Pourquoi et comment dynamiser des projets d'IoT cellulaire avec la carte de développement IoT de Microchip

L'Internet des objets (IoT) cellulaire, une technologie de réseau étendu basse consommation (LPWAN), offre une voie claire et éprouvée vers un IoT sécurisé et robuste pour des applications telles que les villes intelligentes, l'agriculture ou la surveillance à distance des infrastructures. Cependant, l'IoT cellulaire est une technologie complexe, qui peut décourager les concepteurs inexpérimentés qui se lancent dans un projet.

Toutefois, les défis de conception IoT cellulaire peuvent être atténués en basant les projets sur des cartes de développement cellulaire qui utilisent des microcontrôleurs (MCU) polyvalents et des environnements de développement intégrés (IDE) familiers. Soutenues par des bibliothèques de logiciels open-source et une connexion simple des capteurs, ces cartes de développement permettent au concepteur de lancer plus facilement des projets d'IoT cellulaire, de la configuration matérielle à la transmission de données vers le cloud.

Cet article présente brièvement les avantages de l'IoT cellulaire avant d'expliquer les complexités de conception que cette technologie peut introduire. Il décrit ensuite comment l'utilisation de cartes de développement IoT cellulaire peut éliminer une grande partie de cette complexité. Enfin, il explique comment configurer une carte de développement de Microchip Technology pour envoyer des données de couleur et de température simples vers le cloud.

Présentation de l'IoT cellulaire

L'IoT cellulaire utilise une technologie cellulaire basse consommation pour connecter les dispositifs d'extrémité IoT (tels que les capteurs et les actionneurs) au cloud. Il s'agit d'une technologie LPWAN caractérisée par une portée de plus d'un kilomètre, la prise en charge de dispositifs d'extrémité haute densité et un bas débit.

Bien qu'il existe d'autres technologies LPWAN — notamment LoRaWAN (voir Accélérer les projets IoT LoRaWAN grâce à un kit de démarrage de bout en bout) et Sigfox, — l'IoT cellulaire présente certains avantages clés, notamment :

• Pérennité : en tant que norme, les spécifications pour l'IoT cellulaire sont constamment révisées et développées.
• Évolutivité : l'IoT cellulaire peut permettre le déploiement rapide de l'IoT grâce à une architecture cellulaire établie.
• Qualité de service (QoS) : l'IoT cellulaire offre une haute fiabilité car il repose sur une infrastructure éprouvée et mature dans des applications commerciales à haut volume.
• Interopérabilité IP : les dispositifs d'extrémité peuvent être directement connectés au cloud sans recourir à des passerelles coûteuses et complexes.

Les concepteurs doivent tenir compte du fait que l'IoT cellulaire implique des coûts continus associés au transfert de données. Ce n'est pas le cas des technologies concurrentes telles que LoRaWAN, qui utilisent le spectre de fréquences sans licence. Toutefois, les coûts des données IoT cellulaires ont tendance à baisser en raison des pressions concurrentielles et de l'utilisation accrue de l'edge computing, réduisant le volume de données non essentielles envoyées sur le réseau.

L'IoT cellulaire est régi par une norme de télécommunications, régulée et mise à jour par le 3GPP (Third Generation Partnership Project). La version 13 de la norme du 3GPP a étendu ses catégories de modems machine-à-machine (M2M) pour permettre l'utilisation de modems à faible coût, basse consommation et bas débit, adaptés à la connectivité IoT. Les versions ultérieures de la norme ont permis d'améliorer davantage ces modems IoT.

Les capteurs sans fil équipés de modems IoT cellulaires peuvent envoyer des données sur des kilomètres vers le cloud sans avoir besoin de passerelles coûteuses et complexes, tout en bénéficiant de la sécurité et de la qualité de service pour lesquelles le cellulaire est connu.

Différence entre LTE-M et NB-IoT

L'IoT cellulaire se présente sous deux formes : LTE de catégorie M1 (LTE-M) et IoT à bande étroite (NB-IoT). Les deux types sont conçus pour être utilisés avec des dispositifs à ressources limitées, souvent alimentés par batterie, typiques de l'IoT et de l'IoT industriel (IIoT). Comme les modems IoT se connectent à l'infrastructure cellulaire établie, chacun d'eux nécessite son propre module d'identification d'abonné (SIM).

