Wykorzystanie modułów komórkowych w urządzeniach i projektowaniu Internetu Rzeczy

W miarę jak nasz świat staje się coraz bardziej połączony i oparty na danych, zapotrzebowanie na wiele urządzeń przesuwa się z okazjonalnego przesyłania lub zbierania danych na natychmiastowe raportowanie do usług w chmurze. Może to stanowić poważne wyzwania, gdy urządzenia wyjdą poza sieć WiFi klienta, na przykład czujniki na polach uprawnych lub w ruchu. Koszt wdrożenia sieci bezprzewodowej jakiegokolwiek rodzaju na dużym obszarze przemysłowym lub farmie może być zbyt wysoki, nie biorąc pod uwagę kosztów utrzymania i wsparcia. W wielu sytuacjach może nawet nie być opcji wdrożenia sieci bezprzewodowej, na przykład przy pracy z maszynami budowlanymi lub pojazdami dostawczymi.

W jednym z moich ostatnich projektów zaprojektowaliśmy system śledzenia/monitorowania GPS połączony z LTE, który mógł być używany jako urządzenie do śledzenia majątku lub zbierania danych do profilaktycznej konserwacji. Produkty internetu rzeczy z łącznością komórkową, takie jak projekt śledzenia majątku, są oczekiwane do wzrostu popularności, ponieważ więcej urządzeń staje się inteligentniejszych i generuje więcej danych niż kiedykolwiek wcześniej. Jeśli chcesz dodać komunikację komórkową do swojego następnego produktu mobilnego, oto co musisz wiedzieć o sieciach komórkowych i jak łączą się one z urządzeniami wbudowanymi/mobilnymi.

Co to jest Cellular IoT?

Jeśli kiedykolwiek zastanawiałeś się, jak dodać możliwości komórkowe do swoich produktów IoT, przygotowałem ostateczny przewodnik, którego potrzebujesz, aby pozostać na ostrzu nowoczesnych technologii. Oto, co omówię w tym przewodniku:

1. Usługi komórkowe Internetu Rzeczy
2. Karty SIM
3. Moduły komórkowe
4. Zakresy/Protokoły komórkowe
5. Operatorzy IoT/M2M
6. Czy modem komórkowy jest odpowiedni dla Ciebie?

Usługi komórkowe Internetu Rzeczy

Sieci komórkowe istnieją na większości lądów świata i łatwo zapewniają najlepszą i najłatwiej dostępną naziemną sieć do wysyłania danych do chmury, gdziekolwiek Twoje urządzenie może się udać. Dzięki ustandaryzowanym zakresom i protokołom, możemy dostarczyć urządzenie do Nowego Jorku, USA, Yorku, Wielkiej Brytanii, czy nawet Yorku w Australii z modemem komórkowym i wiedzieć, że będzie ono mogło połączyć się z naszymi usługami bez potrzeby tworzenia nowej infrastruktury.

Chociaż koncepcja urządzeń "Internetu Rzeczy" jest stosunkowo nowa, wykorzystanie sieci komórkowych do komunikacji maszynowej nie jest nowym pomysłem. Jeśli myślisz o użyciu sieci komórkowej dla swojego urządzenia, możesz zastanawiać się nad kosztami związanymi z koniecznością związania się planem telefonicznym lub podobnym kontraktem, tylko po to, aby używać niewielkiej ilości danych. Na szczęście nie musisz się tym martwić! Tam, gdzie masz dostawców usług telefonicznych dla swojego telefonu komórkowego, masz dostawców Machine to Machine (M2M) dla urządzeń.

Dostawcy M2M mają kilka głównych zalet w porównaniu z typowym dostawcą sieci komórkowej:

• Zazwyczaj pozwalają na dostęp do setek sieci na całym świecie, a nie tylko do własnej.
• Zwykle oferują tylko dane lub dane + SMS, więc nie płacisz za drogie możliwości głosowe i wideo.
• Zazwyczaj nie potrzebujesz planu ani subskrypcji, a są one na zasadzie płacenia za zużycie / prepaid z długim terminem ważności kredytów.

