Utilizzo di Moduli Cellulari per Dispositivi e Progettazione nell'Internet delle Cose

Man mano che il nostro mondo diventa sempre più connesso e guidato dai dati, la domanda per molti dispositivi si sta spostando dalla trasmissione intermittente o dalla raccolta di dati alla segnalazione immediata ai servizi cloud. Questo può presentare alcune sfide serie una volta che i dispositivi superano la rete WiFi del tuo cliente, come sensori nei campi agricoli o in movimento. Il costo di implementazione di una rete wireless di qualsiasi tipo su un grande sito industriale o una fattoria può essere proibitivo senza considerare i costi di manutenzione e supporto. In molte situazioni, potrebbe non esserci nemmeno l'opzione di implementare una rete wireless, come quando si lavora con attrezzature da costruzione o veicoli di consegna.

In uno dei miei progetti recenti, abbiamo progettato un sistema di tracciamento/monitoraggio GPS connesso LTE che potrebbe essere utilizzato come dispositivo di tracciamento degli asset o per la raccolta di dati di manutenzione preventiva. I prodotti di internet delle cose cellulari come il progetto di tracciamento degli asset sono destinati solo a crescere in popolarità man mano che più dispositivi diventano più intelligenti e generano più dati che mai. Se vuoi aggiungere la comunicazione cellulare al tuo prossimo prodotto mobile, ecco cosa devi sapere sulle reti cellulari e su come si interfacciano con dispositivi embedded/mobile.

Che cos'è l'IoT Cellulare?

Se vi siete mai chiesti come includere le capacità cellulari nei vostri prodotti IoT, ho compilato la guida definitiva di cui avrete bisogno per rimanere all'avanguardia. Ecco cosa affronterò in questa guida:

1. Servizi Cellulari per Internet delle Cose
2. Schede SIM
3. Moduli Cellulari
4. Bande/Protocolli Cellulari
5. Operatori IoT/M2M
6. Un Modem Cellulare è la Scelta Giusta per Te?

Servizi Cellulari per Internet delle Cose

Le reti cellulari esistono su gran parte delle terre emerse del mondo e offrono facilmente la migliore e più accessibile rete terrestre per inviare i vostri dati al cloud, ovunque il vostro dispositivo possa andare. Grazie a bande e protocolli standardizzati, possiamo fornire un dispositivo a New York, USA, York, UK, o persino York in Australia con un modem cellulare e sapere che sarà in grado di connettersi ai nostri servizi senza richiedere alcuna nuova infrastruttura.

Sebbene il concetto di dispositivi "Internet delle Cose" sia relativamente nuovo, l'utilizzo delle reti cellulari per le comunicazioni tra macchine non è una novità. Se stai pensando di utilizzare il cellulare per il tuo dispositivo, potresti preoccuparti del costo di essere vincolato a un piano telefonico o a un contratto simile solo per utilizzare una piccola quantità di dati. Fortunatamente, non devi preoccuparti di questo! Dove hai i fornitori di servizi telefonici per il tuo cellulare, hai fornitori Machine to Machine (M2M) per i dispositivi. I fornitori M2M presentano diversi vantaggi principali rispetto a un tipico fornitore di rete cellulare:

Tendono a consentire l'accesso a centinaia di reti in tutto il mondo, piuttosto che solo alla propria.

• Tendono a consentire l'accesso a centinaia di reti in tutto il mondo, non solo alla propria.
• Sono tipicamente solo dati o dati + SMS, quindi non si paga per costose funzionalità vocali e video.
• Di solito non è necessario un piano o un abbonamento, sono a consumo/prepagati con lunga scadenza dei crediti.

