通過Telstra窄帶網(wǎng)絡(luò)的Arduino MKR NB 1500

描述

最初發(fā)表于DIYODE 雜志第 40 期，2020 年 11 月。

介紹

有時您可能需要一個項目來監(jiān)控遠程位置的真實情況并將該數(shù)據(jù)無線傳輸給最終用戶。例如，它可能是一系列遠程泵站，它們是您的財產(chǎn)或運營的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。您可能需要監(jiān)測空氣質(zhì)量以了解坑內(nèi)氣體的積聚，監(jiān)測流速以衡量泵的性能，也許還需要監(jiān)測備用電池的電壓。它也可以是您財產(chǎn)周圍大門的遠程氣象站或門禁系統(tǒng)。

對于您自己或員工來說，經(jīng)常出差到每個站點來監(jiān)控系統(tǒng)是不切實際的。因此，自動化是您最好的解決方案。

好消息是您可以通過多種方式做到這一點。例如，回到第 21 期，我們創(chuàng)建了一個基于 LoRa/Arduino 的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，在我們的測試中，它能夠在近 7.5 公里的距離內(nèi)將數(shù)據(jù)從發(fā)送器單元傳輸?shù)?a target='_blank' class='arckwlink_none'>接收器。當時我們對這個項目的影響力印象深刻，但事后看來，考慮到澳大利亞的國土面積為 769.2 萬平方公里，7 公里是微不足道的。除了距離問題，還有其他問題會使 LoRa 在這種情況下不受歡迎。

LoRa 是一個共享網(wǎng)絡(luò)，在 915MHz - 928MHz 之間的共享工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué) (ISM) UHF 無線電頻段上運行。這個波段不需要澳大利亞政府的許可就可以繼續(xù)傳輸，這意味著任何人都可以自由使用這個波段，因此，這個小波段可能會變得擁擠。

解釋這種擁堵的最好方法是將 ISM 頻段想象成酒館或酒吧內(nèi)的空間，而您和您的朋友是這個酒吧的客戶，所有人都以與 IoT 節(jié)點幾乎相同的方式進行通信。隨著越來越多的人（客戶）進入場地，背景噪音越來越大，因為其他客戶試圖在場地有限的空間內(nèi)進行交流。這使您別無選擇，只能重復(fù)相同的消息。

如果你不這樣做，你的交流就會被其他交流的積累淹沒。如果您的項目是一個簡單的氣象站，LoRa 可以作為一些丟失的通信在這里和那里的影響最小。但是，如果像我們假設(shè)的情況那樣，使用關(guān)鍵任務(wù)設(shè)備（例如我們的遠程泵站），失去通信可能是災(zāi)難性的。

另一方面，基于蜂窩的物聯(lián)網(wǎng)使用網(wǎng)絡(luò)提供商嚴格控制的專用頻譜。只有經(jīng)過批準的客戶才能在該空間進行交流，實質(zhì)上是為您和您的朋友預(yù)留 VIP 休息室。

那么，如果您需要與距離比 LoRa 節(jié)點允許的距離更遠的設(shè)備進行通信，或者如果您有關(guān)鍵任務(wù)需求，您有什么選擇？好吧，感謝Arduino 和 Telstra 之間的合作，我們得到了答案。

Arduino MKR NB 1500 板的頂視圖和底視圖

Arduino 開發(fā)了 Arduino MKR NB 1500，這是一款基于物聯(lián)網(wǎng)的 32 位 Arm Cortex M0+ 微控制器開發(fā)板，帶有 u-blox SARA-R4 多頻段長期演進 4G (LTE-M) / NB-IoT 窄帶模塊。開發(fā)板擁有 256KB 的閃存和 32KB 的靜態(tài) RAM，這應(yīng)該給你相當多的編程空間。

Arduino MKR NB 1500 板令人印象深刻的規(guī)格

總共有 15 個數(shù)字 I/O 引腳 D0 – D14，其中 11 個具有 PWM 功能。在模擬端，我們有 7 個模擬 I/O 引腳，它們都可以用作數(shù)字引腳，2 個可以用作 PWM。結(jié)合起來，這使得 MKR 1500 成為功能豐富的開發(fā)板，具有足夠的內(nèi)存和 I/O，甚至可以用于一些具有挑戰(zhàn)性的項目。