Wszyscy główni dostawcy łączności IoT, tacy jak Hologram czy Truphone, albo już zapewniają globalny zasięg, albo są w trakcie rozszerzania swoich sieci na cały świat. Mogą to osiągnąć, negocjując w Twoim imieniu z lokalnymi operatorami i wykorzystując skumulowane wolumeny danych swoich klientów. Oznacza to, że możesz kupić tylko kilka megabajtów danych bardzo tanio, i mogą one mieć termin ważności sześciu miesięcy lub roku, co jest idealne do zbierania sporadycznych danych z czujników. Zakładając, że masz rozmieszczone dużą liczbę urządzeń, dostawca M2M często pozwoli Ci zarządzać wszystkimi swoimi kartami SIM centralnie i mieć przydział danych na konto zamiast na urządzenie, co może dodatkowo obniżyć koszty i zmniejszyć obciążenie administracyjne.

Oprócz centralnego zarządzania, wielu dostawców oferuje również API do łatwego zarządzania kartami SIM. Pozwala to łatwo dostarczać informacje i dane swoim klientom za pośrednictwem własnego portalu. Reguły automatyzacji u większości dostawców pozwalają automatycznie otrzymywać powiadomienia o wszelkich problemach z urządzeniami, co pozwala działać proaktywnie, zamiast czekać, aż klienci zaczną pytać, dlaczego ich dane nie są już zbierane.

W celu testowania, niektórzy zwykli operatorzy telefonii komórkowej, tak jak Three (przynajmniej w niektórych krajach), pozwalają na posiadanie karty SIM bez umowy, którą można aktywować i otrzymać stosunkowo dużą ilość danych miesięcznie, przynajmniej dla aplikacji IoT, za darmo - zazwyczaj około 200 MB. Dla użytkownika z telefonem lub tabletem, może to pozwolić na załadowanie Facebooka raz na kilka dni przez miesiąc, ale dla węzła IoT wysyłającego skompresowane dane tekstowe, może to umożliwić wysyłanie tysięcy odczytów czujników każdego dnia bez żadnych kosztów.

Karty SIM

Zazwyczaj karty SIM od zwykłego dostawcy nie są dostarczane z kartą danych technicznych; nie wspominając o określonym zakresie temperatury pracy czy jakichkolwiek kwalifikacjach przemysłowych/automobilowych. Z kartami SIM M2M, możesz uzyskać karty z rozszerzonym zakresem temperatur, które oferują ocenioną żywotność na 10 lat. Te oceny mogą być kluczowe dla sukcesu twojego urządzenia. Jeśli twoje urządzenie znajduje się na odległej wieży wiertniczej lub na wiejskim gospodarstwie, koszt wysłania technika czy inżyniera na miejsce może być niesamowicie wysoki, tylko po to, by wymienić kartę SIM, która kosztuje kilka dolarów.

Podobnie, karty SIM klasy konsumenckiej mogą nie być przewidziane do użytku poza 24-miesięczną umową na telefon. Jeśli Twój produkt ma monitorować urządzenie w trudnych warunkach, może się tam znajdować przez dekadę bez potrzeby serwisowania, pod warunkiem dostarczenia zasilania. W połączeniu z wysokiej jakości gniazdem karty SIM, takim jak te od Würth, Molex i innych, możesz być pewien, że Twój produkt nie straci łączności, jeśli karta SIM zawiedzie w Twoim urządzeniu z Internetu rzeczy (IoT) wykorzystującym połączenie komórkowe.

Wbudowana karta SIM (eSIM)

Alternatywnie, użycie wbudowanego modułu modemu komórkowego, takiego jak karta SIM (eSIM), pozwala zaoszczędzić znaczną ilość miejsca na płytce. Podczas gdy karta SIM jest tylko do odczytu, eSIM można przeprogramować i, co więcej, montować powierzchniowo jak każdy inny komponent na płytce. Warto zauważyć, że wsparcie dla eSIM nie jest tak szeroko dostępne jak dla zwykłej karty SIM. Jednak większość głównych sieci w rozwiniętym świecie będzie je wspierać. Oprócz oszczędności miejsca na płytce, decydując się na eSIM dla produktów związanych z Internetem rzeczy wykorzystujących łączność komórkową, możesz również liczyć na znaczne oszczędności kosztów. Cena chipa eSIM jest zazwyczaj niższa niż karty SIM plus gniazdo i pozwala zaoszczędzić znacznie na pracy związanej z ręcznym wkładaniem karty SIM do gniazda. eSIM może być programowany automatycznie podczas procesu przypalania i testowania podczas montażu urządzenia.

