. Diese Fähigkeit wird typischerweise bei einem Systemdesign verwendet, bei dem der SiP nRF9160 als Kommunikationskoprozessor eingesetzt wird, der vom Hauptprozessor des Host-Systems gesteuert wird.

Diese Leistungsoptimierungsfunktionen ermöglichen es dem SiP, die Art von Betrieb mit geringer Leistung zu erreichen, die für eine verlängerte Batterielebensdauer in einem Gerät zur Bestandsüberwachung erforderlich ist. Wenn sich der Mikrocontroller beispielsweise im Leerlauf befindet und das Modem ausgeschaltet ist, verbraucht der SiP bei aktivem Echtzeitzähler nur 2,2 Mikroampere (mA). Wenn der Mikrocontroller und das Modem ausgeschaltet sind und nur die GPIO-basierte (General Purpose Input Output) Wakeup-Schaltung mit Strom versorgt wird, verbraucht das SiP nur 1,4 mA.

Das SiP erreicht weiterhin einen Betrieb mit niedriger Leistungsaufnahme, während sie verschiedene Verarbeitungslasten ausführt. Beispielsweise erfordert die Ausführung des CoreMark-Benchmarks mit einem 64-MHz-Takt nur etwa 2,2 Milliampere (mA). Wenn mehr Peripheriekomponenten aktiviert werden, steigt natürlich auch der Stromverbrauch entsprechend an. Dennoch können viele sensorbasierte Überwachungsanwendungen oft effektiv mit reduzierten Betriebsraten arbeiten, die dazu beitragen, den Betrieb mit geringer Leistungsaufnahme aufrechtzuerhalten. Beispielsweise sinkt der Stromverbrauch für den integrierten SAR-ADC (Differential Successive Approximation Register) von 1288 mA auf weniger als 298 mA, wenn von einem hochgenauen Taktgeber auf einen weniger genauen Taktgeber für die Abtastung in beiden Szenarien mit 16 Kilosamples pro Sekunde (Ksamples/s) umgeschaltet wird.

Die Komponente verwendet darüber hinaus noch andere Leistungsoptimierungsfunktionen für seine anderen Funktionsblöcke einschließlich GPS. Im normalen Betriebsmodus verbraucht die kontinuierliche Positionsbestimmung mit GPS etwa 44,9 mA. Durch die Aktivierung eines GPS-Stromsparmodus sinkt der Stromverbrauch für die kontinuierliche Positionsbestimmung auf 9,6 mA. Durch die Reduzierung der GPS-Abtastrate von kontinuierlich auf etwa alle zwei Minuten können Entwickler die Leistung erheblich reduzieren. Beispielsweise verbraucht das GPS-Modul nur 2,5 mA, wenn alle zwei Minuten ein Single-Shot-GPS-Fix durchgeführt wird.

Die Unterstützung des Bausteins für andere stromsparende Betriebsarten erstreckt sich auch auf das Modem des SiP nRF9160. Mit dieser Komponente können Entwickler Modemfunktionen aktivieren, die spezielle Mobilfunkprotokolle unterstützen, die speziell zur Reduzierung des Stromverbrauchs in batteriebetriebenen, vernetzten Geräten entwickelt wurden.

Verwendung von Mobilfunkprotokollen mit geringem Stromverbrauch

Wie bei jedem drahtlosen Gerät trägt neben dem Host-Prozessor typischerweise das Funksubsystem am meisten zum Stromverbrauch bei. Herkömmliche Mobilfunksubsysteme nutzen die Vorteile von Energiesparprotokollen, die in den zellularen Standard integriert sind. Smartphones und andere mobile Geräte verwenden in der Regel eine Funktion, die als diskontinuierlicher Empfang (DRX) bezeichnet wird und die es dem Gerät ermöglicht, seinen Funkempfänger für einen vom Trägernetzwerk unterstützten Zeitraum auszuschalten.

In ähnlicher Weise lässt das Protokoll für den erweiterten diskontinuierlichen Empfang (eDRX) Geräte mit geringem Stromverbrauch, wie batteriebetriebene Komponenten oder andere IoT-Geräte, festlegen, wie lange sie im Ruhezustand verharren wollen, bevor sie sich wieder im Netzwerk anmelden. Durch die Aktivierung des eDRX-Betriebs kann ein LTE-M-Gerät bis zu etwa 43 Minuten im Ruhezustand verbringen, während ein NB-IoT-Gerät bis zu etwa 174 Minuten ruhen kann, was die Batterielebensdauer drastisch verlängert (Abbildung 4).