當然，在這種情況下，一切都與從項目傳輸和接收信號的能力有關(guān)，為此，我們擁有 Telstra 機器對機器 (M2M) LTE-M 網(wǎng)絡(luò)。

從覆蓋圖中可以看出，該網(wǎng)絡(luò)覆蓋了澳大利亞300萬平方公里的區(qū)域，為人口最稠密的地區(qū)提供服務(wù)。因此，只要您的設(shè)備在覆蓋地圖的范圍內(nèi)，您就可以開始了。

Telstra 在澳大利亞的交互式窄帶覆蓋地圖

但是擁塞怎么辦？好吧，這也包括在內(nèi)。與具有共享頻譜的 LoRa 不同，Telstra 網(wǎng)絡(luò)是一個專用頻譜網(wǎng)絡(luò)，同時只有有限的用戶在該頻譜上。同樣，基地塔使用稱為調(diào)度程序的軟件作為中介工作，確保設(shè)備不會試圖在彼此之上交談/通信。

這可以防止通信丟失，也意味著您可以使用較低的傳輸功率。這非常適用于可能需要電池供電的遠程設(shè)備，因為電池和相關(guān)支持硬件（如太陽能電池板）的尺寸減小了。

除了這些好處之外，您還可以在 Telstra LTE-M 網(wǎng)絡(luò)上獲得多方面的身份驗證安全性。直到最近，安全性在物聯(lián)網(wǎng)世界中通常都是事后才想到的?？偟膩碚f，這可能是簡單化思維的結(jié)果。

我們大多數(shù)人會認為我們支持物聯(lián)網(wǎng)的咖啡機相當安全。畢竟，從表面上看，如果有人要控制，最糟糕的事情就是毀了你早上的咖啡。但是，請務(wù)必記住，您的網(wǎng)絡(luò)安全取決于最薄弱的環(huán)節(jié)。

如果您的咖啡機連接到您的無線局域網(wǎng) (WLAN)，技術(shù)嫻熟的壞人可能會通過您的咖啡機訪問您網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備。以 2017 年遭到黑客攻擊的北美賭場為例。黑客通過物聯(lián)網(wǎng)魚缸監(jiān)視器獲得了對系統(tǒng)的訪問權(quán)限。雖然這顯然是一個極端案例，但它證明了不良行為者是如何進行越來越多的創(chuàng)造性攻擊的。

因此，安全現(xiàn)在越來越成為物聯(lián)網(wǎng)的焦點，尤其是在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可用于企業(yè)間諜活動的企業(yè)界。這使得未直接連接到您的 WiFi 網(wǎng)絡(luò)的基于單元的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備更具吸引力。在 LTE-M 網(wǎng)絡(luò)中，使用通用集成電路卡 (UICC) 驗證通信，我們通常將其稱為用戶識別模塊或 SIM 卡。

此卡是驗證網(wǎng)絡(luò)訪問權(quán)限的第一步。這種相互身份驗證不僅確保設(shè)備是它聲稱的身份，而且網(wǎng)絡(luò)/服務(wù)器也是它聲稱的身份。

為了將這兩種技術(shù)結(jié)合在一起，Arduino 開發(fā)了物聯(lián)網(wǎng)云。這使您不僅可以使用 1500 NB 和 Telstra 網(wǎng)絡(luò)非常輕松地創(chuàng)建物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序，還可以在世界任何地方的任何計算機或移動設(shè)備上訪問和顯示數(shù)據(jù)。這使您不僅可以隨時檢查項目的傳感器數(shù)據(jù)，還可以對其做出響應(yīng)。

例如，讓我們繼續(xù)假設(shè)的泵站。該泵站存在一個問題，即需要遠程控制泵的流量。有了這個系統(tǒng)，您不僅可以實時可靠地監(jiān)控真實世界的傳感器數(shù)據(jù)，還可以根據(jù)需求實時做出反應(yīng)，甚至可以根據(jù)不可預(yù)見的情況做出反應(yīng)。

