Использование сотовых модулей для устройств и проектирования в области интернета вещей

По мере того как наш мир становится всё более связанным и ориентированным на данные, спрос на многие устройства переходит от периодической отправки или сбора данных к немедленной передаче в облачные сервисы. Это может представлять серьёзные вызовы, когда устройства выходят за пределы WiFi-сети вашего клиента, например, сенсоры на фермерских полях или в движении. Стоимость развертывания любого типа беспроводной сети на большом промышленном объекте или ферме может быть запретительной, не говоря уже о затратах на обслуживание и поддержку. Во многих случаях может даже не быть возможности развернуть беспроводную сеть, как, например, при работе с строительной техникой или транспортными средствами доставки.

В одном из моих недавних проектов мы разработали систему отслеживания/мониторинга с подключением через LTE, которая могла использоваться как устройство для отслеживания активов или сбора данных для предупредительного обслуживания. Продукты интернета вещей с сотовой связью, такие как проект трекера активов, ожидается, будут только набирать популярность по мере того, как больше устройств становятся умнее и генерируют больше данных, чем когда-либо прежде. Если вы хотите добавить сотовую связь в ваш следующий мобильный продукт, вот что вам нужно знать о сотовых сетях и о том, как они взаимодействуют с встроенными/мобильными устройствами.

Что такое Cellular IoT?

Если вы когда-либо задумывались о том, как добавить в свои IoT-продукты сотовые возможности, я подготовил окончательное руководство, которое вам понадобится, чтобы оставаться на переднем крае прогресса. Вот что я рассмотрю в этом руководстве:

1. Сотовые сервисы Интернета вещей
2. СИМ-карты
3. Сотовые модули
4. Сотовые диапазоны/протоколы
5. Операторы IoT/M2M
6. Подходит ли вам сотовый модем?

Сотовые сервисы Интернета вещей

Сотовые сети существуют на большей части суши мира и легко предоставляют лучшую и наиболее доступную наземную сеть для отправки ваших данных в облако, куда бы ваше устройство ни отправилось. Благодаря стандартизированным диапазонам и протоколам, мы можем поставить устройство в Нью-Йорк, США, Йорк, Великобритания, или даже Йорк в Австралии с сотовым модемом и знать, что оно сможет подключиться к нашим услугам без необходимости в новой инфраструктуре.

Хотя концепция устройств "Интернета вещей" относительно нова, использование сотовых сетей для машинного общения не является новой идеей. Если вы думаете об использовании сотовой связи для вашего устройства, возможно, вы беспокоитесь о стоимости, связанной с необходимостью подписаться на телефонный план или аналогичный контракт, только чтобы использовать небольшой объем данных. К счастью, вам не о чем беспокоиться! Там, где у вас есть операторы мобильной связи для вашего мобильного телефона, есть Машина к Машине (M2M) провайдеры для устройств.

Провайдеры M2M имеют несколько важных преимуществ перед типичным провайдером сотовой сети:

• Они, как правило, предоставляют доступ к сотням сетей по всему миру, а не только к своей собственной.
• Они обычно предлагают только данные или данные + SMS, так что вы не платите за дорогие голосовые и видео возможности.
• Вам обычно не нужен план или подписка, и они работают по системе оплаты по мере использования/предоплаты с долгим сроком действия кредитов.

Все крупные провайдеры подключения IoT, такие как Hologram или Truphone, либо уже предоставляют глобальное покрытие, либо находятся в процессе расширения своих сетей по всему миру. Они могут достичь этого, ведя переговоры с местными операторами от вашего имени и используя объединенные объемы данных своих клиентов. Это означает, что вы можете купить всего несколько мегабайт данных очень дешево, и у них может быть срок действия шесть месяцев или год, что идеально подходит для сбора периодических данных сенсоров. Предположим, у вас развернуто большое количество устройств. В этом случае поставщик M2M часто позволяет вам централизованно управлять всеми вашими SIM-картами и иметь общий лимит данных на аккаунт, а не на устройство, что может дополнительно снизить затраты и административные нагрузки.

