Sử dụng Mô-đun Di động cho Thiết bị và Thiết kế Internet vạn vật

Mark Harris
|  Created: Tháng Mười 1, 2020  |  Updated: Tháng Mười 10, 2020
Thiết kế và thiết bị Internet vạn vật di động

Khi thế giới của chúng ta ngày càng kết nối và dựa vào dữ liệu hơn, nhu cầu đối với nhiều thiết bị đã chuyển từ việc gửi hoặc thu thập dữ liệu không thường xuyên sang báo cáo ngay lập tức cho các dịch vụ đám mây. Điều này có thể đặt ra một số thách thức nghiêm trọng khi các thiết bị vượt ra ngoài mạng WiFi của khách hàng, như cảm biến trên cánh đồng nông nghiệp hoặc đang di chuyển. Chi phí triển khai một mạng lưới không dây bất kỳ trên một khu công nghiệp lớn hoặc trang trại có thể rất cao nếu không tính đến chi phí bảo trì và hỗ trợ. Trong nhiều tình huống, có thể không có lựa chọn nào để triển khai mạng lưới không dây, như khi làm việc với thiết bị xây dựng hoặc xe cộ giao hàng.

Trong một dự án gần đây của tôi, chúng tôi đã thiết kế một hệ thống theo dõi/giám sát GPS kết nối LTE có thể được sử dụng như một thiết bị theo dõi tài sản hoặc thu thập dữ liệu bảo trì phòng ngừa. Các sản phẩm internet vạn vật di động như dự án theo dõi tài sản chỉ dự kiến sẽ ngày càng phổ biến khi nhiều thiết bị trở nên thông minh hơn và tạo ra nhiều dữ liệu hơn bao giờ hết. Nếu bạn muốn thêm giao tiếp di động vào sản phẩm di động tiếp theo của mình, đây là những gì bạn cần biết về mạng di động và cách chúng kết nối với thiết bị nhúng/di động.

IoT Di động là gì?

Nếu bạn từng tự hỏi làm thế nào để bổ sung khả năng di động vào sản phẩm IoT của mình, tôi đã biên soạn hướng dẫn đầy đủ nhất mà bạn cần để ở lại vị trí tiên phong. Dưới đây là những gì tôi sẽ đề cập trong hướng dẫn này:

  1. Dịch vụ Internet vạn vật di động
  2. Thẻ SIM
  3. Mô-đun di động
  4. Băng tần/Giao thức di động
  5. Nhà cung cấp dịch vụ IoT/M2M
  6. Liệu Mô-đun di động có phù hợp với bạn?

Dịch vụ Internet vạn vật di động

Mạng di động tồn tại khắp phần lớn lãnh thổ thế giới và dễ dàng cung cấp mạng lưới trên mặt đất tốt nhất và dễ tiếp cận nhất để gửi dữ liệu của bạn lên đám mây bất kể thiết bị của bạn đi đến đâu. Nhờ vào các băng tần và giao thức tiêu chuẩn, chúng ta có thể cung cấp một thiết bị cho New York, Mỹ, York, Anh, hoặc thậm chí York ở Úc với một mô-đun di động và biết rằng nó sẽ có thể kết nối dịch vụ của chúng ta mà không cần bất kỳ cơ sở hạ tầng mới nào.

Mặc dù khái niệm về thiết bị "Internet vạn vật" (IoT) còn khá mới, việc sử dụng mạng di động cho giao tiếp máy móc không phải là một ý tưởng mới. Nếu bạn đang nghĩ đến việc sử dụng mạng di động cho thiết bị của mình, có thể bạn sẽ lo lắng về chi phí khi phải ràng buộc vào một kế hoạch điện thoại hoặc hợp đồng tương tự chỉ để sử dụng một lượng dữ liệu nhỏ. May mắn thay, bạn không cần phải lo lắng về điều này! Nơi bạn có nhà cung cấp dịch vụ điện thoại cho điện thoại di động của mình, bạn có nhà cung cấp Máy tới Máy (M2M) cho thiết bị.

