Entwicklungskit mit einer Kombination von LTE-M, NB-IoT und DECT NR+ für die Entwicklung drahtloser IoT-Anwendungen

LPWAN-Mobilfunktechnologien (Low-Power-Wide-Area-Network) für das Internet der Dinge (IoT) wie LTE-M (Long-Term-Evolution-Machine-Type-Communication) und NB-IoT (NarrowBand-IoT) bieten eine drahtlose Verbindungsreichweite von über einem Kilometer (km) für batteriebetriebene Geräte unter Nutzung der bestehenden und bewährten Mobilfunkinfrastruktur. New Radio+ (DECT NR+) ist eine lizenzfreie LPWAN-Alternative für Anwendungen, die einen mobilfunkähnlichen Ansatz für massive IoT-Einsätze erfordern. Alle drei Ansätze können kompliziert zu implementieren sein, selbst für diejenigen, die Erfahrung mit Kurzstreckenfunk haben.

Die Zusammenarbeit mit einem Lösungsanbieter, der vorzertifizierte Produkte mit integrierten LTE-M-, NB-IoT- oder DECT-NR+-Protokoll-Software-Stacks und automatisierten Modems anbietet, kann die Komplexität des LPWAN-Designs ausgleichen. Solche Lösungen ermöglichen es, sich stärker auf die Differenzierung der Anwendungen zu konzentrieren und die Zielvorgaben für die Markteinführung zu erreichen.

Dieser Artikel fasst die Vorteile von LTE-M, NB-IoT und DECT NR+ für die IoT-Vernetzung mit großer Reichweite zusammen und diskutiert die Herausforderungen bei der Implementierung. Anschließend werden ein kombiniertes Mobilfunk-IoT- und DECT-NR+-Gerät sowie ein zugehöriges Entwicklungskit von Nordic Semiconductor vorgestellt und gezeigt, wie sie zur Bewältigung dieser Herausforderungen eingesetzt werden können.

Warum LTE-M, NB-IoT oder DECT NR+ Wireless verwenden?

Um ein grundlegender Bestandteil des globalen Netzwerks, das das Internet bildet, zu sein, müssen IoT-Geräte in der Lage sein, mit der Cloud über das Internetprotokoll (IP) zu kommunizieren, ohne kostspielige Gateways zu verwenden. Bei einigen Anwendungen, wie z. B. in der Landwirtschaft, in intelligenten Städten und bei der Umweltüberwachung, muss die Kommunikation über große Entfernungen erfolgen und ein Minimum an Wartung erfordern. Letzteres bedeutet einen geringen Stromverbrauch, um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern.

LTE-M und NB-IoT bieten eine Mobilfunklösung für diese Herausforderungen. Sie basieren auf den Spezifikationen des 3GPP, sind also IP-interoperabel und haben eine Reichweite von mehr als einem Kilometer. LTE-M und NB-IoT arbeiten in Frequenzbändern von 698 Megahertz (MHz) bis 960 MHz bzw. 1710 MHz bis 2200 MHz. Die technischen Details von LTE-M und NB-IoT sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Tabelle 1: Die Tabelle zeigt einen Vergleich zwischen LTE-M und NB-IoT. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

DECT NR+ bietet eine Alternative für Anwendungen, die eine Verbindung mit großer Reichweite erfordern, ohne dass dafür Lizenzgebühren anfallen. Es basiert auf 5G-Spezifikationen, arbeitet im 1900-MHz-Band, kann LPWANs mit hoher Dichte unterstützen und eignet sich für die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M) und die stadtweite Überwachung der Luftqualität.

Vereinfachung des HF-Designs

Die Implementierung von HF-Designs stellt für viele eine Herausforderung dar und kann häufig die Zeitpläne für die Markteinführung gefährden. Einige Hardware-Herausforderungen können jedoch durch die Wahl einer integrierten Lösung überwunden werden, die einen Großteil der Komplexität verbirgt. Ein Beispiel ist das SiP (System-in-Package) nRF9161 von Nordic Semiconductor (Abbildung 1).

Das SiP enthält einen Arm^®-Cortex^®-M33-Prozessor für die Anwendungssoftware und ein Modem, das die HF-Schnittstellen LTE-M, NB-IoT und DECT NR+ unterstützt. Es umfasst außerdem ein HF-Frontend (RFFE) und ein Energiemanagementsystem, alles in einem 16,0 x 10,5 x 1,04 Millimeter (mm) großen LGA-Gehäuse (Land Grid Array). Das Modem unterstützt IPv4/IPv6 und verschlüsselte FOTA-Updates (Firmware-Over-The-Air). Der Anwendungsprozessor wird von 1 Megabyte (MByte) Flash-Speicher und 256 Kilobyte (KByte) RAM unterstützt.

