基于4G LTE 模塊物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)設(shè)計(jì)

　　物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用（如遠(yuǎn)程感測(cè)和控制）的開發(fā)人員正在努力尋找最佳解決方案，以實(shí)現(xiàn)無處不在的遠(yuǎn)距離、低功耗、低成本無線通信。此外，還要滿足三個(gè)特別棘手的要求，即高可靠性、低延遲和最小干擾。雖然 5G 有望滿足這些條件，但設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在就可以使用 4G LTE 蜂窩網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)在未來一段時(shí)間內(nèi)將持續(xù)存在。

　　遠(yuǎn)程感測(cè)和控制應(yīng)用包括全球資產(chǎn)監(jiān)測(cè)和跟蹤、公用事業(yè)計(jì)量、工業(yè)機(jī)器連接，以及大型戶外工廠的預(yù)防性維護(hù)。后者包括煉油廠、化工廠和礦山、智能城市基礎(chǔ)設(shè)施、可穿戴設(shè)備和家庭醫(yī)療監(jiān)測(cè)，以及智能農(nóng)業(yè)。

　　雖然隨著各個(gè)供應(yīng)商在不同地區(qū)推出 5G 網(wǎng)絡(luò)，關(guān)于 5G 的討論很多，但在可預(yù)見的未來，4G 蜂窩通信仍將繼續(xù)占據(jù)主導(dǎo)地位。因此，開發(fā)人員在選擇物聯(lián)網(wǎng)射頻接口時(shí)需要采取務(wù)實(shí)的態(tài)度。這不只是選擇射頻模塊，還需要仔細(xì)考慮使蜂窩物聯(lián)網(wǎng)切實(shí)可行所需的生態(tài)系統(tǒng)。關(guān)鍵的生態(tài)系統(tǒng)要素包括所需的軟件堆棧、蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施，甚至是運(yùn)營(yíng)商流量套餐和計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，以確保物聯(lián)網(wǎng)使用實(shí)現(xiàn)全面的蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

　　本文將詳細(xì)介紹蜂窩物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，以及實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用所需的嵌入式技術(shù)。本文還將詳細(xì)討論最新硬件和軟件技術(shù)的使用，以及可幫助工程師針對(duì)上述各種應(yīng)用開發(fā)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的可用資源。另外，還將包括有關(guān)現(xiàn)有流量套餐的信息。

　　為什么不是 5G？

　　盡管 5G 網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)取得了很大進(jìn)展，但尚未完全確定。即使在標(biāo)準(zhǔn)最終確定時(shí)，也需要幾年時(shí)間才能建立和部署標(biāo)準(zhǔn)化的 5G 網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備。與此同時(shí)，4G LTE 網(wǎng)絡(luò)已自 2011 年開始投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，足以提供大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所需的性能和覆蓋范圍。

　　至少一項(xiàng)估計(jì)指出，4G LTE 網(wǎng)絡(luò)約占當(dāng)前全球蜂窩網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)的 40%，而較舊的 2G 和 3G 網(wǎng)絡(luò)各占市場(chǎng)的約 30%。即使到 2025 年，5G 的市場(chǎng)滲透率預(yù)計(jì)也不會(huì)超過 15%。有鑒于此，需要長(zhǎng)距離和低功耗物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員應(yīng)利用現(xiàn)有的蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施，并遵守 4G LTE 和更早的標(biāo)準(zhǔn)。這些標(biāo)準(zhǔn)不僅是現(xiàn)成的，而且還在不斷演進(jìn)以滿足物聯(lián)網(wǎng)的需求，就和 4G LTE 的情況一樣。

　　LTE 針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的演進(jìn)

　　LTE 標(biāo)準(zhǔn)的第三代合作伙伴計(jì)劃 （3GPP） 第 13 版為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用定義了新的 LTE 類別：類別 M1 （Cat-M1），以前稱為 eMTC（增強(qiáng)型機(jī)器類型通信）；和類別 NB1 （Cat-NB1），以前稱為窄帶物聯(lián)網(wǎng) （NB-IoT）。這些新類別通過支持更低功耗、更長(zhǎng)距離、更短延遲和更低成本，并通過使用許可頻帶實(shí)現(xiàn)最小干擾，來擴(kuò)展 LTE 的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

　　Cat-M1 定義了 1.4 MHz 信道寬度，上行鏈路吞吐量為 375 千比特每秒 （kbit/s），下行鏈路吞吐量為 300 kbit/s。Cat-NB1 定義了更窄的 200 千赫茲 （kHz） 信道寬度，吞吐量以每秒數(shù)十千比特來計(jì)。Cat-M1 延遲大約為 10 到 15 毫秒，而 Cat-NB1 延遲以秒來計(jì)，在某些部署方案中可能長(zhǎng)達(dá) 10 秒。

　　這種性能足以滿足許多物聯(lián)網(wǎng)感測(cè)應(yīng)用，例如抄表器、健康狀態(tài)監(jiān)護(hù)儀和高度移動(dòng)的健身應(yīng)用，這些應(yīng)用可以從長(zhǎng)覆蓋距離和無處不在的蜂窩通信中受益。在目前以及可預(yù)見的未來，沒有其他低功耗、廣域無線技術(shù)能夠像成熟的 4G LTE 網(wǎng)絡(luò)一樣，提供同等的可擴(kuò)展性、安全性和使用壽命。

