用這個三合一的LPWAN方案開發(fā)物聯(lián)網(wǎng) 有時間打游戲了！

本文總結(jié)了 LTE-M、NB-IoT 和 DECT NR+ 在遠距離物聯(lián)網(wǎng)連接方面的優(yōu)勢，并討論了實施方面的挑戰(zhàn)。然后介紹 Nordic Semiconductor 的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)和 DECT NR+ 組合設(shè)備及相關(guān)開發(fā)套件，并說明如何利用它們來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。

長期演進機器型通信  (LTE-M) 和窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT) 等用于物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN)  蜂窩無線技術(shù)，可利用現(xiàn)有的成熟蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施為電池供電設(shè)備提供超過一千米的無線連接范圍。New Radio+ (DECT NR+) 是一種免許可  LPWAN  替代方案，用于要求采用類似蜂窩技術(shù)進行大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)部署的應(yīng)用。對于開發(fā)人員來說，這三種方法實施起來都很復(fù)雜，即使是那些具有短距離無線經(jīng)驗的開發(fā)人員也不例外。

如果解決方案提供商能夠提供集成了 LTE-M、NB-IoT 或 DECT NR+ 協(xié)議軟件棧和自動調(diào)制解調(diào)器的預(yù)認證產(chǎn)品，那么與他們合作就能避免 LPWAN 設(shè)計的復(fù)雜性。這些解決方案使開發(fā)人員能夠更加專注于應(yīng)用的差異化，并實現(xiàn)產(chǎn)品上市目標(biāo)。

為什么要使用 LTE-M、NB-IoT 或 DECT NR+ 無線技術(shù)？

要成為構(gòu)成互聯(lián)網(wǎng)的全球網(wǎng)絡(luò)的基本組成部分，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備必須能夠使用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 與云進行通信，且無需昂貴的網(wǎng)關(guān)。在如農(nóng)業(yè)、智慧城市和環(huán)境監(jiān)測等某些應(yīng)用中，通信必須以遠距離方式進行并且要求維護工作最少。后者意味著低功耗，從而最大限度延長電池壽命。

LTE-M和 NB-IoT 提供了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的蜂窩解決方案。它們均基于 3GPP 制定的規(guī)范，因此具有 IP 互操作性，可實現(xiàn)千米以上的覆蓋范圍。LTE-M 和 NB-IoT 的工作頻段分別為 698 MHz 至 960 MHz 和1710 MHz 至 2200 MHz。表 1 所列為 LTE-M 和 NB-IoT 的技術(shù)細節(jié)。

表 1：LTE-M 和 NB-IoT 的比較。（圖片來源：Nordic Semiconductor）

DECT NR+ 為需要遠距離連接的應(yīng)用提供了一種無許可替代方案。這種方案基于 5G 規(guī)范，在 1900 MHz 頻段下運行，可支持高密度 LPWAN，適用于機器對機器 (M2M) 通信和城市范圍內(nèi)的空氣質(zhì)量監(jiān)測。

簡化射頻設(shè)計

對于許多開發(fā)人員來說，實施射頻設(shè)計是一項挑戰(zhàn)，經(jīng)常會影響產(chǎn)品的上市時間。不過，一些硬件方面的挑戰(zhàn)可以通過選擇集成解決方案來克服，因為集成解決方案可以大大減少復(fù)雜性。Nordic Semiconductor 的 nRF9161 系統(tǒng)級封裝 (SiP) 就是一個例子（圖 1）。

SiP集成了專用于應(yīng)用軟件的 Arm? Cortex?-M33 處理器和支持 LTE-M、NB-IoT 和 DECT NR+ 射頻接口的調(diào)制解調(diào)器。這種器件還包括射頻前端  (RFFE) 和電源管理系統(tǒng)，全部采用 16.0 x 10.5 x 1.04 mm 接點柵格陣列 (LGA) 封裝。調(diào)制解調(diào)器支持  IPv4/IPv6 和加密固件無線更新 (FOTA) 。應(yīng)用處理器配備 1 Mb 閃存和 256 Kb 內(nèi)存。