Kryptografia

Istnieją pewne ekscytujące korzyści z dodania karty SIM do twoich produktów, które mogą być ukryte. Historia kart SIM jest ściśle powiązana z kartami inteligentnymi, a liczne mikrokontrolery zorientowane na SIM mają obszerną obsługę kryptograficzną.

Z tych powodów niektórzy dostawcy internetu rzeczy (IoT) dla sieci komórkowych, tacy jak Hologram, wprowadzili zintegrowane zarządzanie certyfikatami, łańcuch zaufania, jednorazowe tokeny oraz inne zaawansowane funkcje bezpieczeństwa w swoich kartach SIM. Zarządzanie certyfikatami to nie lada wyzwanie: temat jest niezwykle skomplikowany, a małe błędy mogą mieć długotrwały wpływ na Twoją firmę. Nawet wtedy, trudno jest znaleźć użyteczne biblioteki kryptograficzne dla mniejszych mikrokontrolerów. Karty SIM IoT mogą być pierwszym krokiem w kierunku bardziej solidnych, bezpieczniejszych komunikacji dla Twoich urządzeń.

Moduły IoT dla sieci komórkowych

Z uwagi na złożoność certyfikacji operatorów sieci komórkowych, przepisy dotyczące zgodności elektromagnetycznej urządzeń radiowych oraz całe programowanie, które wchodzi w skład budowy modułu komórkowego, prawie na pewno będziesz chciał użyć modułu komórkowego. Gdzie typowy, wcześniej certyfikowany moduł radiowy jest tańszy w implementacji do około 10 000 jednostek w porównaniu z samodzielnym projektowaniem i certyfikacją, moduł komórkowy prawdopodobnie będzie tańszy niż podejście zrób to sam dla dobrze ponad 100 000 wyprodukowanych jednostek. Na szczęście dostępne są fantastyczne, nowoczesne opcje.

Historycznie moduły komórkowe były masywne, energochłonne i ograniczone pod względem możliwości. Popularny SIMCom SIM900, na przykład, ma wymiary 24 na 24 mm (576 mm kw.), podczas gdy nowocześniejszy uBlox SARA-R4, którego użyłem w moim projekcie, ma wymiary 16 na 26 mm (416 mm kw.) i oferuje znacznie więcej możliwości oraz znacznie wyższą przepustowość. Korzystając z nowszych pasm LTE, moduł komórkowy uBlox zapewnia ponad czterokrotnie większe prędkości transmisji danych niż SIM900. uBlox nie zużywa znacząco więcej energii do komunikacji z siecią niż SIM900, jednak dzięki do nawet 4 razy większej prędkości danych dzięki LTE, wysyłanie tej samej ilości danych potencjalnie zużywa jedną czwartą energii, co jest świetne dla żywotności baterii.

Moduły komórkowe nadal zużywają stosunkowo dużo energii, pomimo wielkiego postępu w technologii w ciągu ostatnich kilku lat. W przeciwieństwie do tego, typowy moduł LoRaWAN zużywa tylko 450 mW mocy do transmisji na maksymalnej mocy w porównaniu do 2 W lub więcej dla modułu LTE. Jednakże moduł LTE automatycznie będzie transmitować używając znacznie mniejszej mocy, jeśli znajduje się bliżej wieży komórkowej. W przeciwieństwie, moduł LoRa zazwyczaj będzie zaprogramowany do używania ustalonego poziomu mocy, i potrzebny jest dodatkowy rozwój oprogramowania układowego, aby zawierać funkcje automatycznego zmniejszania mocy transmisji. Pomimo pozornie wysokiego zużycia energii, przepustowość modułu LTE jest znacznie większa niż modułu LoRaWAN. LoRA ma maksymalną szybkość transmisji danych 27 kbps, prawie 15 razy wolniej niż maksymalna przepustowość modułu LTE. Zużywając tylko cztery razy więcej mocy, moduł LTE może szybciej zakończyć transmisję danych i przejść w stan uśpienia, ogólnie zużywając mniej energii.