В дополнение к централизованному управлению, многие провайдеры также предлагают API для удобного управления SIM-картами. Это позволяет вам легко предоставлять информацию и данные вашим клиентам через собственный портал. Правила автоматизации у большинства провайдеров позволяют вам автоматически получать уведомления о любых проблемах с вашими устройствами, что позволяет вам быть проактивными, вместо того чтобы ждать, когда ваши клиенты начнут спрашивать, почему их данные больше не собираются.

Для тестирования некоторые обычные мобильные операторы, такие как Three (по крайней мере, в некоторых странах), позволяют вам иметь SIM-карту без контракта, которую вы можете активировать и получить относительно большой объем месячных данных, по крайней мере, для приложений IoT, бесплатно каждый месяц - обычно около 200 МБ. Для пользователя с телефоном или планшетом это может позволить вам загружать Facebook раз в несколько дней в течение месяца, но для узла IoT, отправляющего сжатые текстовые данные, это может позволить отправлять тысячи показаний датчиков каждый день без каких-либо затрат.

SIM-карты

Обычно SIM-карты от стандартного провайдера не поставляются с техническим описанием; не говоря уже о указанном диапазоне рабочих температур или каких-либо промышленных/автомобильных квалификациях. С SIM-картами M2M вы можете получить карты с расширенным диапазоном температур, которые предлагают гарантированный срок службы 10 лет. Эти характеристики могут быть критически важны для успеха вашего устройства. Если ваше устройство находится на удаленной нефтяной вышке или в сельской местности, стоимость вызова техника или инженера на место может быть невероятно высокой, только чтобы заменить SIM-карту, стоимостью несколько долларов.

Точно так же, как и потребительские SIM-карты, они могут не быть рассчитаны на срок службы, превышающий 24-месячный контракт телефона. Если ваш продукт будет контролировать оборудование в суровых условиях, он может находиться там десятилетие без необходимости обслуживания, при условии подачи питания. В сочетании с качественным разъемом для SIM-карты, таким как те, что предлагают Würth, Molex и другие, вы можете быть уверены, что ваш продукт не потеряет связь, если SIM-карта выйдет из строя в вашем устройстве сотового Интернета вещей.

Встроенная SIM-карта (eSIM)

В качестве альтернативы использование встроенного модуля сотового модема, такого как SIM-карта (eSIM), позволяет значительно сэкономить место на плате. В то время как SIM-карта предназначена только для чтения, eSIM можно перезаписывать, и что еще лучше, ее можно монтировать на поверхность, как и любой другой компонент на вашей плате. Стоит отметить, что поддержка eSIM не так широко распространена, как для обычной SIM-карты. Однако большинство крупных сетей в развитых странах поддерживают их. Помимо экономии места на плате, использование eSIM для продуктов сотового Интернета вещей может принести значительную экономию затрат. Стоимость чипа eSIM обычно ниже, чем у SIM-карты плюс разъем, и позволяет значительно сэкономить на трудозатратах по ручной вставке SIM-карты в разъем. eSIM можно программировать автоматически во время процесса прожига и тестирования сборки вашего устройства.

Криптография

Есть некоторые захватывающие преимущества добавления SIM в ваши продукты, которые могут быть не очевидны. История SIM-карт тесно связана с умными картами, и многие микроконтроллеры, ориентированные на SIM, имеют обширную поддержку криптографии.

По этим причинам некоторые провайдеры сотового Интернета вещей, такие как Hologram, добавили интегрированное управление сертификатами, цепочку доверия, одноразовые токены и другие передовые функции безопасности в свои SIM-карты. Управление сертификатами - это не простая задача: тема чрезвычайно сложная, и малейшие ошибки могут иметь долгосрочные последствия для вашего бизнеса. Даже тогда, полезные криптографические библиотеки трудно найти для меньших микроконтроллеров. SIM-карты IoT могут стать первым шагом к более надежной и безопасной связи для ваших устройств.

Модули сотового IoT

С учетом сложностей сертификации сотовых операторов в дополнение к законам о соответствии электромагнитных излучателей и всему программированию, которое входит в создание сотового модуля, вы почти наверняка захотите использовать сотовый модуль. Где типичный предварительно сертифицированный радиомодуль дешевле в реализации до примерно 10 000 единиц по сравнению с самостоятельной разработкой и сертификацией, сотовый модуль, скорее всего, будет дешевле для производства более чем 100 000 единиц. К счастью, существуют некоторые фантастические, современные варианты.