Le LTE-M est basé sur la technologie LTE allégée (4G). Il permet des communications sécurisées, une couverture étendue et une haute capacité système. Sa capacité à fonctionner comme un système en duplex intégral sur une bande passante relativement large (1,4 mégahertz (MHz)) améliore la latence et le débit par rapport au NB-IoT. Le débit de données brutes est de 300 kilobits par seconde (Kb/s) en liaison descendante et de 375 Kb/s en liaison montante. La technologie est adaptée aux connexions IP sécurisées de bout en bout, et la mobilité est prise en charge par les techniques de transfert de cellule LTE. Le LTE-M est adapté aux applications mobiles telles que le suivi des actifs ou les soins de santé.

Le NB-IoT est principalement conçu pour le rendement énergétique et pour une meilleure pénétration dans les bâtiments et les autres zones peu favorables aux RF. Contrairement au LTE-M, il n'est pas basé sur la couche physique (PHY) LTE. La complexité du modem est même inférieure à celle d'un dispositif LTE-M, car le NB-IoT utilise une bande passante de 200 kilohertz (kHz). Si le débit de données brutes est modeste (60/30 Kb/s), la portée est supérieure à celle du LTE-M. Le NB-IoT est adapté aux applications statiques telles que les compteurs intelligents qui peuvent être derrière des murs.

Modems IoT cellulaires commerciaux

Une gamme de modems LTE-M/NB-IoT commerciaux est désormais disponible, comme le module Monarch 2 GM02S de Sequans. Le dispositif prend en charge un seul circuit d'entrée RF de gestion des stocks (UGS), adapté à 20 des bandes LTE mondiales. Il est fourni dans un module LGA compact mesurant 16,3 millimètres (mm) x 17 mm x 1,85 mm. Le module répond aux exigences 3GPP versions 14/15. Fonctionnant sur une seule alimentation de 2,2 volts (V) à 5,5 V, le modem est capable d'une puissance d'émission maximum de +23 décibels référencés à 1 milliwatt (mW) (dBm).

Le GM02S prend en charge aussi bien une SIM et une eSIM externes que des SIM intégrées. Une interface d'antenne de 50 ohms (Ω) est incluse. Le dispositif est fourni avec une pile logicielle LTE-M/NB-IoT et le logiciel Cloud Connector de Sequans pour faciliter la connexion aux plateformes cloud commerciales (Figure 1).

Figure 1 : Le modem LTE-M/NB-IoT GM02S de Sequans est fourni dans un boîtier compact et avec une pile logicielle mature. (Source de l'image : Sequans)

Défis de conception IoT cellulaire

Bien que le modem GM02S soit un dispositif hautement intégré fourni avec une pile logicielle et une connectivité cloud, comme tous les modems commerciaux, un travail de développement considérable est encore requis avant qu'une application IoT n'envoie de manière transparente des données sur des kilomètres vers le cloud.

Le modem est conçu uniquement pour assurer la communication entre le dispositif d'extrémité et la station de base. Un processeur de supervision et d'application distinct est nécessaire pour contrôler le modem tout en exécutant le logiciel d'application du capteur. De plus, le concepteur doit également prendre en compte le(s) circuit(s) d'antenne, l'alimentation et l'équipement d'un dispositif d'extrémité avec une carte SIM pour garantir une connectivité transparente avec le réseau cellulaire (voir l'article sur la manière d'utiliser des antennes embarquées multibandes pour réduire l'espace, la complexité et les coûts dans les conceptions IoT).

Au-delà de la conception matérielle, certaines compétences en codage sont nécessaires pour qu'un module cellulaire puisse se connecter au réseau et recevoir/transmettre des données. Si la conception utilise un microcontrôleur d'application externe, celui-ci communique généralement avec le module cellulaire via une liaison série UART (bien que d'autres interfaces E/S soient également utilisées). Les commandes AT (« attention ») constituent le moyen standard de contrôler un modem cellulaire. Les commandes comprennent une série de courtes chaînes de texte qui peuvent être combinées pour produire des opérations telles que numéroter, raccrocher et modifier les paramètres de connexion.

Il existe deux types de commandes AT : les commandes de base sont celles qui ne commencent pas par +. Par exemple, D (numéroter), A (répondre), H (raccrocher) et O (retour à l'état de données en ligne). Les commandes étendues sont celles qui commencent par +. Par exemple, +CMGS (envoyer un message SMS), +CMGL (lister les messages SMS) et +CMGR (lire les messages SMS) (voir l'article sur l'utilisation d'un module cellulaire pour connecter un projet Maker à l'IoT).

Ces considérations matérielles et logicielles apportent une complexité à l'IoT cellulaire, pouvant ralentir la progression des concepteurs moins expérimentés. Heureusement, les fabricants de microcontrôleurs d'application et de modems IoT cellulaires se sont réunis pour proposer des outils de conception matérielle et logicielle qui permettent de tirer plus facilement parti de cette importante technologie LPWAN.