Pomimo potencjalnie mniejszego zużycia energii na bajt, duże maksymalne zużycie energii przez moduł LTE ma inne koszty. Wymagane jest większe źródło zasilania, co zwiększy koszt komponentów na płytce, rozmiar płytki, a potencjalnie także baterii lub źródła zasilania urządzenia, aby obsłużyć prąd.

Który moduł komórkowy wybrać?

Po wielu badaniach nad moim projektem trackera LTE, uBlox SARA R410 najlepiej spełnił moje wymagania; jednakże, może się okazać, że nie jest to idealny moduł komórkowy dla wymagań Twojego projektu. Oto kilka godnych uwagi alternatyw, bez szczególnego porządku:

Pasma/Protokoły komórkowe

3GPP (3rd Generation Partnership Project) to organ odpowiedzialny za rozwijanie nowych specyfikacji technicznych dla sieci komórkowych. Ich praca następnie jest włączana do standardów przez liczne krajowe i międzynarodowe komitety.

Jeśli przeczytasz wszystkie specyfikacje i materiały stworzone przez 3GPP dogłębnie, rzadko wspomnisz często nadużywane terminy marketingowe takie jak 4G, 4.5G i 5G. Zespół 3GPP pracuje w odświeżająco trzeźwy i skromny sposób, biorąc pod uwagę, że wiele nowoczesnych technologii jest zbudowanych na ich fundamencie. Jedynymi wytycznymi, które oferują na ten temat, są następujące:

• 1G: Pierwsza technologia bezprzewodowej telefonii oparta na analogu. Pomyśl o filmach z Wall Street z lat 80. i cegłówkach telefonicznych.
• 2G: Technologia lat 90., GSM/GPRS, EDGE, SMS i usługi danych. Nadal powszechnie przyjęta przez nas, ludzi z branży elektronicznej, jest zdecydowanie technologią dziedzictwa.
• 3G: Ulepszenia istniejących technologii GPRS i EDGE, poprawa szybkości transmisji danych, podejście oparte na pakietach.
• 3.5-4G: Obejmuje LTE, LTE Advanced i LTE Advanced Pro. Jest to najczęściej przyjmowana generacja przez nowoczesne urządzenia i operatorów.
• 5G: Najnowsza generacja, która dopiero zaczyna być wdrażana w najbogatszych krajach świata, obejmuje znaczną liczbę innowacji i jest intensywnie promowana.

Obecnie ostatni zamrożony wydanie 3GPP to Release 15 (zatwierdzony w 2017 roku), podczas gdy Release 16 i Release 17 są nadal w opracowaniu. Specyfikacje 3G i 4G w większości mieszczą się w standardzie LTE. LTE dzieli urządzenia na kategorie na podstawie przydzielonej szybkości transmisji danych, numeru wydania, konfiguracji MIMO i innych parametrów.

Kategorie od 1 do 5 są oryginalne - sięgające wydania 8 w 2006 roku i obejmujące od około 10 Mbit do 300 Mbit. Wydanie 10 i wydanie 11 rozszerzyły maksymalną osiągalną prędkość do 4 Gbit przez kategorie od 6 do 12.

Bardziej interesujące dla nas są to, co wprowadziły wydania 12 i 13. Pierwsze z nich wprowadziło CAT-0 z maksymalną prędkością 1 Mbit i zmniejszonym zużyciem energii. Drugie obniżyło prędkość do 0,68 Mbit, ale umożliwiło tworzenie urządzeń o ultra-niskim zużyciu energii, konkurujących z protokołami takimi jak SigFox i LoRa, a także umożliwiających 10-letni czas pracy na jednej baterii litowej.

Jeśli potrzebujesz 10-letniego czasu pracy baterii, masz niewiele wyboru i musisz wybrać IoT-NB, ale jeśli Twoje wymagania dotyczące energii są nieco łagodniejsze, wtedy CAT-M z opcją fallbacku CAT-1 powinno Cię obsłużyć na całym świecie. Na szczęście wiele firm oferuje moduły LTE wspierające wiele protokołów, zazwyczaj kombinację NB-IoT i CAT-M, czasami z fallbackiem GPRS lub CAT-1.