Исторически сложилось, что сотовые модули были громоздкими, энергоемкими и ограниченными по возможностям. Популярный SIMCom SIM900, например, имеет размеры 24 на 24 мм (576 кв. мм), в то время как более современный uBlox SARA-R4, который я использовал в своем проекте, имеет размеры 16 на 26 мм (416 кв. мм), но предлагает значительно больше возможностей и гораздо более высокую пропускную способность. Благодаря использованию новых LTE-диапазонов, сотовый модуль uBlox обеспечивает более чем в четыре раза большие скорости передачи данных, чем SIM900. uBlox не использует заметно больше энергии для связи с сетью, чем SIM900, однако благодаря LTE и до 4 раз большей скорости передачи данных, отправка того же объема данных потенциально потребляет четверть энергии, что отлично сказывается на сроке службы батареи.

Сотовые модули все еще являются относительно большими потребителями энергии, несмотря на значительный прогресс в технологии за последние несколько лет. В отличие от этого, типичный модуль LoRaWAN использует всего 450 мВт энергии для передачи на максимальной мощности по сравнению с 2 Вт или более для модуля LTE. Однако модуль LTE будет автоматически передавать данные, используя гораздо меньшую мощность, если он находится ближе к сотовой вышке. В отличие от этого, модуль LoRa обычно программирован для использования фиксированного уровня мощности, и для включения функций автоматического снижения мощности передачи требуется больше разработки прошивки. Несмотря на кажущееся высокое потребление энергии, пропускная способность модуля LTE значительно выше, чем у модуля LoRaWAN. LoRA имеет максимальную скорость передачи данных 27 кбит/с, что почти в 15 раз медленнее максимальной пропускной способности модуля LTE. При потреблении энергии всего в четыре раза больше, модуль LTE может быстрее завершить передачу данных и перейти в режим сна, в целом используя меньше энергии.

Несмотря на потенциально меньшее потребление энергии на байт, большое максимальное потребление энергии модулем LTE действительно имеет другие издержки. Требуется более мощный источник питания, что увеличит стоимость компонентов на плате, размер платы и потенциально батареи или источника питания устройства для обеспечения необходимого тока.

Какой сотовый модуль использовать?

После множества исследований для моего проекта LTE трекера, uBlox SARA R410 наилучшим образом соответствовал моим требованиям; однако, он может не быть идеальным сотовым модулем для требований вашего проекта. Вот несколько заметных альтернатив без определенного порядка:

Сотовые диапазоны/протоколы

3GPP (Проект третьего поколения партнерства) - это организация, ответственная за разработку новых технических спецификаций для сотовых сетей. Их работа затем включается в стандарты множеством национальных и международных комитетов.

Если вы внимательно изучите все спецификации и материалы, созданные 3GPP, вы вряд ли часто встретите такие часто преувеличенные маркетинговые термины, как 4G, 4.5G и 5G. Команда 3GPP работает под освежающе трезвым и скромным подходом, учитывая, что на их плечах держится много современных технологий. Единственные рекомендации, которые они дают по этому вопросу, следующие:

• 1G: Первая аналоговая беспроводная телефонная технология. Вспомните фильмы о Уолл-стрит 80-х и телефоны-кирпичи.
• 2G: Технологии 1990-х, GSM/GPRS, EDGE, SMS и услуги передачи данных. По-прежнему широко используется в электронной промышленности, это в значительной степени устаревшая технология.
• 3G: Улучшения существующих технологий GPRS и EDGE, повышение скорости передачи данных, подход с приоритетом пакетов.
• 3.5-4G: Включает LTE, LTE Advanced и LTE Advanced Pro. Это наиболее широко используемое поколение современными устройствами и операторами.
• 5G: Последнее поколение, начинающее внедряться в самых богатых странах мира, охватывает значительное количество инноваций и активно продвигается на рынке.

На данный момент последний замороженный релиз 3GPP - это Релиз 15 (одобрен в 2017 году), в то время как Релиз 16 и Релиз 17 все еще находятся в разработке. Спецификации 3G и 4G в основном относятся к стандарту LTE. LTE делит устройства на категории на основе выделенной скорости передачи данных, номера релиза, конфигурации MIMO и других параметров.

