Usando Módulos Celulares para Dispositivos e Design da Internet das Coisas

À medida que nosso mundo se torna cada vez mais conectado e orientado por dados, a demanda por muitos dispositivos tem se deslocado da submissão intermitente ou coleta de dados para o relatório imediato para serviços na nuvem. Isso pode apresentar alguns desafios sérios uma vez que os dispositivos ultrapassem a rede WiFi do seu cliente, como sensores em campos agrícolas ou em movimento. O custo de implantar uma rede sem fio de qualquer tipo em um grande local industrial ou fazenda pode ser proibitivo sem considerar os custos de manutenção e suporte. Em muitas situações, pode nem mesmo haver a opção de implantar uma rede sem fio, como ao trabalhar com equipamentos de construção ou veículos de entrega.

Em um dos meus projetos recentes, projetamos um sistema de rastreamento/monitoramento GPS conectado à LTE que poderia ser usado como um rastreador de ativos ou dispositivo de coleta de dados para manutenção preventiva. Produtos de internet das coisas celulares, como o projeto de rastreador de ativos, só são esperados para crescer em popularidade à medida que mais dispositivos se tornam mais inteligentes e geram mais dados do que nunca. Se você deseja adicionar comunicação celular ao seu próximo produto móvel, aqui está o que você precisa saber sobre redes celulares e como elas se interfaceiam com dispositivos embutidos/móveis.

O que é IoT Celular?

Se você já se perguntou como incluir capacidades celulares em seus produtos IoT, eu compilei o guia definitivo de que você precisará para permanecer na vanguarda. Aqui está o que abordarei neste guia:

1. Serviços de Internet das Coisas Celulares
2. Cartões SIM
3. Módulos Celulares
4. Bandas/Protocolos Celulares
5. Operadores IoT/M2M
6. Um Modem Celular é Adequado para Você?

Serviços de Internet das Coisas Celulares

As redes celulares existem em grande parte das massas terrestres do mundo e fornecem facilmente a melhor e mais acessível rede terrestre para enviar seus dados para a nuvem, onde quer que seu dispositivo vá. Graças às bandas e protocolos padronizados, podemos fornecer um dispositivo para Nova York, EUA, York, Reino Unido, ou até mesmo York na Austrália com um modem celular e saber que ele será capaz de conectar nossos serviços sem necessitar de nenhuma nova infraestrutura.

Embora o conceito de dispositivos da "Internet das Coisas" seja relativamente novo, usar redes celulares para comunicações entre máquinas não é um conceito novo. Se você está pensando em usar celular para o seu dispositivo, talvez esteja pensando no custo de ficar preso a um plano de telefone ou contrato similar apenas para usar uma pequena quantidade de dados. Felizmente, você não precisa se preocupar com isso! Onde você tem provedores de telefonia para o seu celular, você tem provedores de Máquina para Máquina (M2M) para dispositivos.

Os provedores M2M têm várias vantagens principais sobre um provedor de rede celular típico:

• Eles tendem a permitir acesso a centenas de redes em todo o mundo, em vez de apenas à sua própria.
• Eles são tipicamente apenas de dados ou dados + SMS, então você não paga por capacidades caras de voz e vídeo.
• Você geralmente não precisa de um plano ou assinatura, e eles são do tipo pague conforme o uso/pré-pago com longa validade dos créditos.

Todos os principais provedores de conectividade IoT, como Hologram ou Truphone, já estão fornecendo cobertura global ou estão no processo de expandir suas redes mundialmente. Eles conseguem isso negociando com os operadores locais em seu nome e aproveitando os volumes de dados acumulados de seus clientes. Isso significa que você pode comprar apenas alguns megabytes de dados por um preço muito baixo, e isso pode ter um tempo de expiração de seis meses ou um ano, o que é perfeito para coletar dados intermitentes de sensores. Suponha que você tenha um grande número de dispositivos implantados. Nesse caso, um fornecedor M2M frequentemente permitirá que você gerencie todos os seus cartões SIM centralmente e tenha uma franquia de dados por conta, em vez de por dispositivo, o que pode facilitar ainda mais os custos e os encargos administrativos.