Éliminer la complexité avec les cartes de développement IoT

Relever les défis de conception IoT cellulaire est considérablement facilité lorsqu'un prototype est basé sur une carte de développement spécialement conçue. Le matériel de la carte de développement inclut généralement une antenne, une source d'alimentation, une carte SIM avec un volume de données gratuites, un processeur d'application et des réseaux d'accord pour garantir de bonnes performances RF. Les concepteurs disposent ainsi d'une solide avance en matière de matériel pour leur projet et peuvent se concentrer sur le développement des applications. En choisissant une carte de développement appropriée, le développement de l'application peut même être effectué dans un IDE familier.

La carte de développement AVR-IoT Cellular Mini EV70N78A de Microchip est un exemple de carte de développement IoT cellulaire populaire. Il s'agit d'une plateforme matérielle basée sur le microcontrôleur populaire AVR128DB48 de Microchip, et sur le module cellulaire Monarch 2 GM02S de Sequans présenté ci-dessus. Le microcontrôleur est un dispositif de 8 bits et 24 MHz. Il est doté de 128 kilo-octets (Ko) de mémoire Flash, de 16 Ko de SRAM, de 512 octets d'EEPROM, et il est fourni en boîtier à 48 broches.

La carte de développement intègre également un élément sécurisé ATECC608B ; une fois connecté à un réseau LTE-M ou NB-IoT, l'ATECC608B est utilisé pour authentifier le matériel avec le cloud afin d'identifier chaque carte de manière unique.

Pour faciliter davantage la tâche du concepteur, la carte de développement de Microchip inclut également une carte SIM Truphone prête à être activée, avec 150 méga-octets (Mo) de données.

La carte de développement comporte cinq LED utilisateur, deux boutons mécaniques, un quartz de 32,768 kHz, des capteurs de couleur et de température, un connecteur enfichable compatible Adafruit Feather, un connecteur I²C Qwiic, un débogueur intégré, un port USB, des options d'alimentation par batterie et entrée externe, et un chargeur de batterie Li-ion/Li-po MCP73830 avec LED d'état de charge (Figure 2).

Figure 2 : La carte de développement AVR-IoT Cellular Mini est basée sur le microcontrôleur AVR128DB48 et est fournie avec une carte SIM et 150 Mo de données. (Source de l'image : Microchip Technology)

Démarrer un projet IoT cellulaire

L'objectif de l'IoT cellulaire est de connecter sans fil des dispositifs d'extrémité IoT, tels que des capteurs et des actionneurs, afin que leurs données puissent être envoyées sur des kilomètres vers le cloud. Sur la carte de développement Microchip, le microcontrôleur est préchargé avec une image micrologicielle constituant une application de démonstration qui permet aux utilisateurs de se connecter et d'envoyer rapidement les données des capteurs de température et de couleur embarqués vers un bac à sable basé sur le cloud (hébergé par AWS).

Pour que le matériel soit prêt pour le développement, il suffit d'activer et d'insérer la carte SIM, de connecter l'antenne externe à la carte, de connecter le port USB-C de débogage sur la carte au PC, de scanner le code QR situé sous la carte ou d'ouvrir le dispositif de stockage de masse, et de suivre CLICK-ME.HTM jusqu'à la page Web du kit.

Un outil de provisionnement IoT de Microchip, disponible sur Github, fournit une solution conviviale pour configurer une carte AVR-IoT Cellular Mini pour le fournisseur de cloud sélectionné, définir le fournisseur réseau et sélectionner les bandes de fréquences cellulaires. (Pour que le micrologiciel de démonstration de bac à sable fonctionne, la carte de développement doit être provisionnée pour le bac à sable AWS Microchip).

Une fois que les développeurs se sont familiarisés avec l'application de démonstration, ils peuvent créer leur propre application en utilisant le support IDE Arduino complet de la carte de développement. Ce support est basé sur une bibliothèque Arduino AVR IoT cellulaire hébergée sur Github. La bibliothèque est construite sur le DxCore open-source (Figure 3).