Tutti i principali fornitori di connettività IoT, come Hologram o Truphone, stanno già fornendo una copertura globale o sono in procinto di estendere le loro reti in tutto il mondo. Possono ottenere questo risultato negoziando con gli operatori locali per conto tuo e sfruttando i volumi di dati cumulati dei loro clienti. Questo significa che puoi acquistare solo pochi megabyte di dati a un prezzo molto basso, con una scadenza di sei mesi o un anno, ideale per raccogliere dati intermittenti da sensori. Supponiamo che tu abbia un gran numero di dispositivi distribuiti. In tal caso, un fornitore M2M ti permetterà spesso di gestire tutte le tue SIM centralmente e avere un limite di dati per account anziché per dispositivo, riducendo ulteriormente i costi e gli oneri amministrativi.

Oltre alla gestione centralizzata, molti fornitori offrono anche un'API per gestire facilmente le SIM. Questo ti permette di fornire facilmente informazioni e dati ai tuoi clienti tramite il tuo portale. Le regole di automazione con la maggior parte dei fornitori ti permettono di essere notificato automaticamente di qualsiasi problema con i tuoi dispositivi, consentendoti di essere proattivo invece di aspettare che i tuoi clienti inizino a chiedersi perché i loro dati non vengono più raccolti.

Per i test, alcuni fornitori di telefonia mobile come Three (almeno in alcuni paesi) permettono di avere una SIM senza contratto che puoi attivare e ottenere una quantità relativamente grande di dati mensili, almeno per le applicazioni IoT, gratuitamente ogni mese - tipicamente intorno ai 200 MB. Per un utente con un telefono o un tablet, questo potrebbe permetterti di caricare Facebook una volta ogni pochi giorni per il mese, ma per un nodo IoT che invia dati testuali compressi, ciò potrebbe permettere di inviare migliaia di letture dei sensori ogni giorno senza costi.

SIM Cards

Tipicamente le SIM card di un fornitore regolare non vengono fornite con un foglio di dati tecnici; figuriamoci una gamma di temperature di servizio specificata o qualifiche industriali/automobilistiche. Con le SIM card M2M, puoi ottenere carte con gamma di temperature estesa che offrono una vita utile valutata di 10 anni. Queste valutazioni possono essere cruciali per il successo del tuo dispositivo. Se il tuo dispositivo si trova su un trivellazione petrolifera remota o in una fattoria rurale, il costo di avere un tecnico o un ingegnere che visita il sito potrebbe essere incredibilmente costoso, solo per sostituire una SIM card che costa pochi dollari.

Allo stesso modo, non si può prevedere che le SIM card di grado consumer abbiano una vita superiore al contratto di 24 mesi del telefono. Se il tuo prodotto dovrà monitorare un apparecchio in un ambiente ostile, potrebbe rimanervi per un decennio senza bisogno di manutenzione, purché sia alimentato. Accoppiato con un socket per SIM card di alta qualità come quelli di Würth, Molex e altri, puoi essere sicuro che il tuo prodotto non perderà la connettività se la SIM card dovesse fallire nel tuo dispositivo Internet delle cose cellulare.

SIM Incorporata (eSIM)

In alternativa, l'utilizzo di un modulo modem cellulare integrato come una carta SIM (eSIM) consente di risparmiare notevolmente spazio sul circuito stampato. Mentre una carta SIM è di sola lettura, un'eSIM è riscrivibile e, cosa ancora migliore, montabile in superficie come qualsiasi altro componente sul tuo circuito. È importante notare che il supporto eSIM non è disponibile ampiamente come per una carta SIM regolare. Tuttavia, la maggior parte delle principali reti nel mondo sviluppato le supporterà. Oltre a risparmiare spazio sul circuito, potresti anche guardare a significativi risparmi di costi adottando un'eSIM per i prodotti di Internet delle cose cellulari. Il costo di un chip eSIM è tipicamente inferiore a quello di una carta SIM più il relativo alloggiamento e consente di risparmiare notevolmente sul lavoro di inserimento manuale di una carta SIM in un alloggiamento. L'eSIM potrebbe essere programmata automaticamente durante il processo di burn-in e test dell'assemblaggio del tuo dispositivo.