Abbildung 1: Der SiP nRF9161 enthält einen Arm-Cortex-M33-Prozessor, ein LTE-Modem, ein RFFE, Speicher und Energieverwaltung. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Das SiP verfügt außerdem über einen GNSS-Empfänger für Anwendungen wie die Standortverfolgung. Zu den Schnittstellen und Peripheriekomponenten gehören ein 12-Bit-Analog/Digital-Wandler (ADC), eine Echtzeituhr (RTC), eine serielle Peripherieschnittstelle (SPI), ein Inter-Integrated Circuit (I²C), ein Inter-IC Sound (I²S), ein UART (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), eine Pulsdichtemodulation (PDM) und eine Pulsbreitenmodulation (PWM). Das SiP ermöglicht die Entwicklung einer Mobilfunk- oder DECT-NR+-IoT-Lösung mit einer einzigen Komponente, einer Antenne, einer Batterie, einer SIM oder eSIM und einem Sensor (Abbildung 2).

Abbildung 2: Das SiP nRF9161 ist eine hoch integrierte Lösung für Mobilfunk- (LTE-M, NB-IoT) und DECT-NR+-IoT-Vernetzung. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Herausforderungen bei der Softwareentwicklung

Die Herausforderungen des HF-IoT-Designs erstrecken sich auch auf die Software. Die Mobilfunk- und DECT-NR+-Stacks sind groß und hochkomplex; um beide von Grund auf neu aufzubauen, sind Protokollspezialisten erforderlich. Im Falle von LTE-M und NB-IoT muss der Entwickler mobilfunkspezifische Aufmerksamkeitsbefehle (AT) implementieren, sobald der Stack erstellt und getestet ist. Sie sind die Grundlage für die Kommunikation zwischen einem Mobilfunkmodem und seinem Host-Controller. Sie dienen hauptsächlich zur Konfiguration und Fehlersuche im Modem und ermöglichen den Netzanschluss über Mobilfunkbetreiber (MNOs).

Nordic vereinfacht die Softwarekodierung durch die Bereitstellung eines bewährten und stabilen LTE-M-Stacks, der im SiP-Modem vorprogrammiert ist. Darüber hinaus verarbeitet die Anwendung Serial LTE Modem von Nordic AT-Befehle, die das Modem zum Senden und Empfangen von Daten anweisen.

Neben den technischen Herausforderungen müssen Mobilfunkmodems auch strenge regionsspezifische Zertifizierungs- und Regulierungsanforderungen erfüllen. Dazu gehören globale Zertifizierungen, die die Kompatibilität mit den LTE-Spezifikationen sicherstellen und es dem Endgerät ermöglichen, über LTE-M- oder NB-IoT-Netze zu kommunizieren. Außerdem haben einige Mobilfunknetzbetreiber ihre eigenen Zertifizierungsanforderungen.

Auch hier hat Nordic die Entwickler entlastet, indem das SiP nRF9161 für den Betrieb in den kritischsten Regionen, den wichtigsten Netzen und den wichtigsten LTE-Bändern in diesen Netzen vorzertifiziert wurde.

Verwendung des nRF9161-Entwicklungskits

Obwohl das SiP nRF9161 einige kritische Hardware- und Software-Herausforderungen im Zusammenhang mit der Entwicklung von Mobilfunk-IoT und DECT NR+ erleichtert, ist die Erstellung eines funktionierenden Prototyps immer noch mit Aufwand verbunden. Um den Designprozess zu beschleunigen, bietet Nordic das Entwicklungskit nRF9161 DK (Abbildung 3) und eine Reihe von Software-Tools an. Angeführt werden die Tools vom nRF Connect SDK des Unternehmens, einer einheitlichen Entwicklungsumgebung für die Wireless-Lösungen von Nordic.

Das Entwicklungskit enthält das SiP und die notwendigen Schaltungen, um einen voll funktionsfähigen Prototyp zu erstellen. Das Kit enthält eine dedizierte LTE-M/NB-IoT- und DECT-NR+-Antenne sowie eine integrierte Patch-Antenne für GNSS. Programmierung und Debugging sind über den integrierten SEGGER J-Link möglich, und das Kit wird mit einer SIM-Karte geliefert, die mit Daten vorgeladen ist. Es unterstützt auch die Verwendung einer Software-SIM, was den Stromverbrauch weiter reduziert.

Abbildung 3: Das Entwicklungskit nRF9161 DK enthält das SiP nRF9161 für LTE-M, NB-IoT und DECT NR+ und verfügt über LPWAN- und GNSS-Antennen, einen integrierten SEGGER J-Link für Programmierung und Debugging sowie eine vorinstallierte SIM-Karte. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Um mit der Entwicklung mit dem nRF9161-Kit zu beginnen, muss die SIM-Karte eingesteckt (oder die eSIM aktiviert), der PROG/DEBUG-Schalter SW10 auf „nRF91“ gestellt und das Kit über ein Micro-USB2.0-Kabel mit einem Desktop-Computer verbunden werden. Das Entwicklungskit erfordert ein Windows-, macOS- oder Ubuntu-Linux-Betriebssystem (OS).

