使用LTE Cat M1調(diào)制解調(diào)器降低物聯(lián)網(wǎng)無線連接的成本

移動健康監(jiān)控，遙感和智能城市等廣域物聯(lián)網(wǎng)應用的開發(fā)人員存在連接問題：藍牙，zigbee和Wi-Fi缺乏所需的范圍，而傳統(tǒng)的蜂窩無線電太昂貴，耗電量大，

為了解決這個問題，出現(xiàn)了另一種連接選項，LTE Cat M1蜂窩網(wǎng)絡。隨之而來的是易于使用，經(jīng)過認證的解決方案，可大大降低蜂窩連接的復雜性和成本，同時加快面向廣域，低功耗，低成本，遠程物聯(lián)網(wǎng)設計的上市時間。

其中一個解決方案是NimbeLink的NL-SW-LTE-SVZM20 Skywire LTE Cat-M1調(diào)制解調(diào)器。本文將介紹NL-SW-LTE_SVZM20以及如何開始設計和編程。

LTE Cat M1基礎

LTE類別M1是作為一種較便宜的替代品而創(chuàng)建的更傳統(tǒng)的LTE服務，如Cat 4，旨在支持100 Mbits/s的吞吐量。對于低功耗，低成本物聯(lián)網(wǎng)傳感應用，具有低占空比和數(shù)據(jù)速率需求的10或100千比特/秒，這顯然是過度的。在LTE標準的版本13中，3GPP（第三代合作伙伴計劃）定義了一類LTE技術，包括LTE Cat M1，數(shù)據(jù)速率低于300 Kbits/s。

這種較低的數(shù)據(jù)速率及其結果降低復雜性，更好地匹配物聯(lián)網(wǎng)設計要求，同時仍允許設計人員利用蜂窩無處不在和相對無干擾的許可頻段操作?，F(xiàn)在，遠程物聯(lián)網(wǎng)設備可以在單個電池上運行多年而無需更換或充電。

此外，LTE Cat M1提供足夠高的性能，物聯(lián)網(wǎng)設備可以快速傳輸數(shù)據(jù)突發(fā)并返回迅速向低功率狀態(tài)發(fā)展。此外，LTE Cat M1具有10 ms范圍內(nèi)的延遲，允許其在具有時間要求的物聯(lián)網(wǎng)應用中使用。

最后，LTE Cat M1支持支持預期增長所需的LTE語音（VoLTE）連接在物聯(lián)網(wǎng)應用中對基于語音的接口的需求，如健康和健身，零售，交通，建筑服務等等。

滿足LTE設計和認證挑戰(zhàn)

雖然它有明顯的優(yōu)勢，LTE連接確實存在多重挑戰(zhàn)。在設計層面，LTE芯片組仍然是相對復雜的設備，對優(yōu)化發(fā)射機和接收機信號路徑有著嚴格的要求。

制造商通過提供將芯片組與優(yōu)化的RF電路設計相結合的LTE模塊來解決這些問題，將系統(tǒng)接口要求（例如信號電壓轉(zhuǎn)換和緩沖）留給系統(tǒng)設計人員。 LTE調(diào)制解調(diào)器提供商滿足這些要求，其中包含模塊周圍的電路板，以及加速系統(tǒng)設計（如基于MCU的物聯(lián)網(wǎng)設備）集成所需的最終元件。

蜂窩解決方案的分層特性也可用于最終解決方案即使是精心設計的基于蜂窩的系統(tǒng)也可能停止生產(chǎn)的要求。開發(fā)人員需要通過認證測試來符合政府和運營商的要求，這些測試可能會為完成的設計增加數(shù)月和大量成本。缺乏適當認證的產(chǎn)品根本不允許進入運營商網(wǎng)絡。

在更高級別的蜂窩解決方案層次結構中，使用未經(jīng)認證的組件會增加這些成本。例如，使用缺乏運營商認證的芯片組的模塊制造商面臨著顯著更高的成本和延遲，因為認證實驗室填補了測試的空白。進一步的復雜化是因為僅從政府機構或僅從承運人那里獲得的認證不能確保從另一個機構獲得認證。例如，在美國，運營商通常會征收超出美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）規(guī)定的額外測試要求。

NimbeLink通過其NL-SW-LTE-SVZM20消除了這些設計和認證障礙Skywire LTE Cat-M1調(diào)制解調(diào)器。

使用隨時可用的調(diào)制解調(diào)器子系統(tǒng)進行快速開發(fā)

該調(diào)制解調(diào)器專為物聯(lián)網(wǎng)應用而設計，具有低功耗運行，同時支持LTE Cat M1 Verizon LTE頻段B4和B13的服務。 B4和B13分別在1700 MHz和750 MHz左右的中心頻率下工作，可以為鏈路預算相對較低的物聯(lián)網(wǎng)設備提供深度覆蓋。對于開發(fā)人員來說同樣重要的是，調(diào)制解調(diào)器已經(jīng)過終端設備的預認證，消除了與蜂窩認證相關的成本和延遲。與此同時，NimbeLink的Skywire調(diào)制解調(diào)器支持固件升級，使開發(fā)人員能夠在運營商網(wǎng)絡中部署新功能。