Crittografia

Ci sono alcuni vantaggi interessanti nell'aggiungere una SIM ai tuoi prodotti che potrebbero essere nascosti. La storia delle carte SIM è profondamente intrecciata con le smart card, e numerosi microcontrollori orientati alle SIM hanno un ampio supporto crittografico.

Per questi motivi, alcuni fornitori di Internet delle cose cellulari come Hologram hanno aggiunto la gestione integrata dei certificati, una catena di fiducia, token monouso e altre funzionalità di sicurezza avanzate nelle loro schede SIM. Gestire i certificati non è un compito facile: l'argomento è estremamente complicato e piccoli errori possono avere un impatto duraturo sulla tua attività. Anche allora, le biblioteche crittografiche utili sono difficili da trovare per microcontrollori più piccoli. Le SIM IoT possono essere il primo passo verso comunicazioni più robuste e più sicure per i tuoi dispositivi.

Moduli Cellulari IoT

Con le complessità della certificazione dei gestori cellulari in aggiunta alle leggi di conformità elettromagnetica per radiatori intenzionali e tutta la programmazione che entra nella costruzione di un modulo cellulare, vorrai quasi certamente utilizzare un modulo cellulare. Dove un tipico modulo radio pre-certificato è più economico da implementare fino a circa 10.000 unità rispetto al fare da sé la progettazione e la certificazione, un modulo cellulare è probabilmente più economico di un approccio fai-da-te per ben oltre 100.000 unità prodotte. Fortunatamente, ci sono alcune opzioni moderne e fantastiche disponibili.

Storicamente, i moduli cellulari sono stati ingombranti, energivori e limitati nelle capacità. Il popolare SIMCom SIM900, ad esempio, misura 24 per 24 mm (576 mq mm), mentre il più moderno uBlox SARA-R4, che ho utilizzato nel mio progetto, è 16 per 26 mm (416 mq mm) ma offre capacità significativamente maggiori e una larghezza di banda molto più elevata. Sfruttando le nuove bande LTE, il modulo cellulare uBlox fornisce tassi di trasferimento dati superiori di oltre quattro volte rispetto al SIM900. L'uBlox non utilizza apprezzabilmente più energia per comunicare con la rete rispetto al SIM900, tuttavia, con un tasso di trasmissione dati fino a 4 volte superiore grazie al LTE, l'invio della stessa quantità di dati potenzialmente consuma un quarto dell'energia, il che è ottimo per la durata della batteria.

I moduli cellulari sono ancora consumatori di energia relativamente elevati, nonostante i grandi progressi nella tecnologia negli ultimi anni. In contrasto, un tipico modulo LoRaWAN utilizza solo 450 mW di potenza per trasmettere alla sua massima potenza rispetto ai 2 W o più di un modulo LTE. Tuttavia, il modulo LTE trasmetterà automaticamente utilizzando molta meno energia se si trova più vicino a una torre cellulare. Al contrario, il modulo LoRa sarà tipicamente programmato per utilizzare un livello di potenza fisso, e sarà necessario sviluppare ulteriormente il firmware per includere funzionalità automatiche di riduzione della potenza di trasmissione. Nonostante il consumo di energia apparentemente elevato, il throughput di un modulo LTE è molto maggiore rispetto a quello di un modulo LoRaWAN. LoRA ha un tasso di trasmissione dati massimo di 27 kbps, quasi 15 volte più lento rispetto al throughput massimo di un modulo LTE. Con solo quattro volte il consumo di energia, un modulo LTE può finire di trasmettere dati più velocemente e tornare in modalità di riposo, utilizzando complessivamente meno energia.

Nonostante potenzialmente un minor consumo di energia per byte, il grande consumo massimo di energia del modulo LTE ha altri costi. È richiesta un'alimentazione più grande, che aumenterà il costo dei componenti sulla scheda, la dimensione della scheda e potenzialmente la batteria o la fonte di alimentazione per il dispositivo per gestire la corrente.

