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來(lái)源：Digi-Key 蜂窩物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 是一種低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN) 技術(shù)，為從智能城市到農業(yè)以及遠程基礎設施監測等應用提供了一種清晰而成熟的方案來(lái)建立安全強大的物聯(lián)網(wǎng)。但蜂窩物聯(lián)網(wǎng)是一項復雜技術(shù)，對于缺乏經(jīng)驗的設計者而言，著(zhù)手開(kāi)展項目會(huì )令人望而生畏。 但是，在使用熟悉的通用微控制器 (MCU) 和集成設計環(huán)境 (IDE) 的蜂窩開(kāi)發(fā)板上建立項目，可以讓蜂窩物聯(lián)網(wǎng)設計變得輕松。在開(kāi)源軟件庫和簡(jiǎn)單傳感器連接的支持下，從硬件布局一直到發(fā)送數據至云端，這些開(kāi)發(fā)板使設計人員更容易開(kāi)始蜂窩物聯(lián)網(wǎng)項目。 本文先簡(jiǎn)要概述蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，再介紹該技術(shù)可能帶來(lái)的設計復雜性，然后說(shuō)明如何使用蜂窩物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)板來(lái)消除這種復雜性。最后，本文將介紹如何設置 Microchip Technology 開(kāi)發(fā)板，將簡(jiǎn)單的顏色和溫度數據發(fā)送到云端。 什么是蜂窩物聯(lián)網(wǎng)？ 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)使用低功耗蜂窩技術(shù)將物聯(lián)網(wǎng)終端設備（如傳感器和執行器）連接至云端。這是一種 LPWAN 技術(shù)，特點(diǎn)是千米以上的覆蓋范圍、高密度終端設備支持和低吞吐量。 盡管存在其他 LPWAN 技術(shù)，尤其是 LoRaWAN（見(jiàn)“用端到端入門(mén)套件加速 LoRaWAN 物聯(lián)網(wǎng)項目”）和 Sigfox，但蜂窩物聯(lián)網(wǎng)提供一些關(guān)鍵優(yōu)勢，包括： · 面向未來(lái)：作為一項標準，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)規范一直處于審查和發(fā)展中。 · 可擴展性：蜂窩物聯(lián)網(wǎng)可以通過(guò)成熟的蜂窩架構支持物聯(lián)網(wǎng)的快速部署。 · 服務(wù)質(zhì)量 (QoS)：蜂窩物聯(lián)網(wǎng)具有高可靠性，因為它基于已在大量商業(yè)應用中經(jīng)過(guò)證明的成熟基礎設施。 · IP 互操作性：終端設備可以直接連接到云端，而不需要昂貴且復雜的網(wǎng)關(guān)。 設計人員需要考慮到，采用蜂窩物聯(lián)網(wǎng)會(huì )持續產(chǎn)生與數據傳輸相關(guān)的費用。而 LoRaWAN 等使用非許可頻譜的競爭技術(shù)則不會(huì )。然而，由于競爭壓力和越來(lái)越多地使用邊緣計算，在網(wǎng)絡(luò )上發(fā)送的非重要數據量大幅減少，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)數據成本呈下降趨勢。 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)受第三代合作伙伴項目 (3GPP) 監管和更新的電信標準約束。第 13 版 3GPP 標準擴展了其機器對機器 (M2M) 調制解調器的類(lèi)別，以支持適用于物聯(lián)網(wǎng)連接的低成本、低功耗和低吞吐量調制解調器。該標準的后續版本進(jìn)一步增強了這些物聯(lián)網(wǎng)調制解調器。 配備蜂窩物聯(lián)網(wǎng)調制解調器的無(wú)線(xiàn)傳感器，無(wú)需昂貴復雜的網(wǎng)關(guān)，即可在數公里范圍內向云端發(fā)送數據，同時(shí)具備蜂窩物聯(lián)網(wǎng)所特有的安全性和 QoS。 LTE-M 與 NB-IoT 的區別 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)有兩種形式，LTE M1 類(lèi) (LTE-M) 和窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT)。