Entwicklung von IoT-Mobilfunkprojekten mit dem IoT-Entwicklungsboard von Microchip

Das Internet der Dinge (IoT) für den Mobilfunk, eine LPWAN-Technologie (Low Power Wide Area Network), bietet einen klaren und bewährten Weg zu einem sicheren und robusten IoT für Anwendungen, die von Smart Cities über die Landwirtschaft bis hin zur Fernüberwachung von Infrastrukturen reichen. Das Internet der Dinge für den Mobilfunk ist jedoch eine komplexe Technologie, die unerfahrene Entwickler, die ein Projekt in Angriff nehmen, abschreckt.

Die Herausforderungen bei der Entwicklung des Mobilfunk-IoT können jedoch durch die Verwendung von Entwicklungsplatinen für das mobile Internet der Dinge erleichtert werden, bei denen vertraute Allzweck-Mikrocontroller (MCU) und integrierte Entwicklungsumgebungen (IDEs) zum Einsatz kommen. Unterstützt durch Bibliotheken mit Open-Source-Software und eine einfache Sensoranbindung erleichtern diese Entwicklungsboards dem Entwickler den Einstieg in IoT-Mobilfunkprojekte, vom Hardware-Layout bis hin zum Senden von Daten an die Cloud.

In diesem Artikel werden die Vorteile des IoT für den Mobilfunk kurz umrissen, bevor die Komplexität des Designs erläutert wird, die diese Technologie mit sich bringen kann. Der Artikel beschreibt dann, wie die Verwendung von IoT-Entwicklungsboards für das Mobilfunknetz einen Großteil dieser Komplexität beseitigen kann. Schließlich wird beschrieben, wie ein Entwicklungsboard von Microchip Technology eingerichtet wird, um einfache Farb- und Temperaturdaten an die Cloud zu senden.

Was ist Mobilfunk-IoT?

Mobilfunk-IoT nutzt die stromsparende Mobilfunktechnologie, um IoT-Endgeräte (wie Sensoren und Aktoren) mit der Cloud zu verbinden. Es handelt sich dabei um eine LPWAN-Technologie, die sich durch eine Reichweite von mehr als einem Kilometer, eine hohe Dichte an unterstützten Endgeräten und einen geringen Durchsatz auszeichnet.

Auch wenn es andere LPWAN-Technologien gibt - vor allem LoRaWAN (siehe, „Beschleunigen Sie LoRaWAN-IoT-Projekte mit einem End-to-End-Starterkit“) und Sigfox - bietet das Mobilfunk-IoT einige entscheidende Vorteile, darunter:

• Zukunftssicherheit: Als Standard wird die Spezifikation für das Mobilfunk-IoT ständig überprüft und weiterentwickelt.
• Skalierbarkeit: Mobilfunk-IoT kann die schnelle Einführung des IoT durch eine etablierte Mobilfunkarchitektur unterstützen.
• Servicequalität (QoS): Mobilfunk-IoT bietet eine hohe Zuverlässigkeit, da es auf einer Infrastruktur basiert, die sich in kommerziellen Anwendungen mit hohem Volumen bewährt hat und ausgereift ist.
• IP-Interoperabilität: Endgeräte können direkt mit der Cloud verbunden werden, ohne dass teure und komplexe Gateways erforderlich sind.

Die Entwickler müssen bedenken, dass mit dem Mobilfunk-IoT laufende Kosten für die Datenübertragung verbunden sind. Dies ist bei konkurrierenden Technologien wie LoRaWAN, die das unlizenzierte Frequenzspektrum nutzen, nicht der Fall. Die Kosten für IoT-Daten in Mobilfunknetzen sinken jedoch aufgrund des Wettbewerbsdrucks und der zunehmenden Nutzung von Edge Computing, wodurch das Volumen der über das Netz gesendeten unbedeutenden Daten reduziert wird.

Das Mobilfunk-IoT unterliegt einem Telekommunikationsstandard, der vom Third Generation Partnership Project (3GPP) geregelt und aktualisiert wird. Mit der Version 13 des 3GPP-Standards wurden die Kategorien für M2M-Modems (Maschine-zu-Maschine) erweitert, um kostengünstige Modems mit geringem Stromverbrauch und niedrigem Durchsatz zu ermöglichen, die für die IoT-Vernetzung geeignet sind. Weitere Versionen des Standards haben zu weiteren Verbesserungen dieser IoT-Modems geführt.