Quale modulo cellulare utilizzare?

Dopo molte ricerche per il mio progetto di tracker LTE, il uBlox SARA R410 ha soddisfatto al meglio le mie esigenze; tuttavia, potrebbe non essere il modulo cellulare perfetto per le esigenze del tuo progetto. Ecco alcune alternative degne di nota, in nessun ordine particolare:

Bande/Protocolli Cellulari

Il 3GPP (3rd Generation Partnership Project) è l'organismo responsabile dello sviluppo di nuove specifiche tecniche per le reti cellulari. Il loro lavoro viene poi incorporato negli standard da numerosi comitati nazionali e internazionali.

Se leggi tutte le specifiche e il materiale creato dal 3GPP in dettaglio, difficilmente menzionerai terminologie di marketing spesso esagerate come 4G, 4.5G e 5G. Il team del 3GPP lavora con un approccio sorprendentemente sobrio e umile, considerando che gran parte della tecnologia moderna è costruita sulle loro spalle. Le uniche linee guida che offrono sull'argomento sono le seguenti:

• 1G: Prima tecnologia di telefonia wireless basata sull'analogico. Pensate ai film di Wall Street degli anni '80 e ai telefoni-mattone.
• 2G: Tecnologia degli anni '90, GSM/GPRS, EDGE, SMS e servizi dati. Ancora ampiamente adottata da noi addetti ai lavori nel settore elettronico, questa è decisamente una tecnologia legacy.
• 3G: Miglioramenti rispetto alle tecnologie GPRS e EDGE esistenti, miglioramento delle velocità di trasmissione dati, approccio orientato ai pacchetti.
• 3.5-4G: Include LTE, LTE Advanced e LTE Advanced Pro. Questa è la generazione più comunemente adottata dai dispositivi moderni e dagli operatori.
• 5G: L'ultima generazione, che sta appena iniziando ad essere implementata nelle nazioni più ricche del mondo, copre un numero significativo di innovazioni ed è fortemente pubblicizzata.

Attualmente, l'ultima release 3GPP congelata è la Release 15 (approvata nel 2017), mentre la Release 16 e la Release 17 sono ancora in lavorazione. Le specifiche 3G e 4G rientrano per lo più nello standard LTE. LTE divide i dispositivi in categorie basate sulla velocità di trasmissione dati allocata, numero di release, configurazione MIMO e altri parametri.

Le Categorie da 1 a 5 sono quelle originali - risalenti alla Release 8 del 2006, e coprono da circa 10 Mbit a 300 Mbit. La Release 10 e la Release 11 hanno espanso la velocità massima raggiungibile a 4 Gbit attraverso le categorie da 6 a 12.

Più interessante per noi è ciò che hanno fatto le Release 12 e 13. La prima ha introdotto CAT-0 con una velocità massima di 1 Mbit e un consumo di energia ridotto. La seconda è scesa a 0,68 Mbit ma ha abilitato la creazione di dispositivi con un consumo di energia ultra-basso, competendo con protocolli come SigFox e LoRa, oltre a consentire una durata della batteria di 10 anni con una singola batteria primaria al litio.

Se hai bisogno di una durata della batteria di 10 anni, hai poche alternative se non optare per IoT-NB, ma se i tuoi requisiti di potenza sono un po' più rilassati, allora CAT-M con un fallback a CAT-1 dovrebbe coprirti a livello mondiale. Fortunatamente, molte aziende offrono moduli LTE che supportano più protocolli, solitamente una combinazione di NB-IoT e CAT-M, a volte con un fallback a GPRS o CAT-1.

2G e 3G

Le reti 2G, del tipo spesso utilizzato nei dispositivi embedded legacy, offrono una velocità di connessione massima di 40 kbps, rendendo la connessione impraticabile per molte applicazioni moderne, come un'API web con molti dati di sensori o altri dati trasferiti. La bassa velocità influisce anche sul consumo di energia. Se invii 1 MByte di dati, devi mantenere il tuo modem 2G acceso per 3 minuti. Scegliendo un modem più veloce, puoi estendere il tempo di riposo il più possibile, risparmiando tempo ed energia della batteria.