這兩種類(lèi)型都設計用于資源受限、通常由電池供電的設備，其中的典型就是物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 設備。由于物聯(lián)網(wǎng)調制解調器連接至現有蜂窩基礎設施，因此每個(gè)都需要自己的用戶(hù)標識模塊 (SIM)。 LTE-M 基于精簡(jiǎn)的 LTE (“4G”) 技術(shù)，支持安全通信、無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò )覆蓋和高系統容量。與 NB-IoT 相比，它能在較寬的帶寬 (1.4 MHz) 上作為全雙工系統運行，因此改善了延時(shí)和吞吐量。原始數據吞吐量為下行 300 千比特/秒 (Kbps)，上行 375 Kbps。該技術(shù)適用于安全的端到端 IP 連接，由 LTE 小區切換技術(shù)提供移動(dòng)支持。LTE-M 適用于移動(dòng)應用，如資產(chǎn)跟蹤或醫療保健。 NB-IoT 主要設計用于提高能效，能更好地穿透到建筑物和其他射頻信號不良的區域。與 LTE-M 不同，它不是基于 LTE 物理層 (PHY)。NB-IoT 使用 200 千赫茲 (kHz) 的帶寬，因此調制解調器復雜性比 LTE-M 設備更低。雖然原始數據吞吐量只有區區 60/30 Kbps，但覆蓋范圍卻比 LTE-M 更廣。NB-IoT 適合靜態(tài)應用，如可能被墻壁遮擋的智能電表。 商用蜂窩物聯(lián)網(wǎng)調制解調器 各種商用 LTE-M/NB-IoT 調制解調器現已上市，如 Sequans 的 Monarch 2 GM02S 模塊。該設備支持單個(gè)庫存單位 (SKU) 的射頻前端，適用于 20 個(gè)全球 LTE 頻段。設備為緊湊型 LGA 模塊，尺寸 16.3 x 17 x 1.85 毫米 (mm)。該模塊符合第 14/15 版 3GPP 的要求。調制解調器由 2.2 至 5.5 伏的單電源供電，最大發(fā)射功率為 +23 分貝，基準 1 毫瓦 (dBm)。 GM02S 支持外部 SIM 和 eSIM 以及集成 SIM，包括一個(gè) 50 歐姆 (Ω) 的天線(xiàn)接口。該設備提供了 LTE-M/NB-IoT 軟件堆棧和 Sequan Cloud Connector 軟件，以方便連接到商業(yè)云平臺（圖 1）。 
圖 1：Sequans 的 GM02S LTE-M/NB-IoT 調制解調器采用緊湊封裝，配有成熟的軟件堆棧。（圖片來(lái)源：Sequans） 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)設計挑戰 雖然 GM02S 調制解調器是高度集成的設備，帶有軟件堆棧和云連接，但與所有商業(yè)調制解調器一樣，仍需進(jìn)行大量的開(kāi)發(fā)工作，物聯(lián)網(wǎng)應用才能向數公里外的云端無(wú)縫發(fā)送數據。 調制解調器的設計完全是為了處理終端設備與基站之間的通信。為了控制調制解調器并運行傳感器應用軟件，還需要單獨的監督和應用處理器。此外，設計人員還需要考慮天線(xiàn)電路、電源以及為終端設備配備 SIM 卡，以確保與蜂窩網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫連接（參見(jiàn)“如何在物聯(lián)網(wǎng)設計中使用多頻段嵌入式天線(xiàn)以節省空間、降低復雜性和成本”）。 除了硬件設計之外，還需要一些編碼技能，才能使蜂窩模塊連接到網(wǎng)絡(luò )并收發(fā)數據。如果設計采用外部應用 MCU，則通常使用 UART 串行鏈路與蜂窩模塊通信（雖然也使用其他 I/O 接口）。AT（“注意”）命令是控制蜂窩調制解調器的標準方法。該命令包含一系列短文本字符串，可以將這些字符串進(jìn)行組合，以生成撥號、掛斷和更改連接參數等操作。 有兩種類(lèi)型的 AT 命令：非“+”開(kāi)頭的基本命令，例如，“D”（撥號）、“A”（應答）、“H”（勾控制）和“O”（恢復在線(xiàn)數據狀態(tài)）�！�+”開(kāi)頭的擴展命令，例如，“+CMGS”（發(fā)送短信）、“+CMGL”（列出短信）和 “+CMGR”（讀取短信）（參見(jiàn)“使用蜂窩模塊將創(chuàng )客項目連接到 IoT”）。 這些硬件和軟件考慮因素給蜂窩物聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)了復雜性，可能會(huì )使經(jīng)驗不足的設計者進(jìn)展緩慢。幸運的是，應用 MCU 和蜂窩物聯(lián)網(wǎng)調制解調器制造商現在已開(kāi)始攜手提供硬件和軟件設計工具，使得利用這一重要的 LPWAN 技術(shù)更加容易。 