流量套餐

感謝 Arduino 和 Telstra 之間的合作，您可以從 Telstra 以 119 美元的價格購買帶有 SIM 卡的 Arduino MKR NB 1500 板，其中包括前 6 個月每月 10MB 的免費數(shù)據(jù)！我們進行了計算，對于許多物聯(lián)網(wǎng)項目來說，這是大量數(shù)據(jù)。

您需要的數(shù)據(jù)量將完全取決于您正在創(chuàng)建的項目類型。如果您需要實時到第二個傳感器數(shù)據(jù)，那么與只需要每 10 秒左右更新一次相比，您將需要更多數(shù)據(jù)。

例如，Arduino MKR NB 1500 上的整數(shù)是 32 位值。因此，如果您要在一個月內(nèi)每秒發(fā)送一個 32 位整數(shù)，您將使用每月 10MB 計劃中的大部分。這是計算出來的，因為一個月有 2、592、000 秒，因此僅此值就需要 8.3 MB 的數(shù)據(jù)。

注意：這不考慮發(fā)送的實際數(shù)據(jù)包幀之上的任何開銷。

但是，如果您每 10 秒發(fā)送一次相同的整數(shù)，您將使用 1MB 多一點的數(shù)據(jù)，如果將其減少到 30 秒，數(shù)據(jù)使用將減少到 0.0108MB。好消息是這一切都可以在 Arduino IoT Cloud 軟件中輕松控制。

在 6 個月的免費數(shù)據(jù)之后，您將需要注冊 M2M 數(shù)據(jù)計劃。根據(jù)您將使用的數(shù)據(jù)，有許多計劃可供選擇。每月 100KB 數(shù)據(jù)的起價為 2.40 美元。您可以在這里查看不同的計劃：https ://diyode.io/040dataplans

動手原型：

使用三個氣體傳感器動手構(gòu)建原型

所需零件：

1 x Arduino MKR NB 1500 帶 Telstra M2M LTE-M Sim 和帳戶

1 x MQ4 甲烷傳感器（核心電子：SEN0129 ）

1 x MQ6 LPG 傳感器（核心電子：SEN0131 ）

1 x MQ7 一氧化碳傳感器（核心電子：SEN0132 ）

* 還需要面包板和原型制作硬件。

原型：

與我們的許多其他評論一樣，我們喜歡親身體驗我們評論的內(nèi)容，所以讓我們使用 Telstra 窄帶網(wǎng)絡(luò)對 MKR NB 1500 板進行測試。

我們檢查這個硬件的主要目標是讓它在一個實際的，盡管是假設(shè)的，真實世界的應(yīng)用程序中工作。因此，我們對硬件的第一個修補將是創(chuàng)建一個簡單的遠程空氣質(zhì)量項目，該項目可用于密閉空間，以確保在派遣人員進入該空間之前該空間可以安全進入。

注意：我們使用的傳感器不是為在一個人的生命依賴于它們的情況下使用而設(shè)計的，它們也不夠準確。這只是一個示例情況，人們可以針對該示例情況實施該技術(shù)。我們不建議您將此項目用于現(xiàn)實世界的密閉空間監(jiān)控。

我們首先看一下該技術(shù)將是一個簡單的單邊通信示例，其中單元只是發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)。在不久的將來，我們打算創(chuàng)建一個更大的雙向通信項目，我們不僅可以接收傳感器數(shù)據(jù)，還可以遠程控制設(shè)備。

如果您想自己復(fù)制此項目，我們提供了零件清單、Fritzing 圖、代碼和構(gòu)建說明。

Fritzing 使用 Arduino MKR NB 1500 板和三個氣體傳感器

傳感器

在這個項目中，我們使用了零件倉庫中已有的傳感器。可能無法從您當?shù)氐?a target='_blank' class='arckwlink_none'>電子產(chǎn)品零售商處獲得相同的部件，但是，我們列出了DFRobot制造的類似傳感器。這些可在Core Electronics獲得，并使用與我們使用的傳感器相同的傳感器技術(shù)，但是，占地面積不同。