Molti operatori di rete stanno deprezzando completamente il supporto 2G. È inutilizzato dalla stragrande maggioranza dei dispositivi mobili in uso oggi, e la domanda dei clienti è praticamente inesistente al di fuori delle aree rurali. La maggior parte delle applicazioni per smartphone non funzionerà con una connessione 2G poiché la velocità dei dati è troppo lenta e appare al software come se la rete non rispondesse. Il 3G sta rapidamente seguendo la strada del 2G per motivi molto simili. I dispositivi moderni richiedono un throughput più elevato di quello che il 3G può fornire, e sostenere questa tecnologia ha poco senso per un operatore moderno. Sebbene ci sia molto più supporto per il 3G nel mondo rispetto al 2G, i suoi giorni sono contati.

Categorie LTE

Molto presto, il livello minimo di capacità cellulari che sarà disponibile nella maggior parte del mondo sarà fornito dalle reti LTE. Ecco una breve descrizione delle diverse categorie LTE:

5G

Il 5G è molto diverso dalle categorie LTE sopra menzionate. Non solo aumenta le sue prestazioni e i requisiti, con supporto fino a 71GHz in frequenza, ma consente anche un numero massiccio di dispositivi. Il 5G pone le basi per una società più connessa attraverso le release 3GPP 15 a 17: comunicazione critica per la missione, API per sviluppare sulla tecnologia, connettività veicolare e ferroviaria, comunicazione ultra-affidabile, bassa latenza, reti private e persino reti non terrestri (NIN) e comunicazione satellitare. Il 5G quindi va più in alto, più in largo e anche più in piccolo attraverso il supporto esteso per dispositivi ultra-low power e implementazioni di ridotta complessità attraverso il suddetto protocollo NB-IoT.

Molte delle funzionalità ampiamente pubblicizzate del 5G risulteranno abbastanza inutili per le applicazioni embedded. L'enorme larghezza di banda sarà probabilmente difficile da sfruttare per un microcontrollore o microprocessore embedded. Le nuove bande ad alta frequenza limitano severamente la portata per accedere a una torre e, cosa più importante, i modem cellulari che supportano LTE sono stati rilasciati solo di recente. Saranno probabilmente necessari diversi anni prima che venga rilasciato un modem 5G di massa, a basso costo e di applicazione pratica per la maggior parte dei dispositivi IoT.

Negli ultimi 50 anni, i dispositivi embedded a cui noi ingegneri elettronici abbiamo accesso sono stati indietro di circa 20 anni rispetto all'industria IT consumer. Utilizziamo microcontrollori con una densità simile a quella di un CPU vecchia di 20 anni. I nostri sistemi Linux embedded di base hanno solitamente la potenza di un sistema dei primi anni 2000. Spesso utilizziamo ancora tecnologia degli anni 2000 nei nostri dispositivi per la comunicazione wireless (le reti GPRS di cui abbiamo parlato). È vero che i dispositivi che usiamo sono una frazione delle dimensioni e del costo della tecnologia di 20 anni fa. Solo negli ultimi anni abbiamo iniziato a vedere questa lacuna ridursi notevolmente, in parte grazie all'industria dei dispositivi portatili. L'enorme spinta dell'industria degli smartphone si trasferirà per fornire modem cellulari pre-certificati accessibili a noi nel prossimo futuro?