Além do gerenciamento centralizado, muitos provedores também oferecem uma API para gerenciar facilmente os SIMs. Isso permite que você forneça facilmente informações e dados aos seus clientes por meio do seu próprio portal. Regras de automação com a maioria dos provedores permitem que você seja notificado automaticamente sobre quaisquer problemas com seus dispositivos, permitindo que você seja proativo em vez de esperar que seus clientes comecem a perguntar por que seus dados não estão mais sendo coletados.

Para testes, alguns provedores móveis regulares como a Three (pelo menos em alguns países) permitem que você tenha um cartão SIM sem contrato que você pode ativar e obter uma quantidade relativamente grande de dados mensais, pelo menos para aplicações IoT, gratuitamente a cada mês - tipicamente em torno de 200 MB. Para um usuário com um telefone ou tablet, isso pode permitir que você carregue o Facebook uma vez a cada poucos dias durante o mês, mas para um nó IoT enviando dados de texto comprimido, isso poderia permitir o envio de milhares de leituras de sensores todos os dias sem custo.

Cartões SIM

Tipicamente, cartões SIM de um provedor regular não vêm com uma ficha técnica; muito menos uma faixa de temperatura de serviço especificada ou quaisquer qualificações industriais/automotivas. Com cartões SIM M2M, você pode obter cartões com faixa de temperatura estendida que oferecem uma vida útil classificada de 10 anos. Essas classificações podem ser críticas para o sucesso do seu dispositivo. Se o seu dispositivo estiver em uma torre de petróleo remota ou em uma fazenda rural, o custo de ter um técnico ou engenheiro visitando o local poderia ser incrivelmente caro, apenas para substituir um cartão SIM que custa alguns dólares.

Da mesma forma, não se espera que cartões SIM de grau consumidor tenham uma vida útil além do contrato de 24 meses do telefone. Se o seu produto vai monitorar um equipamento em um ambiente hostil, ele pode ficar lá por uma década sem precisar de manutenção, desde que tenha fornecimento de energia. Emparelhado com um soquete de SIM card de alta qualidade, como os da Würth, Molex e outros, você pode ter certeza de que seu produto não perderá conectividade se o SIM card falhar no seu dispositivo de Internet das coisas celular.

Embedded SIM (eSIM)

Alternativamente, o uso de um módulo de modem celular embutido, como um cartão SIM (eSIM), economiza um espaço significativo na placa. Enquanto um cartão SIM é somente leitura, um eSIM é regravável e, melhor ainda, pode ser montado na superfície como qualquer outro componente na sua placa. Vale ressaltar que o suporte ao eSIM não é tão amplamente disponível quanto para um cartão SIM regular. No entanto, a maioria das grandes redes no mundo desenvolvido os suportará. Além de economizar espaço na placa, você também pode estar olhando para uma economia de custos significativa ao adotar um eSIM para produtos de Internet das coisas celulares. O custo de um chip eSIM é tipicamente menor do que um cartão SIM mais soquete e economiza consideravelmente no trabalho de inserir manualmente um cartão SIM em um soquete. O eSIM poderia ser programado automaticamente durante o processo de queima e teste da montagem do seu dispositivo.

Criptografia

Existem alguns benefícios empolgantes em adicionar um SIM aos seus produtos que podem estar ocultos. A história dos cartões SIM está profundamente entrelaçada com os cartões inteligentes, e numerosos microcontroladores orientados para SIM têm suporte extensivo à criptografia.

Por essas razões, alguns provedores de Internet das coisas (IoT) celular, como a Hologram, adicionaram gerenciamento integrado de certificados, cadeia de confiança, tokens únicos e outras funcionalidades avançadas de segurança em seus cartões SIM. Gerenciar certificados não é uma tarefa fácil: o tópico é extremamente complicado, e pequenos erros podem ter um impacto duradouro no seu negócio. Mesmo assim, bibliotecas criptográficas úteis são difíceis de encontrar para microcontroladores menores. Os SIMs de IoT podem ser o primeiro passo para comunicações mais robustas e seguras para seus dispositivos.

Módulos Celulares de IoT

Com as complexidades da certificação de operadoras celulares, além das leis de conformidade eletromagnética de radiadores intencionais e toda a programação que envolve a construção de um módulo celular, você quase certamente vai querer usar um módulo celular. Enquanto um módulo de rádio pré-certificado típico é mais barato de implementar até cerca de 10.000 unidades versus fazer o design e a certificação por conta própria, um módulo celular provavelmente será mais barato do que uma abordagem faça-você-mesmo para bem mais de 100.000 unidades fabricadas. Felizmente, existem algumas opções modernas e fantásticas disponíveis.