使用物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)板消除復雜性 在專(zhuān)門(mén)設計的開(kāi)發(fā)板上建立原型使應對蜂窩物聯(lián)網(wǎng)設計的挑戰變得容易得多。開(kāi)發(fā)板硬件通常包括天線(xiàn)、電源、有一定免費數據流量的 SIM 卡、應用處理器和確保良好射頻性能的調諧網(wǎng)絡(luò )。這為設計人員的項目提供了堅實(shí)的硬件基礎，使他們能夠專(zhuān)注于應用開(kāi)發(fā)。如果選擇了正確的開(kāi)發(fā)板，甚至可以在熟悉的 IDE 中進(jìn)行應用開(kāi)發(fā)。 流行的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)板的一個(gè)示例是 Microchip 的 EV70N78A AVR-IoT Cellular Mini 開(kāi)發(fā)板。這是一個(gè)硬件平臺，基于流行的 Microchip AVR128DB48 MCU，以及前文詳述的 Sequans Monarch 2 GM02S 蜂窩模塊。該 MCU 是一款 8 位、24 MHz 設備，有 128 千字節 (KB) 閃存，16 KB SRAM，512 字節 EEPROM，采用 48 引腳封裝。 該開(kāi)發(fā)板還集成了 ATECC608B 安全元件；連接至 LTE-M 或 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò )后，ATECC608B 可用于云端驗證硬件，以唯一地識別每塊開(kāi)發(fā)板。 為了讓設計人員更輕松，Microchip 開(kāi)發(fā)板還包括一張可激活的 Truphone SIM 卡，具有 150 兆字節 (MB) 的數據流量。 該開(kāi)發(fā)板具有五個(gè)用戶(hù) LED、兩個(gè)機械按鈕、一個(gè) 32.768 kHz 晶體、顏色和溫度傳感器、一個(gè) Adafruit Feather 兼容的邊緣連接器、一個(gè) Qwiic I2C 連接器、一個(gè)板載調試器、一個(gè) USB 端口、電池和外部輸入電源選件，以及一個(gè)帶有充電狀態(tài) LED 的 MCP73830 鋰離子/鋰聚合物電池充電器（圖 2）。
圖 2：AVR-IoT Cellular Mini 開(kāi)發(fā)板基于 AVR128DB48 MCU，配有 SIM 卡和 150 MB 數據流量。（圖片來(lái)源：Microchip Technology） 啟動(dòng)蜂窩物聯(lián)網(wǎng)項目 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的目的是無(wú)線(xiàn)連接物聯(lián)網(wǎng)終端設備，如傳感器和致動(dòng)器，以便發(fā)送數據到數公里外的云端。在 Microchip 開(kāi)發(fā)板上，MCU 預裝了固件映像，這是一個(gè)演示應用程序，用戶(hù)可通過(guò)它快速連接到基于云的沙盒（由 AWS 托管）并發(fā)送板載溫度和顏色傳感器的數據。 要使硬件做好開(kāi)發(fā)準備，只需激活并插入 SIM 卡，將外部天線(xiàn)連接到板上，將板上的調試 USB-C 端口連接至 PC，掃描板底部的二維碼或打開(kāi)大容量存儲設備，并按照 CLICK-ME.HTM 進(jìn)入套件網(wǎng)頁(yè)。 來(lái)自 Github 的 Microchip 物聯(lián)網(wǎng)配置工具提供了一個(gè)易于使用的解決方案，可將 AVR-IoT Cellular Mini 配置到選定的云提供商、設置網(wǎng)絡(luò )提供商和選擇蜂窩頻段。（為了讓沙盒演示固件工作，必須針對 AWS Microchip 沙盒配置開(kāi)發(fā)板）。 開(kāi)發(fā)人員對演示應用程序有了一定的信心后，他們就可以開(kāi)始使用開(kāi)發(fā)板的完整 Arduino IDE 支持來(lái)構建自己的應用程序。這種支持基于 Github 上托管的 AVR 物聯(lián)網(wǎng)蜂窩 Arduino 庫。該庫建立在開(kāi)源 DxCore 之上（圖 3）。