Nhà cung cấp M2M có một số ưu điểm lớn so với nhà cung cấp mạng di động thông thường:

  • Họ thường cho phép truy cập vào hàng trăm mạng trên toàn thế giới, thay vì chỉ mạng của riêng họ.
  • Họ thường chỉ cung cấp dữ liệu hoặc dữ liệu + SMS, vì vậy bạn không phải trả tiền cho các khả năng gọi điện và video đắt đỏ.
  • Bạn thường không cần một kế hoạch hoặc đăng ký, và họ có dịch vụ trả trước/tính tiền theo lượng sử dụng với thời hạn sử dụng dài cho các khoản tín dụng.

Tất cả các nhà cung cấp kết nối IoT lớn, như Hologram hay Truphone, đều đã cung cấp phủ sóng toàn cầu hoặc đang trong quá trình mở rộng mạng lưới trên toàn thế giới. Họ có thể thực hiện điều này bằng cách đàm phán với các nhà khai thác địa phương thay mặt bạn và tận dụng lượng dữ liệu tích lũy của khách hàng. Điều này có nghĩa là bạn chỉ cần mua một vài megabyte dữ liệu với giá rất rẻ, và nó có thể có thời hạn sử dụng là sáu tháng hoặc một năm, điều này rất hoàn hảo cho việc thu thập dữ liệu cảm biến định kỳ. Giả sử bạn có một số lượng lớn thiết bị được triển khai. Trong trường hợp đó, một nhà cung cấp M2M thường cho phép bạn quản lý tất cả các thẻ SIM của mình một cách trung tâm và có một lượng dữ liệu cho phép cho mỗi tài khoản thay vì mỗi thiết bị, điều này có thể giúp giảm bớt chi phí và gánh nặng hành chính.

Ngoài quản lý trung tâm, nhiều nhà cung cấp cũng cung cấp một API để dễ dàng quản lý SIM. Điều này cho phép bạn dễ dàng cung cấp thông tin và dữ liệu cho khách hàng của mình thông qua cổng thông tin của riêng bạn. Các quy tắc tự động hóa với hầu hết các nhà cung cấp cho phép bạn được thông báo tự động về bất kỳ vấn đề nào với thiết bị của mình, cho phép bạn chủ động thay vì chờ đợi khách hàng của mình bắt đầu hỏi tại sao dữ liệu của họ không còn được thu thập nữa.

Để kiểm tra, một số nhà cung cấp dịch vụ di động thông thường như Three (ít nhất là ở một số quốc gia) cho phép bạn sử dụng thẻ SIM không hợp đồng, có thể kích hoạt và nhận được một lượng dữ liệu hàng tháng tương đối lớn, ít nhất là cho các ứng dụng IoT, miễn phí mỗi tháng - thường là khoảng 200 MB. Đối với người dùng có điện thoại hoặc máy tính bảng, điều này có thể cho phép bạn tải Facebook mỗi vài ngày một lần trong tháng, nhưng đối với một nút IoT gửi dữ liệu văn bản nén, điều này có thể cho phép hàng nghìn lần đọc cảm biến được gửi mỗi ngày mà không tốn chi phí.

Thẻ SIM

Thông thường, thẻ SIM từ nhà cung cấp thông thường không đi kèm với bảng dữ liệu kỹ thuật; chưa kể đến một phạm vi nhiệt độ dịch vụ cụ thể hoặc bất kỳ tiêu chuẩn công nghiệp/ô tô nào. Với thẻ SIM M2M, bạn có thể nhận được thẻ có phạm vi nhiệt độ mở rộng, cung cấp tuổi thọ đánh giá là 10 năm. Những đánh giá này có thể rất quan trọng cho sự thành công của thiết bị của bạn. Nếu thiết bị của bạn đặt ở một giàn khoan dầu xa xôi hoặc một trang trại hẻo lánh, chi phí để có một kỹ thuật viên hoặc kỹ sư đến thăm địa điểm có thể cực kỳ đắt đỏ, chỉ để thay một thẻ SIM có giá vài đô la.

SIM cards for cellular internet of things devices
Thẻ SIM cho các thiết bị internet vạn vật di động.