3 針傳感器引出線

4 針傳感器引出線

Arduino MKR NB 1500 上的 GPIO 引腳不支持 5V。因此，我們需要確保來自傳感器的輸入不超過 3.3V。在最大濃度下，傳感器能夠在模擬輸出上輸出 4V，這可能會損壞 Arduino MKR NB 1500。因此，我們將實施分壓器以將電壓降至 3.3V 最大值以下。對于我們的演示，我們將簡單地使用 R1 和 R2 均設(shè)置為 10KΩ 的分壓器，這將使輸出降低一半。這意味著 Arduino 是安全的，但會降低傳感器讀數(shù)的準確性。

如果我們將其開發(fā)為一個合適的項目，我們將實施一種更精確的方法來限制電壓，而不會影響傳感器的精度。但是，作為演示，它工作正常。

無論您使用哪種傳感器，都需要連接傳感器，使傳感器的模擬輸出引腳連接到 10KΩ - 10KΩ 分壓器，分壓器的連接點連接到 Arduino MKR NB 1500 的模擬引腳。同樣，每個傳感器需要 5V 和接地。這三個都必須與 Arduino MKR NB 1500 共享共同點。

對于我們的項目，我們通過 USB 端口為 Arduino MKR NB 1500 供電，并通過單獨的 5V 電源為傳感器供電。我們這樣做是因為三個傳感器加在一起可能需要高達 350mA 的電流，而我們不希望我們的 PC 在編程期間提供那么大的電流。完成 Arduino 編程后，您可以使用 Vin 引腳從同一 5V 電源直接為 Arduino 和傳感器供電。

Arduino 創(chuàng)建物聯(lián)網(wǎng)

創(chuàng)建電路后，我們將注意力轉(zhuǎn)向?qū)υO(shè)備進行編程。這完全是通過 Arduino Create IoT 云完成的，您可以在這里找到它：https ://create.arduino.cc/iot/

使用 Arduino Create IoT Cloud 構(gòu)建項目非常簡單。本質(zhì)上，這是一個 4 步過程：

創(chuàng)建設(shè)備

創(chuàng)建一個東西

創(chuàng)建草圖

創(chuàng)建儀表板

完成這些簡單的步驟后，您將在 Telstra M2M 蜂窩網(wǎng)絡(luò)上擁有一個正常運行的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，只要設(shè)備位于覆蓋區(qū)域內(nèi)，它就可以將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到地球上的任何位置?？紤]到讓程序運行所需的時間非常少，這是一個令人印象深刻的壯舉。

我們將更詳細地描述這些步驟。

創(chuàng)建設(shè)備

對于大多數(shù)制造商而言，創(chuàng)建/設(shè)置設(shè)備將很簡單。然而，在我們的案例中，我們遇到了與 Portenta H7 開發(fā)板審查相同的問題。該系列微控制器沒有專用的 USB 轉(zhuǎn)串口轉(zhuǎn)換器芯片。相反，他們使用微控制器本身來處理 USB 通信，這對絕大多數(shù)制造商來說非常好，但在我們的 Windows 臺式電腦上，我們必須手動強制微控制器進入引導(dǎo)加載程序模式。我們通過在一秒鐘內(nèi)按兩次重置按鈕來完成此操作，然后選擇出現(xiàn)的新 com 端口。不過，我們必須多次重復(fù)此過程才能獲得成功的時機。最后，我們發(fā)現(xiàn)更換到?jīng)]有同樣問題的 Windows 筆記本電腦更容易。因此，

首先，將您的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器指向 Arduino Create IoT 網(wǎng)站：https ://create.arduino.cc/iot/

如果尚未這樣做，您將需要創(chuàng)建一個帳戶或登錄。

從頂部菜單中選擇設(shè)備。

選擇添加設(shè)備按鈕。

選擇“設(shè)置 Arduino 設(shè)備”按鈕。

幾秒鐘后，系統(tǒng)可能會要求您安裝 Arduino Create Agent 插件。安裝這個，最終，您會看到一個屏幕，表明該軟件已找到兼容的 Arduino 設(shè)備已連接。