圖 3：AVR IoT 手機物聯(lián)網(wǎng)庫（橙色）包括用于編程和控制開(kāi)發(fā)板的軟件模塊（綠色為簡(jiǎn)化形式）。（圖片來(lái)源：Microchip Technology） 板載調試器 (PKOB nano) 為 Arduino IDE 提供全面編程支持。不需要任何外部工具，還可接入串行端口接口（串口轉 USB 橋）和兩個(gè)邏輯分析器通道（調試 GPIO）。AVR IoT Cellular Mini 板上的板載調試器在主機的 USB 子系統上顯示為人機界面設備 (HID)。對于更大型的項目，此開(kāi)發(fā)板的 Qwiic 和 Feather 兼容邊緣連接器允許使用 Sparkfun 和 Adafruit 的各種擴展板輕松擴展（圖 4）。
圖 4：此 AVR 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)板方框圖顯示，與主機的連接是通過(guò)調試器的 USB 鏈接，而應用 MCU 編程是通過(guò)調試器 UART 鏈接。請注意，應用 MCU 與蜂窩式調制解調器之間也是通過(guò) UART 連接。（圖片來(lái)源：Microchip Technology） 開(kāi)始應用編程需要下載并安裝 Arduino IDE 和 DxCore。接下來(lái)，需要配置 Arduino IDE，以允許 AVR 物聯(lián)網(wǎng)蜂窩 Arduino 庫運行（清單 1）。
清單 1：允許 AVR 物聯(lián)網(wǎng)蜂窩 Arduino 庫運行的 Arduino IDE 配置。（代碼來(lái)源：Microchip Technology） IDE 配置完成即可安裝庫。完成后，可以訪(fǎng)問(wèn)開(kāi)發(fā)板的幾個(gè)庫示例。熟悉 Visual Studio Code 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境的設計人員可以用它進(jìn)行 AVR 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)，只要安裝 Arduino 插件即可。在任何 IDE 中開(kāi)發(fā)的 Arduino 應用程序代碼都可以通過(guò)板載調試器移植到開(kāi)發(fā)板的 MCU 上。 進(jìn)行功耗測量 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)設計為低功耗運行，以延長(cháng)電池供電的物聯(lián)網(wǎng)終端設備的壽命。因此，優(yōu)化應用程序代碼以實(shí)現最小功耗非常重要。 在 Microchip 開(kāi)發(fā)板上，所有開(kāi)發(fā)板元器件的電源都通過(guò)五條分割帶連接。這些分割帶也可用于測量電流。為了測量所需電路的功耗，只需割開(kāi)分割帶并穿孔連接電流表（圖 5）。
圖 5：AVR 物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)板上的分割帶可以用來(lái)測量關(guān)鍵電路的功耗。（圖片來(lái)源：Microchip Technology） 該開(kāi)發(fā)板還具有系統電壓測量電路，通過(guò) MIC94163 開(kāi)關(guān)和連接至 MCU 上 ADC 引腳的分壓器，實(shí)現了按需測量并防止通過(guò)分壓器漏電。要測量系統電壓，請遵循以下步驟： 1 配置 ADC 的電壓基準。 2 將 MCU 的 GPIO 系統電壓測量使能引腳 (PB3) 設為高電平，以啟用分壓器。 3 將 MCU 的 ADCO 系統電壓測量引腳 (PE0) 設置為 ADC 輸入。 4 運行單端模數轉換 (ADC)。 5 用公式計算電壓：V = ADC 結果 x VREF x 4/ADC 分辨率。 最后，通過(guò)以下步驟測量電源電壓也很簡(jiǎn)單： 1 配置 ADC 的電壓基準。 2 選擇 VDD 或 VDDIO2 作為 ADC 的正輸入。（VDD 和 VDDIO2 是 MCU 的 ADC 可用內部輸入通道）。 3 運行單端 ADC 轉換。 4 用公式計算電壓：V = ADC 結果 x VREF x 10/ADC 分辨率。 總結 蜂窩物聯(lián)網(wǎng)是一種流行的 LPWAN，其商業(yè)潛力越來(lái)越大。然而，設計由蜂窩物聯(lián)網(wǎng)驅動(dòng)的終端設備需要兼具硬件和軟件專(zhuān)業(yè)知識。為了幫助設計人員，新型蜂窩物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)板，如 Microchip 的 EV70N78A AVR-IoT Cellular Mini 開(kāi)發(fā)板，提供了一個(gè)快速原型設計途徑。 這種開(kāi)發(fā)板使用高端 LTE-M/NB-IoT 調制解調器和流行的 Microchip MCU。使用 Arduino 或 Visual Studio Code IDE 可以簡(jiǎn)化應用程序代碼的開(kāi)發(fā)。 |