2G i 3G

Sieci 2G, często używane w starszych urządzeniach wbudowanych, oferują maksymalną prędkość połączenia 40 kbps, co czyni połączenie niepraktycznym dla wielu nowoczesnych aplikacji, takich jak web API z dużą ilością odczytów czujników lub innych przesyłanych danych. Niska prędkość wpływa również negatywnie na zużycie energii. Jeśli wysyłasz 1 MByte danych, musisz utrzymać modem 2G włączony przez 3 minuty. Wybierając szybszy modem, możesz maksymalnie wydłużyć czas uśpienia, oszczędzając czas i energię baterii.

Wiele operatorów sieci całkowicie wycofuje wsparcie dla 2G. Nie jest ono używane przez zdecydowaną większość mobilnych urządzeń używanych obecnie, a zapotrzebowanie klientów praktycznie nie istnieje poza obszarami wiejskimi. Większość aplikacji na smartfony nie będzie działać na połączeniu 2G, ponieważ prędkość danych jest zbyt niska i dla oprogramowania wygląda to, jakby sieć nie odpowiadała. 3G szybko odchodzi do lamusa z bardzo podobnych powodów. Nowoczesne urządzenia wymagają wyższej przepustowości niż może zapewnić 3G, a wspieranie tej technologii mało sensu dla nowoczesnego operatora. Chociaż wsparcie dla 3G na świecie jest znacznie większe niż dla 2G, jego dni są policzone.

Kategorie LTE

Bardzo niedługo minimalny poziom możliwości komórkowych, który będzie dostępny w większości świata, zostanie zapewniony przez sieci LTE. Oto krótki opis różnych kategorii LTE:

5G

5G znacznie różni się od wyżej wymienionych kategorii LTE. Nie tylko zwiększa swoją wydajność i wymagania, z wsparciem do 71GHz w częstotliwości, ale także pozwala na masową liczbę urządzeń. 5G przygotowuje grunt pod bardziej połączone społeczeństwo poprzez wydania 3GPP od 15 do 17: komunikację krytyczną, API do budowania na technologii, łączność pojazdową i kolejową, ultra-niezawodną komunikację, niską latencję, sieci prywatne, a nawet Sieci Nie-Terestrialne (NIN) i komunikację satelitarną. 5G idzie więc wyżej, szerzej, a także mniejsze poprzez rozszerzone wsparcie dla urządzeń o ultra-niskim zużyciu energii i uproszczone implementacje poprzez wspomniany protokół NB-IoT.

Wiele z intensywnie promowanych funkcji 5G będzie prawdopodobnie dość bezużytecznych dla zastosowań wbudowanych. Ogromna przepustowość może stanowić wyzwanie dla wbudowanego mikrokontrolera lub mikroprocesora, aby z niej skorzystać. Nowe pasma wysokich częstotliwości znacznie ograniczają zasięg dostępu do wieży, a co najważniejsze - modemy komórkowe obsługujące LTE zostały wprowadzone na rynek stosunkowo niedawno. Prawdopodobnie minie kilka lat, zanim zostanie wydany masowo produkowany, tani modem 5G o praktycznym zastosowaniu dla większości urządzeń IoT.

W ciągu ostatnich 50 lat, urządzenia wbudowane, do których dostęp mają inżynierowie elektronicy, pozostawały około 20 lat za branżą konsumencką IT. Używamy mikrokontrolerów o gęstości podobnej do 20-letnich CPU. Nasze podstawowe systemy wbudowane Linux mają zazwyczaj moc porównywalną z systemami z początku lat 2000. Nadal często stosujemy technologię z lat 2000. w naszych urządzeniach do komunikacji bezprzewodowej (sieci GPRS, o których mówiliśmy). Trzeba przyznać, że urządzenia, których używamy, są ułamkiem rozmiaru i kosztu technologii sprzed 20 lat. Dopiero w ostatnich latach zaczęliśmy obserwować znaczne zmniejszenie tej luki, częściowo dzięki branży urządzeń przenośnych. Czy ogromny napęd branży smartfonów spowoduje, że w niedalekiej przyszłości dostępne będą dla nas certyfikowane modemy komórkowe?