圖 1：nRF9161 SiP 集成了 Arm Cortex-M33 處理器、LTE 調(diào)制解調(diào)器、RFFE、內(nèi)存和電源管理功能。（圖片來源：Nordic Semiconductor）

SiP還配備了一個全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng) (GNSS) 接收器，可用于定位跟蹤等應(yīng)用。接口和外設(shè)包括 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 、實時時鐘 (RTC) 、串行外設(shè)接口 (SPI) 、集成電路總線 (I2C)、集成電路內(nèi)置音頻總線 (I2S) 、通用異步接收器/發(fā)射器 (UART) 、脈沖密度調(diào)制 (PDM) 和脈寬調(diào)制 (PWM) 。SiP 允許使用單設(shè)備、天線、電池、SIM 卡或 eSIM 卡和傳感器來開發(fā)蜂窩或 DECT NR+ 物聯(lián)網(wǎng)解決方案（圖 2）。

圖 2：nRF9161 SiP 是高度集成的蜂窩 (LTE-M、NB-IoT) 和DECT NR+ 物聯(lián)網(wǎng)連接解決方案。（圖片來源：Nordic Semiconductor）

軟件設(shè)計挑戰(zhàn)

射頻物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的挑戰(zhàn)還包括軟件。蜂窩和 DECT NR+ 協(xié)議棧龐大、復(fù)雜，從頭開始構(gòu)建這兩種協(xié)議棧都需要這方面的協(xié)議專家。對于 LTE-M 和 NB-IoT，開發(fā)人員必須在協(xié)議棧構(gòu)建、測試完成后執(zhí)行蜂窩專用注意 (AT) 指令。它們是任何蜂窩調(diào)制解調(diào)器與其主控制器之間通信的基礎(chǔ)。它們主要用于配置和調(diào)試調(diào)制解調(diào)器，以及通過移動網(wǎng)絡(luò)運營商 (MNO) 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。

通過向 SiP 調(diào)制解調(diào)器提供經(jīng)過預(yù)編程的的、成熟穩(wěn)定的 LTE-M 協(xié)議棧，Nordic 緩解了軟件編碼問題。此外，Nordic 的 串行 LTE 調(diào)制解調(diào)器應(yīng)用還可處理指示調(diào)制解調(diào)器發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的 AT 指令。

除了工程方面的挑戰(zhàn)，蜂窩調(diào)制解調(diào)器還必須滿足嚴(yán)格的特定地區(qū)認證和法規(guī)要求。這些認證包括全球認證，可確保與 LTE 規(guī)范兼容，使終端設(shè)備能夠通過 LTE-M 或 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)通信。此外，一些移動網(wǎng)絡(luò)運營商也有自己的認證要求。

通過對 nRF9161 SiP 進行預(yù)先認證，Nordic再次減輕了開發(fā)商的負擔(dān)，使其能夠在最關(guān)鍵的地區(qū)、關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)和這些網(wǎng)絡(luò)的主要 LTE 頻段上運行。

使用 nRF9161 開發(fā)套件

雖然 nRF9161 SiP 緩解了與蜂窩物聯(lián)網(wǎng)和 DECT NR+ 開發(fā)相關(guān)的一些關(guān)鍵硬件和軟件的挑戰(zhàn)，但創(chuàng)建工作原型仍需努力。為了加快設(shè)計過程，Nordic 提供了 nRF9161 DK 開發(fā)套件（圖 3）和一套軟件工具。該公司的 nRF Connect SDK 是這些工具的先驅(qū)，是 Nordic 無線解決方案的統(tǒng)一開發(fā)環(huán)境。

該開發(fā)套件集成了 SiP，且包括了必要的電路，以實現(xiàn)全功能原型開發(fā)。該套件配有專用的LTE-M/NB-IoT 和 DECT NR+ 天線以及用于GNSS 的集成貼片天線。通過板載 SEGGER J-Link，可以進行編程和調(diào)試，該套件還捆綁了一張預(yù)裝數(shù)據(jù)的 SIM 卡。該器件還支持使用軟件 SIM 卡，以進一步降低功耗。