如果這是您的設(shè)備，請選擇配置按鈕。

這樣做之后，您將獲得一個隨機生成的名稱。我們建議您將此名稱更改為可以識別其用途的名稱。對于我們的示例，我們將其稱為 DIYODE_MKR_1500。

輸入適當?shù)拿Q后，選擇下一步按鈕。Create 軟件現(xiàn)在將創(chuàng)建您設(shè)備的一個實例。在此過程中，軟件似乎將草圖上傳到開發(fā)板并進行了一系列檢查和測試。

注意：在我們的測試中，這是我們發(fā)現(xiàn)一些問題的地方，似乎源于前面提到的 USB / Bootloader 問題。如果您在此處收到錯誤消息，請嘗試使用不同的計算機或?qū)⒃O(shè)備置于引導(dǎo)加載程序模式，然后再添加上面的名稱。

如果一切順利，您應(yīng)該會看到這里顯示的窗口。

如果它不起作用，您可能會看到一條令人擔憂的消息，如此處所示。如果是這樣，請不要絕望。我們有同樣的錯誤，我們的硬件沒有任何問題。我們只是簡單地重復(fù)了這個過程，它運行良好。

創(chuàng)建一個東西

正確設(shè)置設(shè)備后，您現(xiàn)在可以設(shè)置整個項目，Arduino Create 稱之為“事物”。在我們的例子中，我們的“東西”將是一個氣體傳感器，因此，我們的東西將被命名為 DYODE_Gas_Sensor。

只需為您的東西命名，然后將其鏈接到在上一步中創(chuàng)建和命名的設(shè)備。

從這里，選擇添加屬性按??鈕，這將允許您添加屬性實例，例如您的傳感器。這樣做會自動生成代碼來處理來自該屬性的預(yù)期數(shù)據(jù)的傳輸。

這將帶您進入以下屏幕，您可以在其中為要添加的屬性從所有功能中進行選擇。

對我們來說，該屬性將是一個傳感器，因此我們將以傳感器命名它，以明確我們指的是什么傳感器。

變量名稱是我們需要在代碼中引用的名稱。此名稱應(yīng)與所使用的傳感器相關(guān)，這將使編碼過程更容易。

我們的傳感器是模擬傳感器，因此，假設(shè)是 10 位 ADC，我們預(yù)計它會返回一個介于最小值 0 和最大值 1024 之間的正數(shù)。因此，我們可以將類型定義為 int，表示整數(shù)，并相應(yīng)地設(shè)置最小值和最大值。

為了獲得許可，我們將它們設(shè)置為只讀，這是有道理的，因為我們只需要從它們接收模擬信號。

更新設(shè)置為定期，周期為 30 秒。正如我們之前所說，您發(fā)送的數(shù)據(jù)量將決定您將在計劃中使用的數(shù)據(jù)量。如果您不需要最多第二個數(shù)據(jù)，您可以通過增加周期來節(jié)省成本。

我們還選擇了 Show history visualization，它似乎將歷史數(shù)據(jù)存儲在 Arduino Cloud 中，允許我們在創(chuàng)建儀表板后稍后查看。

我們的財產(chǎn)屏幕看起來像這里顯示的那個。

重復(fù)該過程，直到添加完所有傳感器。

接下來，選擇右上角的編輯草圖按鈕開始編碼部分。

要向您的項目添加五個以上的屬性，您需要擁有一個帳戶和一個付費的 Arduino 創(chuàng)客計劃，這將提供此處列出的好處。Maker 計劃可直接從 Arduino 數(shù)字商店購買，每月費用為 6.99 美元。https://store.arduino.cc/digital/create

創(chuàng)建草圖

下一步對于之前使用過Arduino的人來說應(yīng)該是比較熟悉的一步，也就是編碼。這里令人印象深刻的是自動化。Arduino 會根據(jù)您在添加屬性時的選擇來處理所有通信方面的事情。不需要“大腦”工作。

我們需要做的就是創(chuàng)建一個簡單的草圖，將所需的傳感器值放入一個變量中，與我們之前創(chuàng)建的一個或多個變量名稱相匹配。Arduino 軟件負責傳輸和計時，我們無需費力。

這使我們的編碼任務(wù)非常簡單。

對于我們來說，我們只需使用AnalogRead()函數(shù)來讀取傳感器所連接的模擬引腳，并將該值放入相應(yīng)的變量中。我們不需要轉(zhuǎn)換任何東西，因為我們可以像這里顯示的那樣傳輸原始數(shù)據(jù)。

?