Abbildung 4: Das Modem des SiP nRF9160 unterstützt den erweiterten diskontinuierlichen Empfang, wodurch die Geräte dramatische Energieeinsparungen erzielen können, indem sie für eine mit dem Mobilfunknetz ausgehandelte Zeitspanne ruhen. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Ein anderer Mobilfunkmodus, der als Energiesparmodus (PSM) bezeichnet wird, ermöglicht es den Geräten, beim Mobilfunknetz registriert zu bleiben, auch wenn sie sich im Ruhemodus befinden und vom Netzwerk nicht erreicht werden können. Wenn ein Mobilfunknetz ein Gerät innerhalb einer bestimmten Zeitspanne nicht erreichen kann, beendet es normalerweise die Verbindung mit dem Gerät und fordert das Gerät auf, eine Neuanbindungssprozedur auszuführen, die eine inkrementelle Menge an Energie verbraucht. Während des Langzeitbetriebs eines batteriebetriebenen Geräts kann dieser wiederholte geringe Stromverbrauch die Batterieladung erschöpfen oder erheblich reduzieren.

Ein Gerät aktiviert PSM, indem es das Netzwerk mit einem Satz von Timer-Werten versorgt, die angeben, wann es periodisch verfügbar wird und wie lange es erreichbar bleibt, bevor es in den Ruhemodus zurückkehrt (Abbildung 5).

Abbildung 5: Das PSM-Mobilfunkprotokoll ermöglicht es den Geräten, die Vorteile von Ruhemodi mit niedrigem Stromverbrauch zu nutzen, ohne dass ein erhöhter Stromverbrauch für eine Neuanbindung anfällt, indem bestimmte Zeiträume ausgehandelt werden, in denen sie nicht erreichbar sind. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Aufgrund der PSM-Verhandlung wird das Gerät nicht vom Trägernetzwerk abgetrennt. Tatsächlich kann das Gerät jederzeit aufwachen und die Kommunikation wieder aufnehmen. Der Vorteil ist, dass es seinen energiesparenden Ruhemodus nutzt, wenn es nichts zu kommunizieren hat, ohne seine Fähigkeit zu verlieren, bei Bedarf aufzuwachen und sofort zu kommunizieren.

Der SiP nRF9160 unterstützt sowohl eDRX als auch PSM, so dass der Baustein den Betrieb bei minimalem Stromverbrauch aufrechterhalten kann. Im unerreichbaren Zustand mit PSM verbraucht die Komponente nur 2,7 μA. eDRX verbraucht nur geringfügig mehr Strom und verbraucht 18 μA im Cat-M1-Betrieb bzw. 37 μA im Cat-NB1-Betrieb bei Zyklen von 82,91 Sekunden.

Entwicklung von energiesparenden Lösungen zur Bestandsüberwachung

Die Implementierung des Hardware-Designs für ein Gerät zur Bestandsüberwachung, das auf dem SiP nRF9160 basiert, erfordert neben der Entkopplung von Komponenten, Antennen und denjenigen, die für separate Anpassungsnetzwerke für GPS- und LTE-Antennen benötigt werden, nur wenige zusätzliche Teile (Abbildung 6).

Abbildung 6: Mit dem SiP nRF9160 von Nordic Semiconductor benötigen Entwickler nur wenige zusätzliche Komponenten, um das Hardware-Design für ein komplettes mobilfunkbasiertes Gerät zur Bestandsüberwachung oder ein anderes IoT-Gerät zu implementieren. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Entwickler können das SiP nRF9160 problemlos mit einem Bluetooth-Gerät, wie dem drahtlosen Bluetooth-Mikrocontroller NRF52840 und Sensoren von Nordic Semiconductor, kombinieren, um eine hochentwickelte, sensorbasierte, GPS-fähige Mobilfunk-Bestandsüberwachung zu implementieren, die den Benutzern über ihre Smartphones und andere Bluetooth-Mobilgeräte Zugriff auf Daten bietet.

Nordic Semiconductor hilft Entwicklern darüber hinaus mit Hilfe von zwei Entwicklungskits schnell mit der Evaluierung mobilfunkbasierter Designs zu beginnen. Für das Rapid Prototyping von sensorbasierten Anwendungen zur Bestandsüberwachung bietet das THINGY:91-IoT-Mobilfunk-Entwicklungskit NRF6943 von Nordic Semiconductor ein komplettes batteriebetriebenes Sensorsystem, das den SiP nRF9160 mit einer Bluetooth-Komponente NRF52840, mehreren Sensoren, grundlegenden Benutzerschnittstellenkomponenten, einem Akku mit einer Kapazität von 1400 Milliampere-Stunden (mAh) und einer SIM-Karte für eine sofort einsatzbereite Mobilfunkverbindung verbindet (Abbildung 7).