Tương tự, thẻ SIM dành cho người tiêu dùng có thể không được kỳ vọng có tuổi thọ vượt quá hợp đồng 24 tháng của điện thoại. Nếu sản phẩm của bạn sẽ được sử dụng để giám sát một thiết bị trong môi trường khắc nghiệt, nó có thể ở đó trong một thập kỷ mà không cần bảo dưỡng miễn là nguồn điện được cung cấp. Kết hợp với một ổ cắm SIM card chất lượng cao như của Würth, Molex và các hãng khác, bạn có thể chắc chắn rằng sản phẩm của mình sẽ không mất kết nối nếu thẻ SIM trong thiết bị Internet vạn vật (IoT) di động của bạn gặp sự cố.

Thẻ SIM Nhúng (eSIM)

Ngược lại, việc sử dụng một mô-đun modem di động tích hợp như thẻ SIM (eSIM) giúp tiết kiệm đáng kể diện tích trên bảng mạch. Trong khi thẻ SIM chỉ có thể đọc, eSIM có thể được viết lại và quan trọng hơn, có thể lắp đặt trên bề mặt như bất kỳ linh kiện nào khác trên bảng mạch của bạn. Đáng chú ý là hỗ trợ eSIM không phổ biến như đối với thẻ SIM thông thường. Tuy nhiên, hầu hết các mạng lớn ở các nước phát triển sẽ hỗ trợ chúng. Ngoài việc tiết kiệm không gian trên bảng mạch, bạn cũng có thể nhìn thấy tiết kiệm chi phí đáng kể khi áp dụng eSIM cho các sản phẩm Internet vạn vật di động. Chi phí của một chip eSIM thường thấp hơn so với một thẻ SIM cộng với ổ cắm và tiết kiệm đáng kể về lao động khi phải chèn thẻ SIM vào ổ cắm một cách thủ công. eSIM có thể được lập trình tự động trong quá trình đốt cháy và kiểm tra của quá trình lắp ráp thiết bị của bạn.

Mật mã học

Có một số lợi ích thú vị khi thêm SIM vào sản phẩm của bạn có thể không được nhìn thấy rõ. Lịch sử của thẻ SIM gắn liền mật thiết với thẻ thông minh, và nhiều vi điều khiển hướng SIM có hỗ trợ mật mã học rộng rãi.

Vì những lý do này, một số nhà cung cấp Internet vạn vật qua mạng di động như Hologram đã bổ sung quản lý chứng chỉ tích hợp, chuỗi tin cậy, mã thông báo một lần và các tính năng bảo mật tiên tiến khác vào thẻ SIM của họ. Quản lý chứng chỉ không phải là công việc dễ dàng: chủ đề này cực kỳ phức tạp, và những sai lầm nhỏ có thể có ảnh hưởng lâu dài đến doanh nghiệp của bạn. Ngay cả khi đó, thư viện mã hóa hữu ích cũng khó tìm đối với các vi điều khiển nhỏ hơn. SIM IoT có thể là bước đệm đầu tiên vào giao tiếp an toàn hơn, mạnh mẽ hơn cho các thiết bị của bạn.

Mô-đun IoT Di Động

Với những phức tạp của việc chứng nhận nhà mạng di động cộng thêm luật tuân thủ điện từ phát xạ cố ý và tất cả công việc lập trình đi vào việc xây dựng một mô-đun di động, bạn hầu như chắc chắn sẽ muốn sử dụng một mô-đun di động. Trong khi một mô-đun radio đã được chứng nhận trước là rẻ hơn để triển khai cho đến khoảng 10.000 đơn vị so với việc tự thiết kế và chứng nhận, một mô-đun di động có khả năng sẽ rẻ hơn so với cách tiếp cận tự làm cho hơn 100.000 đơn vị sản xuất. May mắn thay, có một số lựa chọn hiện đại, tuyệt vời có sẵn.

Trong lịch sử, các mô-đun di động thường cồng kềnh, tiêu thụ nhiều năng lượng và hạn chế về khả năng. Ví dụ, SIMCom SIM900 phổ biến có kích thước là 24x24mm (576 mm vuông), trong khi mô-đun uBlox SARA-R4 hiện đại hơn mà tôi đã sử dụng trong dự án của mình là 16x26mm (416 mm vuông) nhưng lại cung cấp khả năng vượt trội hơn nhiều và băng thông cao hơn nhiều. Bằng cách tận dụng các băng tần LTE mới hơn, mô-đun di động uBlox cung cấp tốc độ dữ liệu cao hơn hơn bốn lần so với SIM900. uBlox không sử dụng năng lượng đáng kể hơn để giao tiếp với mạng so với SIM900, tuy nhiên với tốc độ dữ liệu lên đến 4 lần nhờ LTE, việc gửi cùng một lượng dữ liệu tiềm năng tiêu thụ chỉ một phần tư năng lượng, điều này rất tốt cho tuổi thọ pin.