對于物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)人員，NimbeLink調(diào)制解調(diào)器將LTE Cat M1模塊與支持功能相結合，以提供完整的蜂窩子系統(tǒng)（圖1）。因此，開發(fā)人員使用簡單的系統(tǒng)集成接口，通過共享的UART硬件接口使用熟悉的“AT”命令將其基于MCU的系統(tǒng)功能性地連接到調(diào)制解調(diào)器。

圖1：NimbeLink NL-SW-LTE-SVZM20 Skywire LTE Cat-M1調(diào)制解調(diào)器結合了LTE Cat M1模塊的特性和功能簡化系統(tǒng)設計中的集成。 （圖片來源：NimbeLink）

物理設計集成同樣簡單。在調(diào)制解調(diào)器的29 x 33 x 10.5 mm占位面積內(nèi)，其I/O引腳布局符合行業(yè)標準XBee外形尺寸，允許設計人員將調(diào)制解調(diào)器與兼容板相結合。設計人員可以利用XBee兼容引腳排列，使用一對10針連接器（如Sullins Connector Solutions NPPN101BFCN-RC）將調(diào)制解調(diào)器連接到自己的主板上。 NimbeLink還提供了建議的占位面積，工程師可以使用它來將調(diào)制解調(diào)器焊接到其電路板上（圖2）。開發(fā)人員使用兼容LTE的天線（如Taoglas FXP400.07.0100A）完成物理集成。

圖2：NimbeLink NL-SW-LTE-SVZM20 Skywire LTE Cat M1調(diào)制解調(diào)器提供與XBee兼容的引腳接口，用于連接兼容板或使用此處顯示的封裝規(guī)格焊接到定制電路板。 （圖片來源：NimbeLink）

LTE子系統(tǒng)

NimbeLink通過其NL-M1DK開發(fā)套件演示了調(diào)制解調(diào)器的接口設計和系統(tǒng)集成的詳細信息。雖然開發(fā)板提供了完整的LTE Cat M1解決方案，但相關的原理圖說明了將調(diào)制解調(diào)器集成到定制系統(tǒng)設計中所需的簡單接口（圖3）。

圖3：NimbeLink提供了詳細的原理圖，用于將其NL-SW-LTE-SVZM20 Skywire LTE Cat-M1調(diào)制解調(diào)器連接到物聯(lián)網(wǎng)設計，包括MOSFET緩沖區(qū)和電流測量測試點。 （圖像來源：NimbeLink）

如示意圖所示，該模塊僅需要一些額外的組件即可將LTE Cat M1功能添加到基于MCU的設計中。除了少量電阻和電容外，NimbeLink還增加了一對ON Semiconductor FDV301N MOSFET緩沖器。 NimbeLink還在開發(fā)板上增加了一個SusumuRL1220S-R10-F表面貼裝電流檢測電阻，允許開發(fā)人員測量整個電路板J13連接器的調(diào)制解調(diào)器電流。

除了評估LTE Cat M1連接，開發(fā)人員還可以使用該電路板用于構建基本電池供電的物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)。該板包括一個圍繞德州儀器BQ25060DQCR構建的電池管理電路。因此，開發(fā)人員可以簡單地插入可充電電源，例如SparkFun Electronics PRT-13855 2 Ah @ 3.7伏（標稱）鋰電池，以獨立配置為電路板供電。板載LED和按鈕支持簡單的用戶界面，而電路板的Everlight Electronics PT15-21C/TR8封裝了光電晶體管和透鏡，可用作獨立的位置傳感器。

電路板的Sensirion SHT30-DIS -B溫度和濕度傳感器為物聯(lián)網(wǎng)設計評估提供了額外的數(shù)據(jù)源。 SHT30傳感器通過I 2 C接口連接到系統(tǒng)，該接口本身與調(diào)制解調(diào)器UART接口一起出現(xiàn)在單獨的板引腳上。最后，該板包含一個FTDI FT2232D IC，它提供了一個USB接口，用于連接開發(fā)系統(tǒng)。

開發(fā)人員只需連接提供的天線，電源線，USB線，就可以開始使用開發(fā)套件。并將NimbeLink NL-SIM-VER-M1 SIM卡插入調(diào)制解調(diào)器板的下側(cè)（圖4）。與使用蜂窩的任何移動設備一樣，開發(fā)人員還需要在運營商網(wǎng)絡上激活設備。在這種情況下，開發(fā)人員聯(lián)系NimbeLink支持，該支持通常在同一天執(zhí)行快速程序以激活Verizon網(wǎng)絡上的調(diào)制解調(diào)器。