　　連接到云

　　一些供應(yīng)商已經(jīng)提供了各種模塊，用于作為蜂窩數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器運(yùn)行，或者將蜂窩數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器集成到嵌入式開發(fā)平臺(tái)中。這些模塊通過 4G LTE（甚至更早的）蜂窩網(wǎng)絡(luò)將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接到云。但是，單獨(dú)的硬件模塊無法將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接到云，還需要適當(dāng)?shù)能浖?，以及與蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供商的托管連接。若沒有這三項(xiàng)，就無法連接。

　　在選擇蜂窩物聯(lián)網(wǎng)模塊時(shí)，是否配備應(yīng)用處理器，取決于項(xiàng)目的硬件設(shè)計(jì)是從頭開始，還是在現(xiàn)有嵌入式設(shè)計(jì)中添加蜂窩物聯(lián)網(wǎng)連接。下面簡(jiǎn)要概述了一些帶有和不帶板載應(yīng)用處理器的 4G LTE 蜂窩調(diào)制解調(diào)器模塊和 IC。

　　Sierra Wireless 的 AirPrime WP7702 低功耗廣域 （LPWA） 模塊將應(yīng)用處理子系統(tǒng)和蜂窩數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器，集成到尺寸為 22 x 23 x 2.5 毫米 （mm） 的小型封裝中。該模塊符合 3GPP 的第 13 版標(biāo)準(zhǔn)，并且采用 Cat-M1 和 Cat-NB1 協(xié)議。其峰值 Cat-M1 數(shù)據(jù)速率為下載 300 kbit/s，上傳 375 kbit/s；Cat-NB1 數(shù)據(jù)速率為下載 27 kbit/s，上傳 65 kbit/s。

　　為了與 AirPrime 射頻模塊配合使用，Sierra Wireless 提供了 Developer Studio 集成開發(fā)環(huán)境 （IDE）。此 IDE 構(gòu)建于 Eclipse Java IDE 之上，允許開發(fā)人員通過在 Windows、Linux 和 MacOS 主機(jī)上運(yùn)行的直觀圖形用戶界面 （GUI），使用 Legato 開源應(yīng)用程序框架創(chuàng)建應(yīng)用程序。該工具包含在設(shè)計(jì)周期的各個(gè)階段有用的實(shí)用程序和功能，以支持無線數(shù)據(jù)應(yīng)用的應(yīng)用程序軟件開發(fā)。

　　Legato 結(jié)合了基于 Linux 的 OS 發(fā)行版（在 WP7702 模塊的 1.3 千兆赫 （GHz） Arm? Cortex?-A7 集成處理器上運(yùn)行）、板級(jí)支持包 （BSP），以及在主機(jī) PC 上運(yùn)行的定制開發(fā)工具。Sierra Wireless 還提供 AirVantage 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，這是一個(gè)自助服務(wù)門戶，為一組 Sierra Wireless 蜂窩調(diào)制解調(diào)器提供連接和設(shè)備管理，這些調(diào)制解調(diào)器連接到全球許多不同的蜂窩網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商。這些運(yùn)營(yíng)商包括 AT&T、Verizon、NTT、Telstra、KT 和 SKT。AirVantage 還通過無線連接，自動(dòng)更新 Sierra Wireless 調(diào)制解調(diào)器的固件。

　　Talon Communications， Inc. 將 Sierra Wireless WP7702 模塊放在一張兼作開發(fā)平臺(tái)的載卡上。WP7702 模塊和載卡一起構(gòu)成了 mangOH Red? 評(píng)估板，該評(píng)估板具有用于蜂窩微型 SIM 卡（獲得運(yùn)營(yíng)商服務(wù)所必需）的板載插槽。mangOH Red 平臺(tái)將 WP7702 模塊的眾多接口引腳分接到各種連接器，包括三個(gè)天線連接器、兩個(gè)微型 USB 連接器、一個(gè)全尺寸 USB 主機(jī)端口、一個(gè)帶 I2C、SPI、UART 和 GPIO I/O 引腳的排針，以及一個(gè) 3.5 毫米立體聲音頻輸出插孔。

　　mangOH Red 的 USB 主機(jī)端口可將該開發(fā)平臺(tái)連接到主機(jī)計(jì)算機(jī)，以進(jìn)行軟件開發(fā)。加載適當(dāng)?shù)?Windows 驅(qū)動(dòng)程序，并安裝 Sierra Wireless 的 Legato Developer Studio，即可使用 WP7702 模塊完成相關(guān)設(shè)置，以進(jìn)行無線物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序開發(fā)。

　　u-blox 的 SARA-R410M-02B 是一款超小型 LTE Cat-M1 和 Cat-NB1 射頻收發(fā)器模塊，尺寸為 16 x 26 x 2.5 mm，采用 96 引腳 LGA 封裝。