Các mô-đun di động vẫn tiêu thụ năng lượng tương đối cao, mặc dù công nghệ đã có những bước tiến lớn trong những năm qua. Ngược lại, một mô-đun LoRaWAN tiêu thụ chỉ 450 mW năng lượng để truyền tải ở công suất tối đa so với 2 W hoặc hơn đối với một mô-đun LTE. Tuy nhiên, mô-đun LTE sẽ tự động truyền tải với công suất thấp hơn nhiều nếu nó gần hơn với một trạm gốc. Ngược lại, mô-đun LoRa thường được lập trình để sử dụng một mức công suất cố định, và cần phát triển firmware nhiều hơn để bao gồm các tính năng giảm công suất truyền tải tự động power reduction. Mặc dù tiêu thụ năng lượng cao, lưu lượng truyền tải của một mô-đun LTE lớn hơn nhiều so với một mô-đun LoRaWAN. LoRA có tốc độ dữ liệu tối đa là 27 kbps, gần như chậm hơn 15 lần so với lưu lượng truyền tải tối đa của một mô-đun LTE. Với chỉ bốn lần tiêu thụ năng lượng, một mô-đun LTE có thể hoàn thành việc truyền dữ liệu nhanh hơn và quay trở lại trạng thái chờ, tổng cộng sử dụng ít năng lượng hơn.

Lorawan cellular internet of things module
Mô-đun LoRaWAN này có thể sử dụng nhiều năng lượng tổng thể hơn so với một modem LTE thông thường và có kích thước lớn hơn.

Mặc dù có khả năng sử dụng ít năng lượng hơn cho mỗi byte, việc tiêu thụ năng lượng tối đa lớn của mô-đun LTE vẫn có những chi phí khác. Một nguồn cung cấp điện lớn hơn được yêu cầu, điều này sẽ làm tăng chi phí của các linh kiện trên bảng mạch, kích thước bảng mạch, và có thể là pin hoặc nguồn điện của thiết bị để xử lý dòng điện.

Sử dụng Module Di động nào?

Sau nhiều nghiên cứu cho dự án theo dõi LTE của tôi, uBlox SARA R410 phù hợp với yêu cầu của tôi nhất; tuy nhiên, nó có thể không phải là module di động hoàn hảo cho yêu cầu của dự án của bạn. Dưới đây là một số lựa chọn thay thế đáng chú ý không theo thứ tự cụ thể nào:

Module

Mô tả

SIM7000G Do SIMCom sản xuất, công ty đứng sau module nổi tiếng SIM900, cung cấp cả hỗ trợ NB-IoT và LTE-M trong một gói cực kỳ nhỏ gọn 14x12mm.
SIM7060G Cũng do SIMCom sản xuất, module này cung cấp GNSS (GPS + Glonass + Beidou) và NB-IoT trong cùng một gói nhỏ gọn, 24x24mm.
Type 1SC-DM Do muRata sản xuất, module này đầy đủ tính năng và có khả năng cung cấp chất lượng xuất sắc mà chúng ta đều mong đợi từ tất cả sản phẩm của họ.
EXS62-W Do Gemalto sản xuất, một trong những công ty hàng đầu thế giới trong ngành thanh toán di động, chắc chắn sẽ được tin cậy trong nhiều máy thanh toán POS thương mại.
nRF9160 Do Nordic sản xuất, mô-đun này có bộ SDK tuyệt vời, một bộ vi xử lý Arm Cortex-M33 đầy đủ tính năng, GPS, LTE-M và NB-IoT. Vì MCU được tích hợp với modem và SDK, đây là một trong những giải pháp dễ tiếp cận và mạnh mẽ nhất hỗ trợ cập nhật FOTA (Firmware Over The Air).

 

Băng tần/Quy định Di động

3GPP (Dự án Đối tác Thế hệ thứ 3) là cơ quan chịu trách nhiệm phát triển các thông số kỹ thuật mới cho mạng di động. Công việc của họ sau đó được tích hợp vào các tiêu chuẩn bởi nhiều ủy ban quốc gia và quốc tế.