Der nächste Schritt ist die Installation von Nordic's nRF Connect for Desktop und die Aktivierung der Software. Von dort aus ist es möglich, die Schnellstartanwendung zu installieren, ein Tool für geführte Einrichtungs- und Installationsverfahren. Die Software vereinfacht die Aktualisierung der Firmware des Entwicklungskits und die Aktivierung der SIM-Karte. Um Daten vom Kit in die Cloud zu übertragen, kann ein nRF-Cloud-Konto bei Nordic eingerichtet werden oder es kann eine Verbindung mit anderen Cloud-Diensten hergestellt werden.

Die Schnellstart-Anwendung leitet den Entwickler dann zum nRF Connect SDK von Nordic. Das SDK funktioniert mit Visual Studio Code, einer beliebten integrierten Entwicklungsumgebung (IDE), unter Verwendung der Erweiterung „nRF Connect for VS Code“ von Nordic. Das SDK wird zur Entwicklung von Anwendungen verwendet und enthält nützliche Beispiele wie das Abrufen des Standorts eines Geräts mithilfe von GNSS-, Mobilfunk- oder Wi-Fi-Positionierung und die Übertragung von Sensordaten vom nRF9161-Kit an die Cloud.

Sobald die Anwendung erstellt ist, ist die Programmierung des im SiP nRF9161 integrierten Arm-Anwendungsprozessors einfach. Der erste Schritt besteht darin, das Kit mit einem USB-Kabel an einen PC anzuschließen und es einzuschalten. In der Erweiterung „nRF Connect for VS Code“ muss in der „Actions View“ auf die Option „Flash“ geklickt werden Es erscheint eine Meldung, die den Fortschritt der Programmierung anzeigt und den Abschluss bestätigt.

Mit dem Entwicklungskit kann auch das LTE-M-, NB-IoT- oder DECT-NR+-HF-Signal überprüft werden. Eine gute HF-Leistung ist entscheidend für die Maximierung der Kommunikationsreichweite zwischen dem IoT-Gerät und der Basisstation. Für die Messung wird ein Kabel zwischen dem kleinen Koaxialstecker (J1) des Kits und einem Spektrumanalysator angeschlossen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Das HF-Signal des Entwicklungskits nRF9161 kann gemessen werden, indem es über ein Koaxialkabel an einen Spektrumanalysator angeschlossen wird. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Moderne Entwicklungswerkzeuge für das nRF9161 DK

Sobald eine Anwendung programmiert ist, bietet Nordic zwei Tools an, mit denen der Entwickler die Performance der Anwendung beobachten kann. Das erste ist das Power Profiler Kit II (PPK2) (Abbildung 5). Dieses eigenständige Gerät kann die Stromaufnahme des Entwicklungskits in einem Bereich von 200 Nanoampere (nA) bis 1 Ampere (A) messen, wobei die Auflösung zwischen 100 nA und 1 Milliampere (mA) variiert. Das PPK2 kann auch bis zu 5 Volt bei 1 A an das Entwicklungskit liefern.

Abbildung 5: Das PPK2 kann den durchschnittlichen und momentanen Stromverbrauch des Entwicklungskits nRF9161 messen, wenn eine Anwendung läuft. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Das PPK2 wird mit einer Power-Profiler-App verwendet, die Teil der Software „nRF Connect for Desktop“ ist. Der Entwickler kann die App verwenden, um den durchschnittlichen und momentanen Stromverbrauch des Kits nRF9161 bei der Ausführung einer Anwendung zu analysieren. Die Messungen können über einen längeren Zeitraum durchgeführt werden, wobei bei Bedarf gleichzeitig in Millisekunden-Intervallen gezoomt werden kann. Die Messdaten können zur weiteren Verarbeitung exportiert werden.

Anhand der Stromverbrauchsanalyse kann erkannt werden, wo der Anwendungscode geändert werden kann, um Strom zu sparen und die Batterielebensdauer des Designs zu verlängern (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die Power-Profiler-App in der Software „nRF Connect for Desktop“ zeigt den Stromverbrauch der Anwendung an, während sie läuft. (Bildquelle: Nordic Semiconductor)

Das Tool Cellular Monitor von Nordic hilft bei der Anwendungsentwicklung und wird von der Software „nRF Connect for Desktop“ unterstützt. Der Monitor zeigt an, was das Modem des SiP nRF9161 macht, während das Entwicklungskit die Anwendung ausführt. Dazu gehören Netzwerkleistung, Gerätestatus und Datenübertragung. Diese Details ermöglichen es, den Modemverkehr zu analysieren und die Anwendungsleistung zu optimieren. Die Informationen werden auf einem seriellen Terminal angezeigt.

Fazit

LPWAN-Technologien wie LTE-M, NB-IoT und DECT NR+ unterstützen zuverlässige, sichere und skalierbare Langstreckenverbindungen für IoT-Geräte, aber die Entwicklung drahtloser Hardware- und Softwaregeräte kann eine Herausforderung darstellen. Das SiP nRF9161 von Nordic, die eingebettete Protokollsoftware und das unterstützende Entwicklungskit nRF9161 DK sowie die Apps reduzieren einen Großteil der Designkomplexität.