　　該收發(fā)器模塊通過 USB 或 UART 接口連接到主機(jī)處理器，并由主處理器使用由 3GPP 定義的面向字符串的 AT 命令集來控制。SARA-R410M-02B 還配備 SIM 卡接口，用于識(shí)別運(yùn)營(yíng)商服務(wù)。

　　u-blox 的 EVK-R4 評(píng)估套件包含并分接了 u-blox SARA-R410M 模塊的 I/O 引腳。該套件提供了適當(dāng)?shù)倪B接器，用于將模塊連接到天線、電源和主機(jī)處理器；而且具有板載 SIM 卡座，可容納 GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）子卡。GNSS 設(shè)備通常會(huì)與蜂窩無線電配對(duì)，可用于跟蹤應(yīng)用。（有關(guān) GNSS 設(shè)備和模塊的更多信息，請(qǐng)參閱“使用 GNSS 模塊快速設(shè)計(jì)位置跟蹤系統(tǒng)”和“使用經(jīng)濟(jì)高效的 GNSS 模塊實(shí)現(xiàn)跟蹤應(yīng)用的快速采集和高精度”。）

　　圖 4：u-blox 的 EVK-R4 開發(fā)套件分接了 u-blox SARA-R410M 模塊的 I/O 引腳，以便于開發(fā)。（圖片來源：u-blox）

　　Hologram， Inc. 通過將 u-blox 的 SARA-R410M 模塊安裝在小型 USB 板上，開發(fā)出 HOL-NOVA-R410。此解決方案提供了一種快速方法，用于將 LTE Cat-M1 和 Cat-NB1 射頻收發(fā)器功能添加到配備 USB 端口的現(xiàn)有產(chǎn)品中。

　　Nordic Semiconductor 的 nRF9160 系統(tǒng)級(jí)封裝 （SiP） 將應(yīng)用微控制器、完整的 LTE 調(diào)制解調(diào)器、收發(fā)器前端以及電源管理功能，集成到尺寸為 10 x 16 x 1 mm 的封裝中。該模塊包含用于資產(chǎn)跟蹤的 GPS 支持。若將從蜂窩網(wǎng)絡(luò)獲得的位置數(shù)據(jù)與 GPS 衛(wèi)星三邊測(cè)量相結(jié)合，可遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備的位置。

　　nRF9160 的應(yīng)用處理器是運(yùn)行頻率為 64 兆赫的 Arm Cortex-M33，該處理器與 256 千字節(jié) （Kbyte） 的靜態(tài) RAM 和 1 兆字節(jié) （Mbyte） 的閃存相結(jié)合。該模塊的 4G LTE 調(diào)制解調(diào)器采用 3GPP 第 13 版 Cat-M1 和 Cat-NB1，以及第 14 版 Cat-NB1 和 Cat-NB2 協(xié)議。

　　Nordic Semiconductor 的 nRF9160-DK 開發(fā)套件針對(duì) nRF9160 模塊而提供，其 nRF9160 模塊安裝在載板上。

　　該軟件開發(fā)套件 （SDK） 包括：

　　Zephyr Project 可擴(kuò)展型實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) （RTOS），適用于 nRF9160

　　MCUboot 安全引導(dǎo)程序

　　nrfxlib RTOS 獨(dú)立庫

　　nRF9160-DK 開發(fā)套件的框圖顯示了 nRF9160 可能需要的支持元器件。

　　圖 ：Nordic Semiconductor 的 NRF9160-DK 開發(fā)套件框圖顯示了 nRF9160 蜂窩物聯(lián)網(wǎng) SiP 可能需要的支持元器件。（圖片來源：Nordic Semiconductor）

　　Nordic 建議使用 Segger Microcontroller Systems 的 Embedded Studio IDE 來構(gòu)建 nRF9160 應(yīng)用程序。Segger Embedded Studio 的專用版本可免費(fèi)用于 Nordic Semiconductor 器件，包括 nRF9160 SiP。

　　流量套餐概述

　　在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)上部署設(shè)備之前，必須首先通過鑒定流程，以確保該設(shè)備符合運(yùn)營(yíng)商對(duì)頻帶和干擾的要求。在進(jìn)行該流程之前，開發(fā)人員需要選擇合適的流量套餐，并考慮該流量套餐的長(zhǎng)期成本。為此，此處提供了可用的物聯(lián)網(wǎng)蜂窩流量套餐列表，作為有用的資源。

　　總結(jié)

　　蜂窩物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境正在迅速變化，特別是隨著 5G 蜂窩技術(shù)的出現(xiàn)和即將到來的推廣。市場(chǎng)上已有用于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的射頻模塊，但這些模塊需要生態(tài)系統(tǒng)的支持，才能使蜂窩物聯(lián)網(wǎng)變得實(shí)用。這種生態(tài)系統(tǒng)包含所需的軟件開發(fā)工具、堆棧和庫，以便將芯片和模塊解決方案轉(zhuǎn)變?yōu)榭刹渴甬a(chǎn)品。在 5G 普及之前，基于 4G LTE 的模塊將成為未來許多年遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)感測(cè)和控制的可行解決方案。