Historicamente, os módulos celulares têm sido volumosos, com grande consumo de energia e limitados em capacidades. O popular SIMCom SIM900, por exemplo, tem 24 por 24mm (576 mm²), enquanto o mais moderno uBlox SARA-R4, que usei em meu projeto, é 16 por 26mm (416 mm²) e oferece significativamente mais capacidades e uma largura de banda muito maior. Ao tirar vantagem das novas bandas LTE, o módulo celular uBlox fornece taxas de dados mais de quatro vezes maiores que o SIM900. O uBlox não usa apreciavelmente mais energia para se comunicar com a rede do que o SIM900, no entanto, com até 4 vezes a taxa de dados graças ao LTE, enviar a mesma quantidade de dados potencialmente consome um quarto da energia, o que é ótimo para a vida útil da bateria.

Módulos celulares ainda são consumidores relativamente altos de energia, apesar do grande progresso na tecnologia nos últimos anos. Em contraste, um típico módulo LoRaWAN usa apenas 450 mW de potência para transmitir em sua potência máxima comparado a 2 W ou mais para um módulo LTE. No entanto, o módulo LTE transmitirá automaticamente usando muito menos energia se estiver mais próximo de uma torre celular. Em contraste, o módulo LoRa será tipicamente programado para usar um nível de potência fixo, e mais desenvolvimento de firmware é necessário para incluir recursos automáticos de redução de potência de transmissão. Apesar do consumo de energia aparentemente alto, a taxa de transferência de um módulo LTE é muito maior do que a de um módulo LoRaWAN. LoRA tem uma taxa de dados máxima de 27 kbps, quase 15 vezes mais lenta que a taxa de transferência máxima de um módulo LTE. Com apenas quatro vezes o consumo de energia, um módulo LTE pode terminar de transmitir dados mais rápido e voltar a dormir, usando, no geral, menos energia.

Apesar de potencialmente usar menos energia por byte, o grande consumo máximo de energia do módulo LTE tem outros custos. Uma fonte de alimentação maior é necessária, o que aumentará o custo dos componentes na placa, o tamanho da placa e potencialmente a bateria ou fonte de energia do dispositivo para lidar com a corrente.

Qual Módulo Celular Usar?

Após muita pesquisa para o meu projeto de rastreador LTE, o uBlox SARA R410 atendeu melhor às minhas necessidades; no entanto, ele pode não ser o módulo celular perfeito para os requisitos do seu projeto. Aqui estão algumas alternativas notáveis, sem ordem específica:

Bandas/Protocolos Celulares

O 3GPP (3rd Generation Partnership Project) é o órgão responsável por desenvolver novas especificações técnicas para redes celulares. Seu trabalho é então incorporado em padrões por diversos comitês nacionais e internacionais.

Se você ler todas as especificações e materiais criados pelo 3GPP em profundidade, dificilmente mencionará terminologias de marketing muitas vezes superestimadas, como 4G, 4.5G e 5G. A equipe do 3GPP trabalha sob uma abordagem refrescantemente sóbria e humilde, considerando que grande parte da tecnologia moderna é construída sobre seus ombros. As únicas diretrizes que eles oferecem sobre o assunto são as seguintes:

• 1G: Primeira tecnologia de telefone sem fio baseada em analógico. Pense nos filmes de Wall Street dos anos 80 e nos tijolões telefônicos.
• 2G: Tecnologia dos anos 1990, GSM/GPRS, EDGE, SMS e serviços de dados. Ainda amplamente adotada por nós, pessoas da indústria eletrônica, esta é definitivamente uma tecnologia legada.
• 3G: Melhorias sobre as tecnologias GPRS e EDGE existentes, melhoria das taxas de dados, abordagem primeiro os pacotes.
• 3.5-4G: Inclui LTE, LTE Advanced e LTE Advanced Pro. Esta é a geração mais comumente adotada por dispositivos modernos e operadoras.
• 5G: A última geração, que está apenas começando a ser implementada nas nações mais ricas do mundo, abrange um número significativo de inovações e está sendo fortemente comercializada.