Категории с 1 по 5 являются оригинальными - датируются Релизом 8 в 2006 году и охватывают скорость от около 10 Мбит до 300 Мбит. Релиз 10 и релиз 11 расширили максимально достижимую скорость до 4 Гбит через категории с 6 по 12.

Более интересно для нас то, что принесли Релизы 12 и 13. Первый ввел CAT-0 с максимальной скоростью 1 Мбит и сниженным энергопотреблением. Второй снизил скорость до 0.68 Мбит, но позволил создавать устройства с ультранизким энергопотреблением, конкурируя с протоколами вроде SigFox и LoRa, а также обеспечивая 10-летний срок службы батареи от одной литиевой первичной батареи.

Если вам нужен 10-летний срок службы батареи, у вас практически нет выбора, кроме как использовать IoT-NB, но если ваши требования к питанию немного более гибкие, то CAT-M с возможностью перехода на CAT-1 должен обеспечить вас на всемирном уровне. К счастью, многие компании предлагают LTE модули, поддерживающие несколько протоколов, обычно это комбинация NB-IoT и CAT-M, иногда с возможностью перехода на GPRS или CAT-1.

2G и 3G

2G сети, которые часто используются в устаревших встроенных устройствах, предлагают максимальную скорость соединения 40 кбит/с, что делает соединение непрактичным для многих современных приложений, таких как веб-API с большим количеством показаний датчиков или других передаваемых данных. Низкая скорость также влияет на потребление энергии. Если вы отправляете 1 МБайт данных, вам нужно держать ваш 2G модем включенным в течение 3 минут. Выбрав более быстрый модем, вы можете максимально увеличить время сна, экономя время и заряд батареи.

Многие операторы сети полностью отказываются от поддержки 2G. Она не используется подавляющим большинством мобильных устройств, используемых сегодня, и спрос со стороны клиентов практически отсутствует за исключением сельских районов. Большинство приложений для смартфонов не будут работать на 2G соединении, так как скорость передачи данных слишком низкая и для программного обеспечения это выглядит так, как будто сеть не отвечает. 3G быстро уходит по пути 2G по очень похожим причинам. Современные устройства требуют более высокой пропускной способности, чем может предоставить 3G, и поддержка этой технологии мало имеет смысла для современного оператора. Хотя поддержка 3G в мире гораздо шире, чем 2G, ее дни сочтены.

Категории LTE

Очень скоро минимальный уровень возможностей сотовой связи, который будет доступен в большинстве стран мира, будет обеспечиваться сетями LTE. Вот краткое описание различных категорий LTE:

5G

5G существенно отличается от вышеупомянутых категорий LTE. Он не только повышает свои характеристики и требования, поддерживая частоты до 71 ГГц, но также позволяет подключать огромное количество устройств. 5G заложил основу для более связанного общества через выпуски 3GPP 15-17: критически важная связь, API для разработки на основе технологии, связь для автомобилей и железных дорог, ультранадежная связь, низкая задержка, частные сети, а также Нетеррестрические сети (NIN) и спутниковая связь. Таким образом, 5G становится выше, шире и также меньше за счет расширенной поддержки устройств с ультранизким энергопотреблением и упрощенных реализаций через упомянутый протокол NB-IoT.

Многие из широко рекламируемых функций 5G окажутся довольно бесполезными для встраиваемых приложений. Огромная пропускная способность, скорее всего, будет представлять сложность для использования встроенным микроконтроллером или микропроцессором. Новые высокочастотные диапазоны серьезно ограничивают дальность доступа к вышке, и что наиболее важно - сотовые модемы, поддерживающие LTE, появились относительно недавно. Вероятно, пройдет несколько лет, прежде чем будет выпущен массово производимый, недорогой 5G модем практического применения для большинства устройств IoT.

За последние 50 лет встроенные устройства, к которым мы, инженеры-электронщики, имеем доступ, отставали от потребительской ИТ-индустрии примерно на 20 лет. Мы используем микроконтроллеры с плотностью, аналогичной 20-летнему ЦПУ. Наши базовые системы на Linux для встраиваемых систем обычно имеют мощность систем начала 2000-х годов. Мы все еще часто используем технологии 2000-х годов в наших устройствах для беспроводной связи (сети GPRS, о которых мы говорили). Нельзя отрицать, что устройства, которые мы используем, являются лишь долей размера и стоимости технологий 20-летней давности. Только за последние несколько лет мы начали видеть, что этот разрыв значительно сокращается, отчасти благодаря индустрии портативных устройств. Перейдет ли мощный импульс индустрии смартфонов к предоставлению нам в ближайшем будущем доступа к предварительно сертифицированным сотовым модемам?