Drahtlose Sensoren, die mit IoT-Modems ausgestattet sind, können Daten über Kilometer hinweg an die Cloud senden, ohne dass teure und komplexe Gateways erforderlich sind.

Der Unterschied zwischen LTE-M und NB-IoT

Das mobile Internet der Dinge gibt es in zwei Formen: LTE Kategorie M1 (LTE-M) und Schmalband-IoT (NB-IoT). Beide Typen sind für die Verwendung mit ressourcenbeschränkten, oft batteriebetriebenen Geräten konzipiert, die für das IoT und das industrielle IoT (IIoT) typisch sind. Da sich IoT-Modems mit der bestehenden Mobilfunkinfrastruktur verbinden, benötigt jedes ein eigenes SIM-Modul (Subscriber Identity Module).

LTE-M basiert auf einer abgespeckten LTE-Technologie („4G“). Es unterstützt eine sichere Kommunikation, eine flächendeckende Abdeckung und eine hohe Systemkapazität. Seine Fähigkeit, als Vollduplex-System über eine relativ große Bandbreite (1,4 Megahertz (MHz)) zu arbeiten, verbessert Latenz und Durchsatz im Vergleich zu NB-IoT. Der Rohdatendurchsatz beträgt 300 Kilobit pro Sekunde (Kbit/s) im Downlink und 375 Kbit/s im Uplink. Die Technologie eignet sich für sichere End-to-End-IP-Verbindungen, und die Mobilität wird durch LTE-Zellenübergabeverfahren unterstützt. LTE-M eignet sich für mobile Anwendungen wie die Verfolgung von Vermögenswerten oder das Gesundheitswesen.

NB-IoT ist in erster Linie für Energieeffizienz und für eine bessere Durchdringung von Gebäuden und anderen HF-unfreundlichen Bereichen konzipiert. Im Gegensatz zu LTE-M basiert es nicht auf der physikalischen Schicht (PHY) von LTE. Die Komplexität des Modems ist sogar geringer als bei einem LTE-M-Gerät, da NB-IoT eine Bandbreite von 200 Kilohertz (kHz) verwendet. Der Rohdatendurchsatz liegt zwar bei bescheidenen 60/30 Kbit/s, die Reichweite ist jedoch besser als bei LTE-M. NB-IoT eignet sich für statische Anwendungen wie intelligente Zähler, die durch Wände verdeckt werden können.

Kommerzielle Mobilfunk-IoT-Modems

Eine Reihe von kommerziellen LTE-M/NB-IoT-Modems ist jetzt verfügbar. Ein Beispiel ist das Monarch-2-Modul GM02S von Sequans. Das Gerät unterstützt ein einziges SKU-HF-Frontend (SKU: Stock Keeping Unit), das für 20 der weltweiten LTE-Bänder geeignet ist. Es wird in einem kompakten LGA-Modul mit den Abmessungen 16,3 x 17 x 1,85 Millimeter (mm) geliefert. Das Modul erfüllt die Anforderungen von 3GPP Release 14/15. Das Modem wird mit einer einzigen Versorgungsspannung von 2,2 bis 5,5 Volt betrieben und erreicht eine maximale Sendeleistung von +23 Dezibel, bezogen auf 1 Milliwatt (mW) (dBm).

Das GM02S unterstützt sowohl eine externe SIM und eSIM als auch integrierte SIMs. Eine 50Ω-Antennenschnittstelle ist im Lieferumfang enthalten. Das Gerät wird mit einem LTE-M/NB-IoT-Software-Stack und der Cloud-Connector-Software von Sequans geliefert, die eine einfache Verbindung zu kommerziellen Cloud-Plattformen ermöglicht (Abbildung 1).

Abbildung 1: Das LTE-M/NB-IoT-Modem GM02S von Sequans kommt in einem kompakten Gehäuse und mit einem ausgereiften Software-Stack. (Bildquelle: Sequans)

Mobilfunk-IoT-Designherausforderung

Obwohl das GM02S-Modem ein hochintegriertes Gerät ist, das wie alle kommerziellen Modems mit einem Software-Stack und Cloud-Konnektivität geliefert wird, ist noch erhebliche Entwicklungsarbeit erforderlich, bevor eine IoT-Anwendung nahtlos Daten über Kilometer an die Cloud senden kann.