Abbildung 7: Das THINGY:91-IoT-Mobilfunk-Entwicklungskit NRF6943 von Nordic Semiconductor bietet eine vollständige Plattform für die schnelle Entwicklung von Prototypen sensorbasierter Anwendungen mit sowohl Mobilfunk- als auch Bluetooth-Vernetzung. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Für die kundenspezifische Entwicklung dient das Kit NRF9160-DK von Nordic Semiconductor als unmittelbare Entwicklungsplattform und Referenz für neue Designs. Obwohl es keine Sensoren wie das THINGY:91 enthält, kombiniert das NRF9160-DK-Kit ein SiP nRF9160 mit einer Bluetooth-Komponente NRF52840 und enthält eine SIM-Karte zusammen mit mehreren Steckverbindern einschließlich einer SEGGER-J-Link-Debugger-Schnittstelle (Abbildung 8).

Abbildung 8: Das Kit NRF9160-DK von Nordic Semiconductor bietet eine umfassende Entwicklungsplattform für die Implementierung kundenspezifischer Mobilfunk-Anwendungen für die Bestandsüberwachung und andere IoT-Lösungen. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Zur Entwicklung von Software bietet Nordic mit seinem Software-Entwicklungskit (SDK) nRF Connect eine komplette Anwendung zur Bestandsüberwachung mit dem nRF9160. Das SDK kombiniert Nordics nrfxlib-Softwarebibliothek für seine SoCs, eine Nordic-Fork des Echtzeitbetriebssystems (RTOS) des Zephyr-Projekts für ressourcenbeschränkte Geräte und eine Nordic-Fork des sicheren Bootloaders des MCUboot-Projekts.

Die Kits THINGY:91 und NRF9160-DK bieten eine vorinstallierte Anwendung zur Bestandsüberwachung, die für die Verbindung mit der Nordic-eigenen nRF-Cloud-IoT-Plattform entwickelt wurde. Unter Verwendung der vorkonfigurierten Einstellungen mit einem der beiden Kits können Entwickler sofort mit der Evaluierung der Mobilfunk-Bestandsüberwachung und dem Prototyping ihrer eigenen Anwendungen beginnen.

Zusammen mit der vorinstallierten Firmware liefert Nordic den kompletten Quellcode für die Anwendung zur Bestandsüberwachung. Durch die Untersuchung dieses Codes können Entwickler ein tieferes Verständnis der Fähigkeiten des SiP NRF9160 und seiner Verwendung zur Unterstützung der GPS-Lokalisierung und der LTE-M/NB-IoT-Vernetzung in einer Anwendung zur Bestandsüberwachung gewinnen.

Die Hauptroutine in dieser Beispielsoftware veranschaulicht grundlegende Entwurfsmuster für die Implementierung einer benutzerdefinierten Anwendung zur Bestandsüberwachung. Wenn sie gestartet wird, ruft die Hauptroutine eine Reihe von Initialisierungsroutinen auf. Unter diesen Routinen konfiguriert eine Initialisierungsroutine das Modem und stellt die LTE-Verbindung her, indem sie eine Reihe von Attention-Strings (AT) sendet, um Verbindungsparameter zu definieren und die im Modem eingebaute Funktionalität aufzurufen, um eine Verbindung mit dem Trägernetzwerk herzustellen. Eine weitere Initialisierungsroutine, work_init, initialisiert eine Reihe von Zephyr-RTOS-Arbeitswarteschlangen, einschließlich derer für Sensor, GPS und Entwicklungsboard-Tasten (Listing 1).

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static void work_init(void)
{
       k_work_init(&sensors_start_work, sensors_start_work_fn);
       k_work_init(&send_gps_data_work, send_gps_data_work_fn);
       k_work_init(&send_button_data_work, send_button_data_work_fn);
       k_work_init(&send_modem_at_cmd_work, send_modem_at_cmd_work_fn);
       k_delayed_work_init(&send_agps_request_work, send_agps_request);
       k_delayed_work_init(&long_press_button_work, long_press_handler);
       k_delayed_work_init(&cloud_reboot_work, cloud_reboot_handler);
       k_delayed_work_init(&cycle_cloud_connection_work,
                         cycle_cloud_connection);
       k_delayed_work_init(&device_config_work, device_config_send);
       k_delayed_work_init(&cloud_connect_work, cloud_connect_work_fn);
       k_work_init(&device_status_work, device_status_send);
       k_work_init(&motion_data_send_work, motion_data_send);
       k_work_init(&no_sim_go_offline_work, no_sim_go_offline);
#if CONFIG_MODEM_INFO
       k_delayed_work_init(&rsrp_work, modem_rsrp_data_send);
#endif /* CONFIG_MODEM_INFO */
}