Funkcje LTE

3GPP wprowadziło kilka funkcji, które zapewniają znacznie niższe zużycie energii w produktach związanych z internetem rzeczy, szczególnie dla produktów wykorzystujących protokół NB-IoT. Dwie ważne funkcje to:

Tryb oszczędzania energii (PSM)

PSM, czyli tryb oszczędzania energii, pozwala urządzeniu przejść w stan uśpienia bez rozłączania się z siecią. Mimo że w tym czasie nie można wymieniać danych, funkcja ta eliminuje wady typowego uśpienia modemu, takie jak energochłonne ponowne łączenie się z siecią i limity czasu po wejściu w stan uśpienia. Urządzenie komunikuje sieci swoje preferencje dotyczące czasu uśpienia, ale to sieć ma ostatnie słowo.

Rozszerzone Przyjmowanie Dyskontynuacyjne (eDRX)

eDRX to nieco tajemniczy skrót dla prostej funkcji. Gdy jest aktywowany, urządzenie może wybrać okres eDRX, podczas którego nie będzie mogło odbierać wiadomości, ale tylko wysyłać. Chociaż oszczędności energii nie są tak duże jak w przypadku PSM, pozwala to urządzeniu na ciągłe wysyłanie danych i stanowi interesujący kompromis. Jest to rozszerzenie w porównaniu do wcześniej dozwolonych okresów kilku sekund dla urządzeń LTE.

Operatorzy IoT/M2M

Oto lista operatorów sieci IoT SIM, i chociaż nie udzielamy żadnych rekomendacji, następujący, między innymi, wyróżnili się w recenzjach internetowych:

• Things Mobile to prawdopodobnie najbardziej znany dostawca M2M specjalizujący się w IoT, jako jeden z pierwszych na rynku komórkowym IoT.
• 1NCE oferuje atrakcyjne cenowo opcje na 10 lat.
• Truphone to brytyjski operator, który od wielu lat obsługuje przedsiębiorstwa i obecnie posiada szerokie portfolio w zakresie IoT.
• Hologram oferuje rozbudowane usługi w chmurze, Python SDK oraz zintegrowane wsparcie dla jednopłytkowych komputerów Linux (Single-board computers). To jedna z najłatwiejszych opcji, aby zacząć.
• Twilio Narrowband to najnowsza oferta od Twilio, jednego z największych operatorów VoIP i e-mail na świecie, znanego z tego, że jest niezwykle przyjazny dla programistów.

Czy modem komórkowy jest odpowiedni dla Ciebie?

Dla określonych aplikacji połączenie komórkowe może być jedynym sposobem na przesłanie danych do twoich usług internetowych bez budowania rozbudowanej infrastruktury fizycznej i programowej. Od początku istnienia, połączenia komórkowe wiązały się z dużymi modemami i okropnymi prędkościami transmisji danych, które były bardzo energochłonne na przesłany bajt. Mimo to, jeśli masz dostępne połączenie WiFi i urządzenie zawsze będzie w zasięgu tego połączenia, łatwiej jest użyć WiFi niż budować produkt internetu rzeczy z połączeniem komórkowym. Nie musisz zarządzać kartą SIM i kontraktem M2M, który się z tym wiąże - to dużo dodatkowego obciążenia, gdy już masz dostępne połączenie.

Jeśli twoje urządzenie będzie w ruchu lub w miejscu bez innych opcji sieciowych, to sieć komórkowa może być idealnym rozwiązaniem, pod warunkiem, że jest zasięg. Użycie modemu komórkowego będzie tańsze i szybsze niż prawie każda inna dostępna opcja. Jeśli pracujesz nad urządzeniem, które będzie znajdować się w bardzo odległym miejscu, możesz potrzebować rozważyć usługę satelitarną jako zapasową do sieci komórkowej, aby zapewnić terminowe przesyłanie danych. Wspaniałą rzeczą w używaniu gotowego modemu komórkowego jest to, że wiele wyzwań EMC w urządzeniu mobilnym o wysokiej częstotliwości jest już rozwiązanych na poziomie modemu. Twoim zadaniem jako projektanta PCB jest właściwe rozmieszczenie reszty płyty wokół modemu, zapewniając izolację między różnymi blokami obwodów.

Kiedy będziesz gotowy, aby stworzyć PCB dla swojego produktu IoT wykorzystującego sieć komórkową, użyj funkcji projektowania i układu w Altium Designer®. Kiedy będziesz gotowy do wyprodukowania swojej płyty, możesz udostępnić dane swojego projektu producentowi za pomocą platformy Altium 365®. Masz więcej pytań? Zadzwoń do eksperta z Altium.