Das Modem ist ausschließlich für die Kommunikation zwischen dem Endgerät und der Basisstation zuständig. Ein separater Überwachungs- und Anwendungsprozessor ist erforderlich, um das Modem zu steuern und gleichzeitig die Sensoranwendungssoftware auszuführen. Darüber hinaus muss der Entwickler auch die Antennenschaltung(en), die Stromversorgung und die Ausstattung eines Endgeräts mit einer SIM-Karte berücksichtigen, um eine nahtlose Verbindung mit dem Mobilfunknetz zu gewährleisten (siehe „Wie man mit eingebetteten Multiband-Antennen bei IoT-Designs Platz, Komplexität und Kosten spart“).

Neben dem Hardware-Design sind einige Programmierkenntnisse erforderlich, damit ein Mobilfunkmodul eine Verbindung zum Netz herstellen und Daten empfangen/übertragen kann. Wenn der Entwurf eine externe Anwendungs-MCU verwendet, kommuniziert diese in der Regel über eine serielle UART-Verbindung mit dem Mobilfunkmodul (obwohl auch andere I/O-Schnittstellen verwendet werden). AT-Befehle („attention“) sind das Standardmittel zur Steuerung eines Mobilfunkmodems. Die Befehle bestehen aus einer Reihe von kurzen Textstrings, die kombiniert werden können, um Vorgänge wie Wählen, Auflegen und Ändern der Verbindungsparameter auszuführen.

Es gibt zwei Arten von AT-Befehlen: Grundlegende Befehle sind diejenigen, die nicht mit „+“ beginnen. „D“ (Wählen), „A“ (Antworten), „H“ (Auflegen) und „O“ (Rückkehr in den Online-Datenzustand) sind Beispiele. Erweiterte Befehle sind solche, die mit „+“ beginnen. Zum Beispiel „+CMGS“ (SMS-Nachricht senden), „+CMGL“ (SMS-Nachrichten auflisten) und „+CMGR“ (SMS-Nachrichten lesen) (siehe „Verwenden Sie ein Mobilfunkmodul, um ein Maker-Projekt mit dem IoT zu verbinden“).

Diese Hardware- und Softwareüberlegungen machen das Mobilfunk-IoT komplex und könnten den Fortschritt bei weniger erfahrenen Entwicklern verlangsamen. Glücklicherweise haben sich die Hersteller von Anwendungs-MCUs und Mobilfunk-IoT-Modems zusammengetan, um Hardware- und Software-Design-Tools anzubieten, die es viel einfacher machen, die Vorteile dieser wichtigen LPWAN-Technologie zu nutzen.

Beseitigung der Komplexität mit IoT-Entwicklungsboards

Die Bewältigung der Herausforderungen des Mobilfunk-IoT-Designs wird erheblich erleichtert, wenn ein Prototyp auf einem speziell entwickelten Entwicklungsboard basiert. Die Hardware der Entwicklungsplatine umfasst in der Regel eine Antenne, eine Stromquelle, eine SIM-Karte mit freiem Datenvolumen, einen Anwendungsprozessor und Abstimmnetzwerke, um eine gute HF-Leistung sicherzustellen. Dies gibt den Designern einen soliden Hardware-Vorsprung für ihr Projekt und ermöglicht es ihnen, sich auf die Anwendungsentwicklung zu konzentrieren. Mit der richtigen Wahl des Entwicklungsboards kann die Anwendungsentwicklung sogar in einer vertrauten IDE durchgeführt werden.

Ein Beispiel für ein beliebtes Mobilfunk-IoT-Entwicklungsboard ist das AVR-IoT-Cellular-Mini-Development-Board EV70N78A von Microchip. Es handelt sich um eine Hardware-Plattform, die auf der beliebten MCU AVR128DB48 von Microchip und dem oben beschriebenen Monarch-2-Mobilfunkmodul GM02S von Sequans basiert. Bei der MCU handelt es sich um eine 8-Bit-Komponente für 24 MHz. Sie bietet 128 Kilobyte (KByte) Flash, 16 KByte SRAM, 512 Byte EEPROM und ist in einem 48-Pin-Gehäuse untergebracht.

Das Entwicklungsboard enthält außerdem ein Sicherheitselement ATECC608B. Sobald es mit einem LTE-M- oder NB-IoT-Netzwerk verbunden ist, wird das ATECC608B zur Authentifizierung der Hardware mit der Cloud verwendet, um jedes Board eindeutig zu identifizieren.

