Utilizzate un kit di sviluppo combinato LTE-M, NB-IoT e DECT NR+ per avviare un progetto IoT wireless

Le tecnologie wireless cellulari LPWAN (rete WAN a bassa potenza) per l'Internet delle cose (IoT), come LTE-M (Long-Term Evolution Machine Type Communication) e NB-IoT (NarrowBand-IoT), offrono una portata di oltre un chilometro ai dispositivi a batteria utilizzando infrastrutture cellulari esistenti e collaudate. New Radio+ (DECT NR+) è un'alternativa LPWAN priva di licenza per le applicazioni che richiedono un approccio simile a quello cellulare per le implementazioni massive dell'IoT. Tutti e tre gli approcci possono essere complessi da implementare per gli sviluppatori, anche per coloro che hanno esperienza di wireless a corto raggio.

La collaborazione con un fornitore di soluzioni che offre prodotti pre-certificati con stack software integrati di protocollo LTE-M, NB-IoT o DECT NR+ e modem automatici può compensare la complessità della progettazione LPWAN. Queste soluzioni consentono allo sviluppatore di concentrarsi maggiormente sulla differenziazione delle applicazioni e di raggiungere gli obiettivi di time-to-market.

Questo articolo riassume i vantaggi di LTE-M, NB-IoT e DECT NR+ per la connettività IoT a lungo raggio e illustra le sfide di implementazione. Presenta quindi una combinazione di dispositivi cellulari IoT e DECT NR+ e un kit di sviluppo associato di Nordic Semiconductor e mostra come utilizzarli per superare queste sfide.

Perché utilizzare LTE-M, NB-IoT o DECT NR+ wireless?

Per essere una parte fondamentale della rete globale che costituisce Internet, i dispositivi IoT devono essere in grado di comunicare con il cloud utilizzando il protocollo Internet (IP) senza l'uso di costosi gateway. In alcune applicazioni, come l'agricoltura, le città intelligenti e il monitoraggio ambientale, la comunicazione deve avvenire su lunghe distanze e richiedere una manutenzione minima. Questo implica un basso consumo energetico per massimizzare la durata della batteria.

LTE-M e NB-IoT offrono una soluzione cellulare a queste sfide. Sono basati sulle specifiche stabilite dal 3GPP, quindi sono interoperabili con il protocollo IP e offrono una portata di oltre un chilometro. LTE-M e NB-IoT operano rispettivamente nelle bande di frequenza da 698 MHz a 960 MHz e da 1710 MHz a 2200 MHz. I dettagli tecnici di LTE-M e NB-IoT sono riassunti nella Tabella 1.

Tabella 1: Un confronto tra LTE-M e NB-IoT. (Immagine per gentile concessione di Nordic Semiconductor)

DECT NR+ è un'alternativa per le applicazioni che richiedono una connettività a lungo raggio senza dover pagare una licenza. È basato sulle specifiche 5G, opera nella banda dei 1900 MHz, può supportare LPWAN ad alta densità ed è adatto alle comunicazioni macchina-macchina (M2M) e al monitoraggio della qualità dell'aria in tutta la città.

Semplificazione della progettazione RF

L'implementazione di progetti RF è una sfida per molti sviluppatori e spesso può compromettere i tempi di immissione sul mercato. Tuttavia, alcune sfide hardware possono essere superate scegliendo una soluzione integrata che elimina gran parte della complessità. Un esempio è il System-in-Package (SiP) nRF9161 di Nordic Semiconductor (Figura 1).

Questo SiP incorpora un processore ARM^®Cortex^®-M33 dedicato al software applicativo e un modem che supporta le interfacce RF LTE-M, NB-IoT e DECT NR+. Include anche un front-end RF (RFFE) e un sistema di gestione dell'alimentazione, il tutto in un contenitore LGA (Land Grid Array) da 16,0 x 10,5 x 1,04 mm. Il modem supporta gli aggiornamenti IPv4/IPv6 e il firmware via etere (FOTA) crittografato. Il processore applicativo è supportato da 1 MB di memoria flash e 256 kB di RAM.