Функции LTE

3GPP ввела несколько функций, которые обеспечивают значительно более низкое энергопотребление в продуктах для сотового Интернета вещей, особенно для продуктов, использующих протокол NB-IoT. Две важные функции:

Режим энергосбережения (PSM)

PSM или режим энергосбережения позволяет устройству находиться в спящем режиме, не отключаясь от сети. Хотя в это время обмен данными невозможен, данная функция устраняет недостатки типичного сна модема, такие как энергоемкое подключение к сети и тайм-ауты после перехода в спящий режим. Устройство сообщает сети свои предпочтения относительно времени сна, но последнее слово остается за сетью.

Расширенный разрыв приема (eDRX)

eDRX - это довольно загадочная аббревиатура для простой функции. Когда активирована, устройство может выбрать период eDRX, в течение которого оно не сможет получать сообщения, но только отправлять. Хотя экономия энергии не так велика, как при использовании PSM, это позволяет устройству продолжать отправку данных и является интересным компромиссом. Он расширен по сравнению с периодами в несколько секунд, ранее разрешенными для устройств LTE.

Операторы IoT/M2M

Вот список операторов сетей IoT SIM, и хотя мы не даем никаких рекомендаций, следующие, среди прочих, постоянно выделялись в онлайн-обзорах:

• Things Mobile вероятно, самый известный провайдер M2M, специально ориентированный на IoT, поскольку он был одним из первых на рынке сотовой связи IoT. 
• 1NCE предлагает привлекательные 10-летние опции.
• Truphone — это оператор из Великобритании, который много лет обслуживает предприятия и теперь имеет широкий портфель IoT.
• Hologram предлагает обширные облачные сервисы, SDK на Python и интегрированную поддержку для одноплатных компьютеров Linux (Single-board computers). Это один из самых простых вариантов для начала работы.
• Twilio Narrowband — это последнее предложение от Twilio, одного из крупнейших мировых операторов VoIP и электронной почты, известного своей особой дружелюбностью к разработчикам.

Подходит ли вам сотовый модем?

Для определенных приложений сотовая связь может быть единственным способом передачи данных обратно в ваши веб-сервисы без создания обширной физической и программной инфраструктуры. С самого начала сотовая связь ассоциировалась с большими модемами и ужасными скоростями передачи данных, которые потребляли много энергии на передачу каждого байта. Тем не менее, если у вас есть доступ к WiFi и устройство всегда будет находиться в пределах диапазона WiFi-соединения, проще использовать WiFi, чем создавать продукт для сотового интернета вещей. Вам не нужно управлять SIM-картой и контрактом M2M, который с этим связан - это много лишней нагрузки, когда у вас уже есть работоспособное соединение.

Если ваше устройство будет находиться в движении или в месте без других вариантов сетевого подключения, то сотовая связь может быть идеальным решением, при условии наличия покрытия. Использование сотового модема будет дешевле и быстрее почти любого другого доступного варианта. Если вы работаете над устройством, которое будет находиться в очень отдаленном месте, вам, возможно, придется рассмотреть возможность использования спутниковой службы в качестве резерва для сотовой связи, чтобы гарантировать своевременную отправку данных. Прекрасно то, что при использовании готового сотового модема многие проблемы с электромагнитной совместимостью (EMC) в высокочастотном мобильном устройстве уже решены на уровне модема. Ваша задача как разработчика печатной платы (PCB) - правильно спроектировать остальную часть платы вокруг модема, обеспечивая изоляцию между различными блоками схем.

Когда вы будете готовы создать печатную плату для вашего продукта сотового IoT, используйте функции проектирования и размещения в Altium Designer®. Когда вы будете готовы к производству вашей платы, вы можете поделиться данными вашего проекта с вашим производителем, используя платформу Altium 365®. Есть вопросы? Звоните эксперту из Altium.