Atualmente, o último lançamento 3GPP congelado é o Release 15 (aprovado em 2017), enquanto o Release 16 e o Release 17 ainda estão em andamento. As especificações 3G e 4G caem principalmente sob o padrão LTE. O LTE divide os dispositivos em categorias baseadas na taxa de dados alocada, número do lançamento, configuração MIMO e outros parâmetros.

As Categorias 1 a 5 são as originais - datando do Release 8 em 2006, e cobrindo de cerca de 10 Mbit a 300 Mbit. O Release 10 e o release 11 expandiram a velocidade máxima alcançável em 4 Gbit através das categorias 6 a 12.

Mais interessante para nós é o que as Versões 12 e 13 fizeram. A primeira introduziu o CAT-0 com uma velocidade máxima de 1 Mbit e redução do consumo de energia. A última reduziu para 0.68 Mbit, mas possibilitou a criação de dispositivos com consumo de energia ultra-baixo, competindo com protocolos como SigFox e LoRa, além de permitir uma vida útil de bateria de 10 anos com uma única bateria primária de lítio.

Se você precisa da vida útil da bateria de 10 anos, tem pouca escolha a não ser optar pelo IoT-NB, mas se seus requisitos de energia são um pouco mais relaxados, então o CAT-M com uma opção de fallback para CAT-1 deve cobrir você mundialmente. Felizmente, muitas empresas oferecem módulos LTE que suportam múltiplos protocolos, geralmente uma combinação de NB-IoT e CAT-M, às vezes com um fallback para GPRS ou CAT-1.

2G e 3G

As redes 2G, do tipo frequentemente utilizado em dispositivos embarcados legados, oferecem uma velocidade máxima de conexão de 40 kbps, tornando a conexão impraticável para muitas aplicações modernas, como uma API da web com muitas leituras de sensores ou outros dados sendo transferidos. A baixa velocidade também prejudica o consumo de energia. Se você enviar 1 MByte de dados, precisa manter seu modem 2G ligado por 3 minutos. Escolhendo um modem mais rápido, você pode estender o tempo de repouso o máximo possível, economizando tempo e energia da bateria.

Muitos operadores de rede estão depreciando completamente o suporte ao 2G. Ele é inutilizado pela grande maioria dos dispositivos móveis em uso hoje, e a demanda do cliente é praticamente inexistente fora das áreas rurais. A maioria das aplicações para smartphones não funcionará em uma conexão 2G, pois a taxa de dados é muito lenta e parece para o software como se a rede não estivesse respondendo. O 3G está rapidamente seguindo o caminho do 2G por razões muito semelhantes. Dispositivos modernos requerem uma taxa de transferência maior do que o 3G pode fornecer, e dar suporte a essa tecnologia faz pouco sentido para uma operadora moderna. Embora haja muito mais suporte para o 3G ao redor do mundo do que para o 2G, seus dias estão contados.

Categorias LTE

Muito em breve, o nível mínimo de capacidades celulares que estará disponível na maioria do mundo será fornecido por redes LTE. Aqui está uma breve descrição das diferentes categorias LTE:

5G

5G é bastante diferente das categorias LTE acima. Ele não apenas aumenta seu desempenho e requisitos, com suporte para até 71GHz em frequência, mas também permite um número massivo de dispositivos. O 5G prepara o terreno para uma sociedade mais conectada através das liberações 3GPP 15 a 17: Comunicação crítica para missões, API para construir sobre a tecnologia, conectividade veicular e ferroviária, comunicação ultraconfiável, baixa latência, redes privadas e até Redes Não-Terrestres (NIN) e comunicação via satélite. Assim, o 5G vai mais alto, mais amplo e também menor através do suporte estendido para dispositivos de ultra-baixo consumo e implementações de complexidade reduzida através do protocolo NB-IoT mencionado anteriormente.

Muitas das funcionalidades amplamente divulgadas do 5G vão ser bastante inúteis para aplicações embarcadas. A enorme largura de banda provavelmente será um desafio para um microcontrolador ou microprocessador embarcado tirar proveito. As novas faixas de alta frequência limitam severamente o alcance para acessar uma torre, e o mais importante - modems celulares que suportam LTE só foram lançados relativamente recentemente. Provavelmente, serão necessários vários anos antes que um modem 5G de baixo custo e produzido em massa, de aplicação prática para a maioria dos dispositivos IoT, seja lançado.