Listing 1: Die Beispielanwendung von Nordic zur Bestandsüberwachung baut auf den RTOS-Dienstprogrammen des Zephyr für das Warteschlangenmanagement auf, um eine Reihe von Warteschlangen mit zugehörigen Rückrufroutinen für die Abwicklung verschiedener Aufgaben wie Sensordatenerfassung und Übertragung in die Cloud zu erstellen. (Code-Quelle: Nordic Semiconductor)

Während dieser Initialisierungsphase führen die Funktionen, die mit jedem Initialisierungsaufruf der Arbeitswarteschlange verbunden sind, ihre eigenen spezifischen Initialisierungsaufgaben aus, einschließlich derer, die zur Durchführung aller erforderlichen Aktualisierungen erforderlich sind. Beispielsweise richtet die von work_init aufgerufene Funktion sensors_start_work_fn einen Polling-Mechanismus ein, der periodisch eine Funktion env_data_send aufrufen kann, die Sensordaten an die Cloud sendet (Listing 2).

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static void env_data_send(void)
{
[code deleted]
       if (env_sensors_get_temperature(&env_data) == 0) {
              if (cloud_is_send_allowed(CLOUD_CHANNEL_TEMP, env_data.value) &&
                  cloud_encode_env_sensors_data(&env_data, &msg) == 0) {
                     err = cloud_send(cloud_backend, &msg);
                     cloud_release_data(&msg);
                     if (err) {
                           goto error;
                     }
              }
       }
 
       if (env_sensors_get_humidity(&env_data) == 0) {
              if (cloud_is_send_allowed(CLOUD_CHANNEL_HUMID,
                                    env_data.value) &&
                  cloud_encode_env_sensors_data(&env_data, &msg) == 0) {
                     err = cloud_send(cloud_backend, &msg);
                     cloud_release_data(&msg);
                     if (err) {
                           goto error;
                     }
              }
       }
[code deleted]

Listing 2: Die Beispielanwendung von Nordic zur Bestandsüberwachung demonstriert das grundlegende Entwurfsmuster für die Übertragung von Daten einschließlich Sensordaten, wie in diesem Codeschnipsel dargestellt. (Code-Quelle: Nordic Semiconductor)

Wenn die Beispielanwendung zur Bestandsüberwachung auf dem THINGY:91-IoT-Mobilfunk-Entwicklungskit NRF6943 von Nordic Semiconductor ausgeführt wird, sendet die Anwendung aktuelle Daten von den Bordsensoren des THINGY:91. Wenn es auf dem Entwicklungskit NRF9160-DK von Nordic Semiconductor läuft, sendet es simulierte Daten mit Hilfe einer im SDK enthaltenen Sensorsimulationsroutine. Entwickler können dieses Softwarepaket leicht erweitern, um ihre eigenen Anwendungen zur Bestandsüberwachung zu implementieren, oder seine Code-Beispiele verwenden, um ihre eigene Anwendungsarchitektur zu implementieren.

Fazit

Mit herkömmlichen Methoden war die Möglichkeit, wertvolle Pakete zu verfolgen oder hochwertige Güter in landwirtschaftlichen oder intelligenten Stadtumgebungen zu lokalisieren, bisher auf drahtlose Technologien wie RFID-Tags, Bluetooth und Wi-Fi beschränkt. Entwickler benötigen jedoch eine größere Reichweite und genauere Standortinformationen über längere Zeiträume. LTE-Mobilfunkstandards mit niedrigem Stromverbrauch wie LTE-M oder NB-IoT in Kombination mit GPS können diese Anforderungen erfüllen, aber die Implementierung kann aufgrund der Schwierigkeiten und Nuancen des HF-Designs eine Herausforderung darstellen.

Wie gezeigt, bietet ein SiP von Nordic Semiconductor eine nahezu „Drop-in“-Lösung für die Verfolgung von Anlagen über große Entfernungen und mit geringem Stromverbrauch. Mit diesem vorzertifizierten SiP und seinen Entwicklungskits können Entwickler schnell Mobilfunkvernetzung evaluieren, Prototypen mobilfunk-basierter GPS-gestützter Anwendungen zur Bestandsüberwachung erstellen und benutzerdefinierte Geräte zur Bestandsüberwachung entwickeln, die die Vorteile der erweiterten Reichweite und des geringen Stromverbrauchs von LTE-M- und NB-IoT-Mobilfunkvernetzung voll ausnutzen.