Nếu bạn đọc tất cả các thông số kỹ thuật và tài liệu do 3GPP tạo ra một cách chi tiết, bạn sẽ hiếm khi nhắc đến các thuật ngữ tiếp thị thường được thổi phồng như 4G, 4.5G và 5G. Nhóm 3GPP làm việc với một cách tiếp cận khiêm tốn và mát mẻ đáng ngạc nhiên, xem xét rằng nhiều công nghệ hiện đại được xây dựng dựa trên nền tảng của họ. Hướng dẫn duy nhất mà họ cung cấp về chủ đề này là như sau:

  • 1G: Công nghệ điện thoại không dây dựa trên tương tự đầu tiên. Hãy nghĩ về các bộ phim Wall Street của thập niên 80 và những chiếc điện thoại "gạch".
  • 2G: Công nghệ thập niên 1990, GSM/GPRS, EDGE, SMS và dịch vụ dữ liệu. Vẫn được chúng tôi, những người trong ngành điện tử, áp dụng rộng rãi, đây thực sự là một công nghệ di sản.
  • 3G: Cải tiến so với công nghệ GPRS và EDGE hiện tại, cải thiện tốc độ dữ liệu, tiếp cận dựa trên gói dữ liệu.
  • 3.5-4G: Bao gồm LTE, LTE Advanced và LTE Advanced Pro. Đây là thế hệ được các thiết bị và nhà điều hành hiện đại áp dụng phổ biến nhất.
  • 5G: Thế hệ mới nhất, chỉ mới bắt đầu được triển khai ở các quốc gia giàu có nhất thế giới, bao gồm một số lượng lớn các đổi mới và đang được quảng cáo mạnh mẽ.

Hiện tại, bản phát hành 3GPP cuối cùng đã được đóng băng là Release 15 (được chấp thuận vào năm 2017), trong khi Release 16 và Release 17 vẫn đang được phát triển. Các thông số kỹ thuật 3G và 4G chủ yếu thuộc về tiêu chuẩn LTE. LTE phân loại các thiết bị dựa trên tốc độ dữ liệu được phân bổ, số bản phát hành, cấu hình MIMO và các tham số khác.

Các danh mục từ 1 đến 5 là những cái đầu tiên - có từ Release 8 vào năm 2006, và bao gồm từ khoảng 10 Mbit đến 300 Mbit. Release 10 và release 11 đã mở rộng tốc độ tối đa có thể đạt được ở 4 Gbit thông qua các danh mục từ 6 đến 12.

Điều thú vị hơn đối với chúng tôi là những gì các phiên bản 12 và 13 đã làm. Phiên bản trước đã giới thiệu CAT-0 với tốc độ tối đa 1 Mbit và giảm tiêu thụ năng lượng. Phiên bản sau giảm xuống còn 0.68 Mbit nhưng đã cho phép tạo ra các thiết bị với mức tiêu thụ năng lượng cực thấp, cạnh tranh với các giao thức như SigFox và LoRa, cũng như cho phép pin lithium đơn cell có thời gian sử dụng lên đến 10 năm.

Nếu bạn cần tuổi thọ pin 10 năm, bạn hầu như không có sự lựa chọn nào khác ngoài việc chọn IoT-NB, nhưng nếu yêu cầu về năng lượng của bạn có phần lỏng lẻo hơn, thì CAT-M với khả năng chuyển đổi sang CAT-1 sẽ đáp ứng được nhu cầu trên toàn cầu. May mắn thay, nhiều công ty cung cấp các mô-đun LTE hỗ trợ nhiều giao thức, thường là sự kết hợp giữa NB-IoT và CAT-M, đôi khi với khả năng chuyển đổi sang GPRS hoặc CAT-1.

2G và 3G

Mạng 2G, thường được sử dụng trong các thiết bị nhúng cũ, chỉ cung cấp tốc độ kết nối tối đa là 40 kbps, khiến việc kết nối trở nên không thực tế cho nhiều ứng dụng hiện đại, như một web API với nhiều dữ liệu cảm biến hoặc dữ liệu khác được truyền tải. Tốc độ thấp cũng ảnh hưởng đến việc tiêu thụ năng lượng. Nếu bạn gửi 1 MByte dữ liệu, bạn cần giữ modem 2G của mình hoạt động trong 3 phút. Bằng cách chọn một modem nhanh hơn, bạn có thể kéo dài thời gian ngủ càng nhiều càng tốt, tiết kiệm thời gian và năng lượng pin.