#include?"thingProperties.h"
int?readSensor;
void?setup()?{
??//?Initialize?serial?and?wait?for?port?to?open:
??Serial.begin(9600);
??//?This?delay?gives?the?chance?to?wait?for?a?Serial?Monitor?without?blocking?if?none?is?found
??delay(1500);?
??Serial.println("Hello?world");
??//?Defined?in?thingProperties.h
??initProperties();
??//?Connect?to?Arduino?IoT?Cloud
??ArduinoCloud.begin(ArduinoIoTPreferredConnection);
??setDebugMessageLevel(2);
??ArduinoCloud.printDebugInfo();
}
void?loop()?{
??ArduinoCloud.update();
??//?Your?code?here?
??sensor1?=?analogRead(1);
??carbonMonoxide?=?analogRead(2);
??methaneSensor?=?analogRead(3);
??Serial.println(sensor1);
??Serial.println(carbonMonoxide);
??Serial.println(methaneSensor);
??delay(1000);
?}

?

如果你想處理你的數(shù)據(jù)而不是簡單地發(fā)送原始數(shù)據(jù)，那也很簡單。您需要做的就是對傳感器值執(zhí)行數(shù)學(xué)運算，完成后，將結(jié)果放入在添加屬性部分創(chuàng)建的相應(yīng)變量名中。為了幫助您，Arduino 在生成代碼的注釋中包含了這些變量名稱。

一旦您對代碼感到滿意，就可以將其上傳到開發(fā)板。將電路板插入計算機上的 USB 并直接從該 Web 界面上傳。

在此之后，您的最后一步是創(chuàng)建一個儀表板，以便您可以查看設(shè)備中的數(shù)據(jù)。

創(chuàng)建儀表板

從 Arduino Create IoT 主頁選擇儀表板按鈕。

選擇添加，您將看到一個圖形元素列表。這些可用于提供 I/O 或以其他方式顯示來自或去往 IoT 設(shè)備的數(shù)據(jù)。

對于我們的項目，我們滾動到列表的最底部并選擇了圖表選項。這將使我們能夠以易于理解和即時衡量的方式輕松繪制和顯示原始傳感器數(shù)據(jù)。

當然，如果您想在這里進行試驗，您一定會發(fā)現(xiàn)許多有趣的方式來交互和顯示來自您設(shè)備的數(shù)據(jù)?？焖贋g覽一下肯定給我們一些靈感，讓我們對這個令人興奮的硬件的未來用例有所了解。

選擇顯示數(shù)據(jù)的方式后（在我們的例子中使用圖形元素），您可以將元素放置在 GUI 儀表板工作平面上。然后您需要將元素鏈接到特定屬性。對我們來說，我們將這張圖與一氧化碳傳感器聯(lián)系起來。

重復(fù)相同的過程以添加其他元素并將它們鏈接到所需的屬性。

遠程訪問項目

Arduino 創(chuàng)建了一個名為 Arduino IoT Cloud Remote 的移動應(yīng)用程序，它允許您訪問完全相同的儀表板，盡管經(jīng)過修改以適合手機屏幕。

ANDRIOD：https ://play.google.com/store/apps/details?id=cc.arduino.cloudiot

蘋果：https ://apps.apple.com/us/app/id1514358431

我們的最終想法

基于我們動手測試的成功，我們對 Arduino 硬件和 Telstra 網(wǎng)絡(luò)提供的性能和易用性印象深刻。

因此，我們很高興看到社區(qū)在何處以及如何使用該系統(tǒng)實施項目。

我們可以看到大量的利基應(yīng)用，從用于定位和禁用被盜車輛的汽車設(shè)備到偏遠農(nóng)田、礦區(qū)等的水資源管理項目。

這種組合確實為愛好者們帶來了不可思議的力量，這在幾年前還顯得不可思議。

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