圖4：NimbeLink NL-M1DK開發(fā)套件與NimbeLink NL-SW-LTE-SVZM20調(diào)制解調(diào)器結合使用，可提供完整的LTE Cat-M1連接子系統(tǒng)。 （圖像來源：NimbeLink）

連接后，設備在NimbeLink數(shù)據(jù)計劃上運行，使用Verizon網(wǎng)絡內(nèi)NimbeLink專用網(wǎng)絡內(nèi)的專用IP地址。結果，蜂窩連接設備無法從公共因特網(wǎng)上訪問，因為它只能將數(shù)據(jù)發(fā)送到因特網(wǎng)。之后，開發(fā)人員可以在Verizon網(wǎng)絡中的專用網(wǎng)絡中為生產(chǎn)設備配置靜態(tài)IP，以便通過Internet進行物聯(lián)網(wǎng)應用的雙向通信。無論是在NimbeLink專用網(wǎng)絡上運行還是在自己的網(wǎng)絡上運行，調(diào)制解調(diào)器都使用一組簡單的命令來提供連接服務。

網(wǎng)絡連接

開發(fā)人員使用一系列調(diào)制解調(diào)器與調(diào)制解調(diào)器進行交互AT命令，以交互方式或以編程方式提供。在開發(fā)過程中，工程師可以通過USB將電路板連接到主機系統(tǒng)，并使用PuTTY等主機終端程序發(fā)出AT命令，以便與調(diào)制解調(diào)器進行交互。

雖然創(chuàng)建適當?shù)腁T命令序列的任務是很簡單，NimbeLink消除了這個開發(fā)步驟。 NimbeLink的開源庫為開發(fā)人員提供了一系列腳本，其中包括執(zhí)行操作所需的特定AT命令，例如打開與蜂窩網(wǎng)絡的點對點協(xié)議（PPP）連接。這里，基本腳本提供AT命令，用于定義（CGDCONT）分組數(shù)據(jù)協(xié)議（PDP）類型和用戶訪問點名稱（APN），設置電話功能（FUN），附加到分組服務（CGATT）和執(zhí)行（CGDATA） ）PPP連接（清單1）。

在應用程序中，開發(fā)人員可以使用共享UART連接對IoT設備的MCU主機進行編程，以發(fā)送類似的AT命令流。建立PPP連接后，IoT設備將使用傳統(tǒng)的http Web協(xié)議或輕量級消息傳遞協(xié)議（如ISO標準消息隊列遙測傳輸（MQTT））與云服務器進行交互。反過來，IoT應用程序通常會在功能上使用此基本的PPP啟用MQTT，以使用傳輸層安全性（TLS）相互身份驗證與云建立安全連接。

IoT云

物聯(lián)網(wǎng)云平臺（如Amazon Web Services（AWS））支持此特定通信堆棧，同時提供額外的面向物聯(lián)網(wǎng)的服務。對于AWS，開發(fā)人員可以通過實現(xiàn)AWS IoT應用程序編程接口（API）的庫來訪問這些服務。例如，AWS IoT Embedded C庫包含演示用于構建自定義IoT應用程序的基本設計模式的示例程序。示例程序說明了與MQTT一起使用的基本發(fā)布/訂閱模型的實現(xiàn)。這里，示例顯示了開發(fā)人員如何使用該調(diào)用：

清單3：開發(fā)人員可以在Amazon Web Services（AWS）云上構建IoT應用程序，使用AWS IoT Embedded C庫（例如此MQTT消息結構）提供的樣本對其軟件進行建模。 （代碼來源：Amazon Web Services）

清單4：AWS IoT Embedded C庫中的示例軟件說明了關鍵設計模式，例如IoT設備可能用于的回調(diào)處理與訂閱的MQTT主題相關的異步數(shù)據(jù)。 （代碼來源：Amazon Web Services）

開發(fā)人員可以將AWS嵌入式C庫或類似的AWS IoT庫用于C ++，Java和Python等，以將IoT設備連接到AWS IoT平臺。在其物聯(lián)網(wǎng)平臺中，AWS提供諸如身份驗證，設備陰影和基于規(guī)則的激活等服務。一旦連接到AWS IoT平臺，應用程序就可以利用更全面的AWS云服務集來實現(xiàn)實時流，分析，監(jiān)控等。

結論

LTE Cat M1為越來越多的物聯(lián)網(wǎng)應用中的低功耗，廣域連接提供了越來越有吸引力的選擇。與早期的蜂窩技術不同，LTE Cat M1連接可以降低系統(tǒng)成本，功耗和復雜性，從而滿足物聯(lián)網(wǎng)吞吐量要求。使用NimbeLink調(diào)制解調(diào)器，開發(fā)人員可以快速實現(xiàn)LTE Cat M1連接，而無需額外的硬件設計或軟件開發(fā)。