Nhiều nhà cung cấp mạng đang giảm hỗ trợ cho 2G hoàn toàn. Nó không được sử dụng bởi đại đa số các thiết bị di động hiện nay, và nhu cầu của khách hàng gần như không tồn tại ngoại trừ ở các khu vực nông thôn. Đa số các ứng dụng điện thoại thông minh sẽ không hoạt động trên kết nối 2G vì tốc độ dữ liệu quá chậm và xuất hiện với phần mềm như thể mạng không phản hồi. 3G đang nhanh chóng trở nên lỗi thời giống như 2G vì những lý do tương tự. Các thiết bị hiện đại yêu cầu băng thông cao hơn mà 3G không thể cung cấp, và việc hỗ trợ công nghệ này ít có ý nghĩa đối với một nhà mạng hiện đại. Mặc dù có nhiều hỗ trợ cho 3G trên toàn thế giới hơn là 2G, nhưng thời gian của nó đang dần kết thúc.

Các Hạng LTE

Rất sớm, mức độ tối thiểu của khả năng di động sẽ được cung cấp ở phần lớn thế giới bởi các mạng LTE. Dưới đây là một mô tả ngắn gọn về các loại LTE khác nhau:

Loại LTE

Phát hành 3GPP

Mô tả

LTE CAT-1 8 Phiên bản LTE CAT-1 được phát hành từ năm 2006 và là phiên bản gọn nhẹ của phiên bản chính thống của LTE. Nó sử dụng ít năng lượng và băng thông hơn, nhưng sự cải thiện không đáng kể. LTE CAT-1 là loại duy nhất phổ biến với phạm vi phủ sóng gần như toàn cầu.
LTE-M CAT 0 12 LTE-M CAT 0 đã bắt đầu đẩy mạnh cho các ứng dụng IoT, năm năm sau khi phát hành CAT 1. Nó cắt giảm tất cả các yêu cầu không cần thiết xung quanh tốc độ dữ liệu cao hơn và tối ưu hóa modem thành một thành phần đơn giản hơn, dễ sản xuất hơn và giá cả phải chăng hơn.
LTE-M CAT M1 (Còn gọi là CAT-M), CAT-M2 13 và 14 CAT M1 thúc đẩy việc giảm chi phí cho các thiết bị cuối cùng trong khi giảm đồng thời chi phí triển khai cho nhà cung cấp, được tương thích rộng rãi với các giao thức LTE trước đó.
LTE CAT NB1/NB2 (NB-IoT) 13 cho NB1, 14 cho NB2 LTE CAT NB1 và NB2, thường được gọi là NB-IoT, cuối cùng đã đạt được sự tương đồng về tính năng với các giao thức như SigFox và LoRa, thực hiện giấc mơ lâu dài về tuổi thọ pin 10 năm với một cell lithium đơn. Mặc dù việc triển khai công nghệ này vẫn mới chỉ bắt đầu, nhiều nhà khai thác đã đầu tư mạnh mẽ vào công nghệ, như AT&T tại Hoa Kỳ, Vodafone ở hơn 15 quốc gia, và China Mobile tại Trung Quốc.

 

5G

5G khá khác biệt so với các hạng mục LTE ở trên. Nó không chỉ tăng cường hiệu suất và yêu cầu, với sự hỗ trợ lên đến 71GHz về tần số mà còn cho phép một số lượng lớn thiết bị. 5G đặt nền móng cho một xã hội kết nối hơn thông qua các bản phát hành 3GPP từ 15 đến 17: Giao tiếp quan trọng với sứ mệnh, API để xây dựng trên công nghệ, kết nối xe cộ và đường sắt, giao tiếp cực kỳ đáng tin cậy, độ trễ thấp, mạng riêng, và thậm chí Mạng Không Giao Thông Trên Mặt Đất (NIN) và giao tiếp vệ tinh. 5G do đó đi xa hơn, rộng hơn, và cũng nhỏ hơn thông qua việc hỗ trợ mở rộng cho các thiết bị siêu tiết kiệm năng lượng và giảm phức tạp triển khai thông qua giao thức NB-IoT đã nêu.