Caratteristiche LTE

Il 3GPP ha introdotto diverse caratteristiche che assicurano un consumo energetico significativamente inferiore nei prodotti Internet delle cose cellulari, specialmente per i prodotti che utilizzano il protocollo NB-IoT. Due caratteristiche importanti sono:

Modalità di risparmio energetico (PSM)

PSM o Modalità di Risparmio Energetico permette al dispositivo di andare in standby senza disconnettersi dalla rete. Anche se in questo periodo non è possibile scambiare dati, questa funzionalità elimina gli svantaggi tipici del sonno del modem, come la necessità di una connessione energivora per rientrare nella rete e i timeout dopo l'entrata in modalità sleep. Il dispositivo comunica alla rete le sue preferenze riguardo al tempo di sleep, ma è la rete a avere l'ultima parola.

Ricezione Discontinua Estesa (eDRX)

eDRX è un acronimo alquanto criptico per una funzionalità semplice. Quando attivata, il dispositivo può scegliere un periodo eDRX durante il quale non sarà in grado di ricevere messaggi ma solo di inviarli. Sebbene il risparmio energetico non sia profondo come con il PSM, permette al dispositivo di continuare a inviare dati ed è un compromesso interessante. È esteso in confronto ai periodi di un paio di secondi precedentemente consentiti per i dispositivi LTE.

Operatori IoT/M2M

Ecco una lista di operatori di reti SIM IoT, e anche se non forniamo alcuna approvazione, i seguenti, tra gli altri, si sono distinti costantemente nelle recensioni online:

• Things Mobile è probabilmente il fornitore M2M più famoso specificamente indirizzato verso l'IoT, essendo stato uno dei primi attori nel mercato cellulare IoT.
• 1NCE offre opzioni a prezzi attraenti con durata di 10 anni.
• Truphone è un operatore con sede nel Regno Unito che è presente sul mercato da molti anni e si rivolge alle imprese, avendo ora un ampio portafoglio IoT.
• Hologram offre estesi servizi cloud, un SDK Python e supporto integrato per i SBC Linux (Single-board computers). È tra i più semplici da iniziare a utilizzare.
• Twilio Narrowband è l'ultima offerta di Twilio, uno dei maggiori operatori VoIP ed email a livello mondiale, noto per essere estremamente amichevole verso gli sviluppatori.

Un modem cellulare è la scelta giusta per te?

Per applicazioni specifiche, una connessione cellulare potrebbe essere l'unico modo per trasmettere dati ai tuoi servizi web senza dover sviluppare un'ampia infrastruttura fisica e software. Fin dai primi giorni, la connessione cellulare si è accompagnata a modem grandi e a tassi di trasmissione dati terribili che consumavano molta energia per byte trasmesso. Detto ciò, se hai a disposizione una connessione WiFi e il dispositivo sarà sempre all'interno del raggio di connessione WiFi, è più semplice optare per il WiFi piuttosto che sviluppare un prodotto per l'internet delle cose cellulare. Non hai bisogno di gestire una scheda SIM e il contratto M2M che viene con essa - è un sacco di sovraccarico extra quando hai già una connessione utilizzabile.

Se il tuo dispositivo deve essere in movimento o in una località senza altre opzioni di rete, allora il cellulare potrebbe essere perfetto, purché ci sia copertura. Utilizzare un modem cellulare sarà più economico e veloce rispetto a quasi tutte le altre opzioni disponibili. Se stai lavorando su un dispositivo che sarà molto remoto, potresti dover considerare un servizio satellitare come backup al cellulare per garantire che i tuoi dati vengano inviati in tempo. La grande cosa dell'uso di un modem cellulare preconfezionato è che molte delle sfide EMC in un dispositivo mobile ad alta frequenza sono già risolte a livello di modem. Il tuo lavoro come progettista di PCB è disporre correttamente il resto della scheda intorno al modem, garantendo al contempo l'isolamento tra i diversi blocchi di circuito.

Quando sei pronto per creare un PCB per il tuo prodotto IoT cellulare, utilizza le funzionalità di design e layout di Altium Designer®. Quando sei pronto per la produzione della tua scheda, puoi condividere i dati del tuo progetto con il produttore tramite la piattaforma Altium 365®. Hai altre domande? Chiama un esperto di Altium.