Nos últimos 50 anos, os dispositivos embutidos aos quais nós, engenheiros eletrônicos, temos acesso ficaram cerca de 20 anos atrás da indústria de TI de consumo. Usamos microcontroladores com uma densidade semelhante à de um CPU de 20 anos atrás. Nossos sistemas básicos embutidos em Linux geralmente têm a potência de um sistema do início dos anos 2000. Ainda costumamos usar tecnologia dos anos 2000 em nossos dispositivos para comunicação sem fio (as redes GPRS sobre as quais falamos). Admitidamente, os dispositivos que usamos são uma fração do tamanho e do custo da tecnologia de 20 anos atrás. Apenas nos últimos anos, começamos a ver essa lacuna ser significativamente reduzida, parcialmente devido à indústria de dispositivos portáteis. A enorme força motriz da indústria de smartphones irá se espalhar para nos fornecer modems celulares pré-certificados acessíveis num futuro próximo?

Recursos LTE

A 3GPP introduziu vários recursos que garantem que o consumo de energia seja significativamente menor em produtos de Internet das coisas celulares, especialmente para produtos que usam o protocolo NB-IoT. Duas características importantes são:

Modo de Economia de Energia (PSM)

PSM ou Modo de Economia de Energia permite que o dispositivo durma sem se desconectar da rede. Embora não seja possível trocar dados durante esse período, o recurso elimina desvantagens do sono do modem típico, como o handshake que consome muita energia para reingressar na rede e os tempos de espera após entrar em modo de espera. O dispositivo comunica sua preferência em relação ao tempo de sono para a rede, mas ela tem a última palavra.

Recepção Descontínua Estendida (eDRX)

eDRX é uma sigla um tanto críptica para um recurso simples. Quando ativado, o dispositivo pode escolher um período eDRX durante o qual não poderá receber mensagens, mas apenas enviar. Embora a economia de energia não seja tão profunda quanto com o PSM, permite que o dispositivo continue enviando dados e seja um compromisso interessante. É estendido em comparação aos períodos de alguns segundos anteriormente permitidos para dispositivos LTE.

Operadores IoT/M2M

Aqui está uma lista de operadores de rede SIM IoT, e embora não ofereçamos nenhum endosso, os seguintes, entre outros, se destacaram consistentemente em avaliações online:

• Things Mobile é provavelmente o provedor M2M mais famoso especificamente voltado para IoT, pois foi um dos primeiros a entrar no mercado celular IoT.
• 1NCE oferece opções de 10 anos com preços atrativos.
• A Truphone é uma operadora sediada no Reino Unido que está no mercado há muitos anos atendendo a empresas e agora possui um amplo portfólio de IoT.
• Hologram vem com extensos serviços na nuvem, um SDK Python e suporte integrado para SBCs Linux (Computadores de placa única). É um dos mais fáceis de começar a usar.
• Twilio Narrowband é a mais recente oferta da Twilio, uma das maiores operadoras de VoIP e e-mail do mundo, conhecida por ser extremamente amigável para desenvolvedores.

Um Modem Celular é Adequado para Você?

Para aplicações específicas, uma conexão celular pode ser a única maneira de você enviar dados de volta para seus serviços web sem construir uma infraestrutura física e de software extensa. Desde os primeiros dias, a tecnologia celular veio com modems grandes e taxas de dados terríveis que consumiam muita energia por byte transmitido. Dito isso, se você tem uma conexão WiFi disponível e o dispositivo sempre estará dentro do alcance da conexão WiFi, é mais fácil optar pelo WiFi em vez de construir um produto de Internet das coisas celular. Você não precisa gerenciar um cartão SIM e o contrato M2M que vem com ele - é muito mais trabalho extra quando você já tem uma conexão utilizável.

Se o seu dispositivo vai estar em movimento ou em um local sem outras opções de rede, então o celular pode ser perfeito, desde que haja cobertura. Usar um modem celular será mais barato e rápido do que quase qualquer outra opção disponível. Se você está trabalhando em um dispositivo que estará muito remoto, talvez precise considerar um serviço de satélite como backup para o celular, para garantir que seus dados sejam enviados a tempo. O grande benefício de usar um modem celular pré-embalado é que muitos dos desafios de EMC em um dispositivo móvel de alta frequência já estão resolvidos no nível do modem. Seu trabalho como designer de PCB é dispor corretamente o resto da placa ao redor do modem, garantindo isolamento entre os diferentes blocos de circuito.

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