Nhiều tính năng được quảng cáo rầm rộ của 5G có thể sẽ khá vô dụng cho các ứng dụng nhúng. Băng thông lớn có khả năng sẽ là một thách thức lớn đối với việc tận dụng bởi một vi điều khiển hoặc vi xử lý nhúng. Các băng tần tần số cao mới hạn chế nghiêm trọng phạm vi truy cập một trạm gốc, và quan trọng nhất - modem di động hỗ trợ LTE chỉ mới được ra mắt gần đây. Có lẽ sẽ mất vài năm trước khi một modem 5G giá rẻ, sản xuất hàng loạt, có ứng dụng thực tế cho hầu hết các thiết bị IoT được phát hành.

Trong 50 năm qua, các thiết bị nhúng mà chúng tôi, những kỹ sư điện tử, có quyền truy cập đã tụt hậu so với ngành công nghiệp IT tiêu dùng khoảng 20 năm. Chúng tôi sử dụng microcontroller với mật độ tương tự như CPU 20 năm trước. Hệ thống Linux nhúng cơ bản của chúng tôi thường có sức mạnh tương đương với hệ thống đầu những năm 2000. Chúng tôi vẫn thường xuyên sử dụng công nghệ từ những năm 2000 trong các thiết bị của mình cho việc giao tiếp không dây (mạng GPRS mà chúng tôi đã nói về). Phải thừa nhận rằng, các thiết bị mà chúng tôi sử dụng chỉ là một phần nhỏ về kích thước và chi phí so với công nghệ 20 năm trước. Chỉ trong vài năm qua, chúng tôi đã bắt đầu thấy khoảng cách này được giảm đáng kể, một phần do ngành công nghiệp thiết bị di động. Liệu ngành công nghiệp điện thoại thông minh với động lực lớn mạnh có thể chảy xuống cung cấp các modem di động đã được chứng nhận trước mà chúng tôi có thể tiếp cận trong tương lai gần không?

Tính năng LTE

3GPP đã giới thiệu một số tính năng đảm bảo rằng mức tiêu thụ năng lượng đáng kể thấp hơn trong các sản phẩm Internet vạn vật di động, đặc biệt là cho các sản phẩm sử dụng giao thức NB-IoT. Hai tính năng quan trọng là:

Chế độ Tiết Kiệm Năng Lượng (PSM)

Chế độ tiết kiệm năng lượng (PSM) cho phép thiết bị chuyển sang chế độ ngủ mà không ngắt kết nối với mạng. Mặc dù không có dữ liệu nào được trao đổi trong thời gian này, tính năng này loại bỏ nhược điểm của chế độ ngủ modem thông thường, như việc tiêu thụ năng lượng cao khi thực hiện bắt tay để kết nối lại mạng và thời gian chờ sau khi bắt đầu ngủ. Thiết bị thông báo cho mạng về sở thích thời gian ngủ của mình, nhưng mạng sẽ có quyết định cuối cùng.

Chế độ Nhận Dữ Liệu Gián Đoạn Mở Rộng (eDRX)

eDRX là một từ viết tắt hơi bí ẩn cho một tính năng đơn giản. Khi được kích hoạt, thiết bị có thể chọn một khoảng thời gian eDRX trong đó sẽ không thể nhận tin nhắn nhưng chỉ gửi. Mặc dù tiết kiệm năng lượng không sâu như với PSM, nó cho phép thiết bị tiếp tục gửi dữ liệu và là một sự thỏa hiệp thú vị. Nó được mở rộng so với các khoảng thời gian vài giây trước đây được cho phép đối với các thiết bị LTE.