Um es dem Entwickler noch einfacher zu machen, enthält das Microchip-Entwicklungsboard auch eine aktivierungsfähige Truphone-SIM-Karte mit 150 Megabyte (MByte) Datenvolumen.

Die Entwicklungsplatine verfügt über fünf Benutzer-LEDs, zwei mechanische Tasten, einen 32,768-kHz-Quarz, Farb- und Temperatursensoren, einen Adafruit-Feather-kompatiblen Anschluss, einen Qwiic-I²C-Anschluss, einen On-Board-Debugger, einen USB-Anschluss, Optionen für die Stromversorgung über Batterie und externen Eingang sowie ein Li-Ionen-/Li-po-Akkuladegerät MCP73830 mit Ladestatus-LED (Abbildung 2).

Abbildung 2: Das Mini-Mobilfunkentwicklungsboard AVR-IoT basiert auf der MCU AVR128DB48 und wird komplett mit einer SIM-Karte und 150 MByte Daten geliefert. (Bildquelle: Microchip Technology)

Starten eines Mobilfunk-IoT-Projekts

Der Zweck des Mobilfunk-IoTs besteht darin, IoT-Endgeräte wie Sensoren und Aktoren drahtlos zu verbinden, damit ihre Daten über Kilometer hinweg an die Cloud gesendet werden können. Auf dem Microchip-Entwicklungsboard ist die MCU mit einem Firmware-Image vorinstalliert, das eine Demo-Anwendung bildet, mit der die Benutzer schnell eine Verbindung herstellen und Daten von den integrierten Temperatur- und Farbsensoren an eine cloudbasierte Sandbox (gehostet von AWS) senden können.

Um die Hardware für die Entwicklung bereit zu machen, muss lediglich die SIM-Karte aktiviert und eingelegt, die externe Antenne an die Platine angeschlossen, der Debug-USB-C-Port der Platine mit dem PC verbunden, der QR-Code auf der Unterseite der Platine gescannt oder der Massenspeicher geöffnet und der CLICK-ME.HTM zur Kit-Webseite gefolgt werden.

Das Microchip IoT Provisioning Tool, das auf Github verfügbar ist, bietet eine einfach zu bedienende Lösung für die Konfiguration eines AVR-IoT Cellular Mini mit dem ausgewählten Cloud-Anbieter, die Einstellung des Netzwerkanbieters und die Auswahl der Mobilfunkfrequenzbänder. (Damit die Sandbox-Demo-Firmware funktioniert, muss das Entwicklungsboard für die AWS-Microchip-Sandbox bereitgestellt werden)

Sobald die Entwickler mit der Demo-Anwendung vertraut sind, können sie ihre eigene Anwendung mit der vollständigen Arduino-IDE-Unterstützung des Entwicklungsboards erstellen. Diese Unterstützung basiert auf einer AVR IoT Cellular Arduino-Bibliothek, die auf Github gehostet wird. Die Bibliothek basiert auf der Open-Source-Software DxCore (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Mobilfunk-IoT-Bibliothek AVR IoT (orange) enthält Softwaremodule zur Programmierung und Steuerung des Entwicklungsboards (in vereinfachter Form in grün dargestellt). (Bildquelle: Microchip Technology)

Der On-Board-Debugger (PKOB nano) bietet volle Programmierunterstützung für die Arduino-IDE. Es sind keine externen Tools erforderlich, und es bietet auch Zugang zu einer seriellen Schnittstelle (Seriell-zu-USB-Brücke) und zwei Logikanalysator-Kanälen (Debug-GPIO). Der On-Board-Debugger auf dem AVR IoT Cellular Mini Board erscheint als Human Interface Device (HID) im USB-Subsystem des Host-Computers. Für ehrgeizigere Projekte ermöglichen die Qwiic- und Feather-kompatiblen Anschlüsse des Entwicklungsboards eine einfache Erweiterung mit einer großen Auswahl an Zusatzplatinen von Sparkfun und Adafruit (Abbildung 4).

Abbildung 4: Dieses Blockdiagramm des AVR-IoT-Entwicklungsboards zeigt, dass die Verbindung zum Host-PC über den USB-Link des Debuggers erfolgt, während die Programmierung der Anwendungs-MCU über den UART-Link des Debuggers erfolgt. Beachten Sie, dass die Verbindung zwischen der Anwendungs-MCU und dem Mobilfunkmodem ebenfalls über UART erfolgt. (Bildquelle: Microchip Technology)

Um mit der Anwendungsprogrammierung zu beginnen, müssen Sie die Arduino IDE und DxCore herunterladen und installieren. Als nächstes muss die Arduino-IDE so konfiguriert werden, dass die AVR IoT Cellular Arduino-Bibliothek ausgeführt werden kann (Liste 1).