Figura 1: Il SiP nRF9161 incorpora un processore ARM Cortex-M33, un modem LTE, un RFFE, memoria e gestione dell'alimentazione. (Immagine per gentile concessione di Nordic Semiconductor)

Il SiP è dotato anche di un ricevitore GNSS per applicazioni come il tracciamento della posizione. Le interfacce e le periferiche includono un convertitore analogico/digitale (ADC) a 12 bit, un clock in tempo reale (RTC), un'interfaccia periferica seriale (SPI), un circuito integrato (I²C), inter-IC sound (I²S), un ricetrasmettitore asincrono universale (UART), modulazione della densità di impulso (PDM) e modulazione della larghezza di impulso (PWM). Il SiP consente di sviluppare una soluzione IoT cellulare o DECT NR+ utilizzando un unico dispositivo, un'antenna, una batteria, una SIM o eSIM e un sensore (Figura 2).

Figura 2: Il SiP nRF9161 è una soluzione di connettività IoT cellulare (LTE-M, NB-IoT) e DECT NR+ altamente integrata. (Immagine per gentile concessione di Nordic Semiconductor)

Sfide di progettazione software

Le sfide della progettazione RF IoT si estendono anche al software. Gli stack cellulari e DECT NR+ sono grandi e molto complessi; la costruzione di uno dei due da zero richiede specialisti di protocollo. Nel caso di LTE-M e NB-IoT, lo sviluppatore deve implementare i comandi di attenzione (AT) specifici una volta che lo stack è pronto ed è stato testato. Questi sono la base della comunicazione tra qualsiasi modem cellulare e il suo controller host. Sono utilizzati principalmente per la configurazione e il debug del modem e per abilitare la connessione alla rete tramite gli operatori di rete mobile (MNO).

Nordic semplifica i problemi di codifica del software fornendo uno stack LTE-M stabile e collaudato pre-programmato nel modem del SiP. Inoltre, l'applicazione Serial LTE Modem di Nordic gestisce i comandi AT che istruiscono il modem a trasmettere e ricevere dati.

Oltre alle sfide tecniche, i modem cellulari devono anche soddisfare i severi requisiti di certificazione e regolamentazione specifici per ogni regione. Questi includono certificazioni globali per garantire la compatibilità con le specifiche LTE, consentendo al dispositivo finale di comunicare attraverso le reti LTE-M o NB-IoT. Inoltre, alcuni MNO hanno requisiti di certificazione propri.

Anche in questo caso, Nordic ha alleggerito l'onere dello sviluppatore pre-certificando il SiP nRF9161 per il funzionamento nelle regioni più critiche, nelle reti chiave e nelle principali bande LTE di tali reti.

Utilizzo del kit di sviluppo nRF9161

Sebbene il SiP nRF9161 semplifichi alcune sfide hardware e software critiche associate allo sviluppo dell'IoT cellulare e di DECT NR+, la creazione di un prototipo funzionante richiede comunque impegno. Per accelerare la progettazione, Nordic offre il kit di sviluppo nRF9161 DK (Figura 3) e una suite di strumenti software. Gli strumenti si basano sull'SDK nRF Connect, un ambiente di sviluppo unificato per le soluzioni wireless di Nordic.

Il kit di sviluppo incorpora il SiP e include i circuiti necessari per realizzare un prototipo completamente funzionante. È dotato di un'antenna LTE-M/NB-IoT e DECT NR+ dedicata e di un'antenna patch integrata per il GNSS. La programmazione e il debug avvengono tramite SEGGER J-Link su scheda e il kit viene fornito con una scheda SIM precaricata di dati. Supporta inoltre l'uso di una SIM virtuale, riducendo ulteriormente il consumo energetico.

Figura 3: Il kit nRF9161 DK include il SiP nRF9161 per LTE-M, NB-IoT e DECT NR+ e dispone di antenne LPWAN e GNSS, di un SEGGER J-Link su scheda per la programmazione e il debug e di una scheda SIM precaricata. (Immagine per gentile concessione di Nordic Semiconductor)

Per iniziare a sviluppare con il kit nRF9161, è necessario inserire la scheda SIM (o attivare la eSIM), impostare l'interruttore PROG/DEBUG SW10 su "nRF91" e collegare il kit a un computer desktop mediante un cavo micro-USB 2.0. Il kit richiede un sistema operativo (OS) Windows, macOS o Ubuntu Linux.

Il passo successivo consiste nell'installare nRF Connect for Desktop di Nordic e attivare il software. Da qui è possibile installare l'applicazione Quick Start, uno strumento per la configurazione guidata e le procedure di installazione. Il software semplifica l'aggiornamento del firmware del kit di sviluppo e l'attivazione della scheda SIM. Per trasmettere i dati dal kit al cloud, lo sviluppatore può creare un account Nordic nRF Cloud o collegarsi ad altri servizi cloud.