Figure 3 : La bibliothèque AVR IoT cellulaire (orange) inclut des modules logiciels permettant de programmer et de contrôler la carte de développement (représentée sous forme simplifiée en vert). (Source de l'image : Microchip Technology)

Le débogueur embarqué (PKOB nano) fournit un support de programmation complet pour l'IDE Arduino. Aucun outil externe n'est requis, et il donne également accès à une interface de port série (pont série-USB) et à deux canaux d'analyseur logique (GPIO de débogage). Le débogueur embarqué sur la carte AVR IoT Cellular Mini apparaît comme un dispositif d'interface humaine (HID) sur le sous-système USB de l'ordinateur hôte. Pour les projets plus ambitieux, les connecteurs enfichables compatibles Qwiic et Feather de la carte de développement permettent l'extension aisée à partir d'une large sélection de cartes d'extension de Sparkfun et Adafruit (Figure 4).

Figure 4 : Ce schéma fonctionnel de la carte de développement AVR IoT montre que la connexion au PC hôte se fait via la liaison USB du débogueur, tandis que la programmation du microcontrôleur d'application se fait via la liaison UART du débogueur. Notez que la connexion entre le microcontrôleur d'application et le modem cellulaire se fait également via UART. (Source de l'image : Microchip Technology)

Pour commencer à programmer des applications, il faut télécharger et installer l'IDE Arduino et DxCore. Ensuite, l'IDE Arduino doit être configuré pour permettre l'exécution de la bibliothèque Arduino AVR IoT cellulaire (Liste 1).

Liste 1 : Configuration de l'IDE Arduino pour permettre l'exécution de la bibliothèque Arduino AVR IoT cellulaire. (Source du code : Microchip Technology)

Une fois l'IDE configuré, la bibliothèque peut être installée. Une fois cette opération effectuée, il est possible d'accéder à plusieurs exemples de bibliothèque pour la carte de développement. Les concepteurs familiarisés avec l'IDE Visual Studio Code peuvent l'utiliser pour le développement AVR IoT, à condition d'installer le plug-in Arduino. Le code d'application Arduino développé dans l'un ou l'autre des IDE est porté sur le microcontrôleur de la carte de développement via le débogueur intégré.

Effectuer des mesures de puissance

L'IoT cellulaire est conçu pour fonctionner à basse consommation afin de prolonger la durée de vie des dispositifs d'extrémité IoT alimentés par batterie. Il est donc important d'optimiser le code d'application pour obtenir une consommation d'énergie minimale.

Sur la carte de développement Microchip, l'alimentation de tous les éléments de la carte est connectée par cinq bandes à couper. Celles-ci sont également destinées à la mesure du courant. Pour mesurer la puissance sur le circuit souhaité, il suffit de couper la bande et de connecter un ampèremètre à travers les trous (Figure 5).

Figure 5 : Les bandes à couper sur la carte de développement AVR IoT peuvent être utilisées pour mesurer la consommation d'énergie des circuits clés. (Source de l'image : Microchip Technology)

La carte de développement présente également un circuit de mesure de tension système utilisant son commutateur MIC94163 et un diviseur de tension connecté à une broche CAN sur le microcontrôleur, permettant une mesure à la demande et empêchant les fuites de puissance dans le diviseur de tension. Pour mesurer la tension du système, procédez comme suit :

1. Configurez la référence de tension pour le CAN.
2. Placez la broche d'activation de mesure de tension système GPIO du microcontrôleur (PB3) à l'état haut pour activer le diviseur de tension.
3. Définissez la broche de mesure de tension système ADCO du microcontrôleur (PE0) comme entrée pour le CAN.
4. Exécutez une conversion analogique-numérique (CAN) asymétrique.
5. Calculez la tension en utilisant l'équation suivante : V = résultat CAN x V_REF x 4/résolution CAN.

Enfin, il est également simple de mesurer la tension d'alimentation en suivant ces étapes :

1. Configurez la référence de tension pour le CAN.
2. Sélectionnez V_DD ou V_DDIO2 comme entrée positive pour le CAN. (V_DD et V_DDIO2 sont des canaux d'entrée internes disponibles pour le CAN du microcontrôleur).
3. Exécutez une conversion CAN asymétrique.
4. Calculez la tension en utilisant l'équation suivante : V = résultat CAN x V_REF x 10/résolution CAN.

Conclusion

L'IoT cellulaire est un LPWAN populaire dont le potentiel commercial ne cesse de croître. Cependant, la conception de dispositifs d'extrémité à alimentation IoT cellulaire nécessite une expertise à la fois matérielle et logicielle. Pour aider les concepteurs, de nouvelles cartes de développement IoT cellulaire, telles que la carte de développement AVR-IoT Cellular Mini EV70N78A de Microchip, offrent une option de prototypage rapide.

La carte de développement utilise un modem LTE-M/NB-IoT haut de gamme et un microcontrôleur Microchip populaire. Le développement du code d'application est simplifié en utilisant l'IDE Arduino ou Visual Studio Code.