Listing 1: Konfiguration der Arduino-IDE, damit die AVR IoT Cellular Arduino Library ausgeführt werden kann. (Codequelle: Microchip Technology)

Sobald die IDE konfiguriert ist, kann die Bibliothek installiert werden. Danach kann auf verschiedene Bibliotheksbeispiele für das Entwicklungsboard zugegriffen werden. Entwickler, die mit der Visual Studio Code IDE vertraut sind, können diese für die AVR-IoT-Entwicklung verwenden, sofern sie das Arduino-Plugin installieren. Der in einer der beiden IDEs entwickelte Arduino-Anwendungscode wird über den On-Board-Debugger auf die MCU des Entwicklungsboards portiert.

Durchführung von Leistungsmessungen

Mobilfunk-IoT ist so konzipiert, dass es mit geringem Stromverbrauch betrieben werden kann, um die Lebensdauer von batteriebetriebenen IoT-Endgeräten zu verlängern. Deshalb ist es wichtig, den Anwendungscode auf minimalen Stromverbrauch zu optimieren.

Auf der Microchip-Entwicklungsplatine wird die Stromversorgung aller Platinenbauteile über fünf Trennkontakte vorgenommen. Diese sind ebenfalls für die Strommessung vorgesehen. Um die Leistung des gewünschten Stromkreises zu messen, muss man die Verbindung durchtrennen und ein Amperemeter über die Löcher anschließen (Abbildung 5).

Abbildung 5: Über die Trennkontakte auf dem AVR-IoT-Entwicklungsboard lässt sich der Stromverbrauch der wichtigsten Schaltungen messen. (Bildquelle: Microchip Technology)

Die Entwicklungsplatine verfügt außerdem über eine Schaltung zur Messung der Systemspannung, die den Schalter MIC94163 und einen Spannungsteiler verwendet, der mit einem ADC-Pin der MCU verbunden ist, was eine bedarfsgerechte Messung ermöglicht und Leistungsverluste durch den Spannungsteiler verhindert. Um die Systemspannung zu messen, gehen Sie wie folgt vor:

1. Konfigurieren Sie die Spannungsreferenz für den ADC.
2. Setzen Sie den MCU-GPIO-Freigabepin (PB3) für die Systemspannungsmessung auf High, um den Spannungsteiler zu aktivieren.
3. Setzen Sie den MCU-ADCO-Pin (PE0) für die Systemspannungsmessung als Eingang für den ADC.
4. Führen Sie eine unsymmetrische Analog/Digital-Wandlung (ADC) durch.
5. Berechnen Sie die Spannung anhand der folgenden Gleichung: V = ADC-Resultat x V_REF x 4/ADC-Auflösung.

Schließlich ist es auch einfach, die Versorgungsspannung zu messen, indem Sie diese Schritte befolgen:

1. Konfigurieren Sie die Spannungsreferenz für den ADC.
2. Wählen Sie V_DD oder V_DDIO2 als positiven Eingang für den ADC. (V_DD und V_DDIO2 sind verfügbare interne Eingangskanäle für den ADC der MCU)
3. Führen Sie eine unsymmetrische Analog/Digital-Wandlung durch.
4. Berechnen Sie die Spannung anhand der folgenden Gleichung: V = ADC-Resultat x V_REF x 10/ADC-Auflösung.

Fazit

Mobilfunk-IoT ist ein beliebtes LPWAN mit wachsendem kommerziellen Potenzial. Die Entwicklung von IoT-Endgeräten für das Mobilfunknetz erfordert jedoch sowohl Hardware- als auch Softwarekenntnisse. Glücklicherweise bieten neue IoT-Entwicklungsboards wie das AVR-IoT-Cellular-Mini-Entwicklungsboard EV70N78A von Microchip Entwicklern einen schnellen Weg zum Prototyping.

Das Entwicklungsboard verwendet ein High-End-LTE-M/NB-IoT-Modem und eine beliebte Microchip-MCU. Die Entwicklung von Anwendungscode wird durch die Verwendung der Arduino- oder Visual-Studio-Code-IDE vereinfacht.