L'applicazione Quick Start indirizzerà quindi lo sviluppatore all'SDK nRF Connect di Nordic. L'SDK funziona con Visual Studio Code, un popolare ambiente di sviluppo integrato (IDE), utilizzando l'estensione nRF Connect for VS Code di Nordic. L'SDK viene utilizzato per sviluppare applicazioni e include esempi utili come il recupero della posizione di un dispositivo utilizzando il posizionamento GNSS, cellulare o Wi-Fi e la trasmissione dei dati dei sensori dal kit nRF9161 al cloud.

Una volta creata l'applicazione, la programmazione del processore applicativo ARM del SiP nRF9161 è semplice. Il primo passo consiste nel collegare il kit a un PC tramite un cavo USB e accenderlo. Dall'estensione nRF Connect for VS Code, lo sviluppatore deve fare clic sull'opzione "Flash" in "Actions View". Compare una notifica che mostra l'avanzamento della programmazione e ne conferma il completamento.

Il kit di sviluppo consente inoltre di verificare il segnale RF LTE-M, NB-IoT o DECT NR+. Buone prestazioni RF sono essenziali per massimizzare la portata della comunicazione tra il dispositivo IoT e la stazione base. Per misurarla, si collega un cavo tra il piccolo connettore coassiale (J1) del kit e un analizzatore di spettro (Figura 4).

Figura 4: Il segnale RF del kit di sviluppo nRF9161 può essere misurato collegandolo a un analizzatore di spettro con un cavo coassiale. (Immagine per gentile concessione di Nordic Semiconductor)

Strumenti di sviluppo avanzati per nRF9161 DK

Una volta programmata un'applicazione, Nordic offre due strumenti che consentono allo sviluppatore di osservarne le prestazioni. Il primo è Power Profiler Kit II (PPK2) (Figura 5). Questa unità indipendente è in grado di misurare l'assorbimento di corrente del kit di sviluppo in un intervallo compreso tra 200 nA e 1 A, con una risoluzione tra 100 nA e 1 mA. Il PPK2 può anche fornire fino a 5 V a 1 A al kit di sviluppo.

Figura 5: PPK2 può misurare il consumo medio e istantaneo di corrente del kit di sviluppo nRF9161 durante l'esecuzione di un'applicazione. (Immagine per gentile concessione di Nordic Semiconductor)

PPK2 viene utilizzato con l'app Power Profiler, parte del software nRF Connect for Desktop. Lo sviluppatore può utilizzare l'app per analizzare il consumo medio e istantaneo di corrente del kit nRF9161 durante l'esecuzione di un'applicazione. Le letture possono essere effettuate per un periodo di tempo prolungato e, se necessario, applicando lo zoom su un intervallo di millisecondi. I dati misurati possono essere esportati per l'elaborazione.

L'analisi del consumo energetico consente allo sviluppatore di vedere dove il codice dell'applicazione può essere modificato per risparmiare energia e prolungare la durata della batteria del progetto (Figura 6).

Figura 6: L'applicazione Power Profiler di nRF Connect for Desktop visualizza il consumo di corrente dell'applicazione durante l'esecuzione. (Immagine per gentile concessione di Nordic Semiconductor)

Lo strumento Cellular Monitor di Nordic aiuta nello sviluppo delle applicazioni ed è supportato dal software nRF Connect for Desktop. Il monitor mostra l'attività del modem del SiP nRF9161 mentre il kit di sviluppo esegue l'applicazione. Ciò comprende le prestazioni della rete, lo stato del dispositivo e la trasmissione dei dati. Questi dettagli consentono allo sviluppatore di analizzare il traffico del modem e di ottimizzare le prestazioni dell'applicazione. Le informazioni sono visualizzate su un terminale seriale.

Conclusione

Le tecnologie LTE-M, NB-IoT e DECT NR+ LPWAN supportano una connettività a lungo raggio affidabile, sicura e scalabile per i dispositivi IoT, ma lo sviluppo di dispositivi hardware e software wireless può essere impegnativo. Il SiP nRF9161 di Nordic, il software di protocollo embedded e il kit di sviluppo e le applicazioni di supporto nRF9161 DK riducono gran parte delle complessità.