Người Vận Hành IoT/M2M

Dưới đây là danh sách các nhà cung cấp mạng SIM IoT, và mặc dù chúng tôi không chứng thực bất kỳ nhà cung cấp nào, những nhà cung cấp sau đây, cùng với những nhà cung cấp khác, đã liên tục nổi bật trong các đánh giá trực tuyến:

  • Things Mobile có lẽ là nhà cung cấp M2M nổi tiếng nhất đặc biệt hướng đến IoT, vì nó là một trong những người tiên phong trên thị trường di động IoT. 
  • 1NCE cung cấp các lựa chọn 10 năm với giá cả hấp dẫn.
  • Truphone là một nhà cung cấp dịch vụ của Vương quốc Anh đã hoạt động nhiều năm, phục vụ cho các doanh nghiệp lớn và hiện tại có một danh mục đầu tư IoT rộng lớn.
  • Hologram đi kèm với các dịch vụ đám mây mở rộng, một SDK Python, và hỗ trợ tích hợp cho các SBC Linux (Máy tính bảng đơn). Đây là một trong những lựa chọn dễ dàng nhất để bắt đầu.
  • Twilio Narrowband là ưu đãi mới nhất từ Twilio, một trong những nhà cung cấp VoIP và email lớn nhất thế giới, nổi tiếng vì sự thân thiện với nhà phát triển.

Liệu Modem Di động Có Phải Là Lựa Chọn Đúng Đắn Cho Bạn?

Đối với các ứng dụng cụ thể, kết nối di động có thể là cách duy nhất bạn có thể gửi dữ liệu trở lại dịch vụ web của mình mà không cần xây dựng cơ sở hạ tầng vật lý và phần mềm rộng lớn. Từ những ngày đầu, kết nối di động đã đi kèm với các modem lớn và tốc độ dữ liệu kinh khủng, tiêu thụ năng lượng rất lớn cho mỗi byte được truyền. Tuy nhiên, nếu bạn có kết nối WiFi và thiết bị luôn nằm trong phạm vi kết nối WiFi, việc chọn WiFi thay vì xây dựng một sản phẩm Internet vạn vật di động sẽ dễ dàng hơn. Bạn không cần quản lý thẻ SIM và hợp đồng M2M đi kèm với nó - đó là một lượng công việc phụ trội lớn khi bạn đã có một kết nối có thể sử dụng được.

Nếu thiết bị của bạn sẽ di chuyển hoặc ở một vị trí không có các lựa chọn mạng khác, thì mạng di động có thể là lựa chọn hoàn hảo miễn là có sóng. Sử dụng modem di động sẽ rẻ hơn và nhanh hơn hầu hết các lựa chọn khác có sẵn. Nếu bạn đang làm việc trên một thiết bị sẽ ở rất xa xôi, bạn có thể cần xem xét dịch vụ vệ tinh làm phương án dự phòng cho mạng di động để đảm bảo dữ liệu của bạn được gửi đi đúng hạn. Điều tuyệt vời khi sử dụng modem di động đóng gói sẵn là nhiều thách thức EMC trong một thiết bị di động tần số cao đã được giải quyết ở cấp độ modem. Nhiệm vụ của bạn, với tư cách là một nhà thiết kế PCB, là sắp xếp phần còn lại của bảng mạch xung quanh modem một cách đúng đắn trong khi đảm bảo cách ly giữa các khối mạch khác nhau.

Khi bạn sẵn sàng tạo một PCB cho sản phẩm IoT di động của mình, hãy sử dụng các tính năng thiết kế và bố trí trong Altium Designer®. Khi bạn sẵn sàng sản xuất bảng mạch của mình, bạn có thể chia sẻ dữ liệu dự án với nhà sản xuất của mình sử dụng nền tảng Altium 365®. Có thêm câu hỏi? Hãy gọi cho chuyên gia tại Altium.

About Author

About Author

Mark Harris is an engineer's engineer, with over 16 years of diverse experience within the electronics industry, varying from aerospace and defense contracts to small product startups, hobbies and everything in between. Before moving to the United Kingdom, Mark was employed by one of the largest research organizations in Canada; every day brought a different project or challenge involving electronics, mechanics, and software. He also publishes the most extensive open source database library of components for Altium Designer called the Celestial Database Library. Mark has an affinity for open-source hardware and software and the innovative problem-solving required for the day-to-day challenges such projects offer. Electronics are passion; watching a product go from an idea to reality and start interacting with the world is a never-ending source of enjoyment. 

You can contact Mark directly at: mark@originalcircuit.com

Related Resources

Tài liệu kỹ thuật liên quan

Back to Home
Thank you, you are now subscribed to updates.