圖 3：nRF9161 DK 包括用于 LTE-M、NB-IoT 和 DECT NR+ 的 nRF9161 SiP，具有 LPWAN 和 GNSS 天線、用于編程和調(diào)試的板載 SEGGER J-Link 以及預(yù)加載 SIM 卡。（圖片來源：Nordic Semiconductor）

初次使用  nRF9161 套件進行開發(fā)時，必須插入 SIM 卡（或激活 eSIM），將 PROG/DEBUG SW10 開關(guān)設(shè)置為“nRF91”，并使用  micro-USB 2.0 電纜將該套件與臺式電腦連接。該開發(fā)套件需要 Windows、macOS 或Ubuntu Linux 操作系統(tǒng)  (OS) 。

下一步是安裝 Nordic 的 nRF Connect for Desktop 并激活軟件。在此可以安裝快速啟動應(yīng)用程序，這是一個用于指導(dǎo)設(shè)置和安裝步驟的工具。該軟件簡化了更新開發(fā)套件固件和激活 SIM 卡的過程。要將數(shù)據(jù)從該套件傳輸?shù)皆贫?，開發(fā)人員可以建立一個 Nordic nRF 云賬戶或連接到其他云服務(wù)。

然后，快速啟動應(yīng)用程序?qū)⒁龑?dǎo)開發(fā)人員訪問 Nordic 的 nRF Connect SDK。使用 Nordic 的 nRF Connect for VS Code 擴展，該 SDK 可與常見的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) Visual Studio Code 結(jié)合使用。SDK 用于開發(fā)應(yīng)用程序且包括了一些有用的示例，如使用 GNSS、蜂窩或 Wi-Fi 定位來檢索設(shè)備位置，以及將 nRF9161 套件中的傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫恕?/p>

一旦建立了應(yīng)用，對板載 nRF9161 SiP 的 Arm 應(yīng)用處理器進行編程就非常簡單。第一步是使用 USB 電纜將套件連接電腦，然后為其供電。在 nRF Connect for VS Code 擴展中，開發(fā)人員必須點擊“操作視圖”中的“Flash”選項。此時會出現(xiàn)各種通知，顯示編程進度并確認完成。

該開發(fā)套件還允許開發(fā)人員檢查 LTE-M、NB-IoT 或 DECT NR+ 射頻信號。良好的射頻性能對于最大限度地擴大物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與基站之間的通信距離至關(guān)重要。要進行測量，就需要在該套件的小型同軸連接器 (J1) 和頻譜分析儀之間連接一條電纜（圖 4）。

圖 4：使用同軸電纜將 nRF9161 開發(fā)套件與頻譜分析儀連接，即可測量其射頻信號。（圖片來源：Nordic Semiconductor）

nRF9161 DK 的高級開發(fā)工具

應(yīng)用程序編程完成后，Nordic 提供兩種工具，方便開發(fā)人員觀察其性能。第一個是功率分析儀套件 II (PPK2)（圖 5）。該獨立裝置可測量開發(fā)套件的電流消耗，范圍在 200 nA 至 1 A 之間，分辨率在 100 nA 至 1 mA 之間。PPK2還可為開發(fā)套件提供高達 5 V、1 A 的電壓。

圖 5：PPK2 可以測量運行應(yīng)用程序時nRF9161 開發(fā)套件的平均和瞬時電流消耗。（圖片來源：Nordic Semiconductor）

PPK2與 nRF Connect for Desktop 軟件中的 Power Profiler 應(yīng)用程序配合使用。開發(fā)人員可以使用該應(yīng)用程序分析 nRF9161 套件在運行應(yīng)用程序時的平均和瞬時電流消耗。讀數(shù)持續(xù)時間較長，同時可根據(jù)需要放大到毫秒級。測量數(shù)據(jù)可以導(dǎo)出，以便進一步處理。

通過功耗分析，開發(fā)人員可以了解在哪些方面可以修改應(yīng)用代碼以節(jié)省電能，從而延長電池的設(shè)計壽命（圖 6）。

圖 6：nRF Connect for Desktop 中的 Power Profiler 應(yīng)用程序會顯示程序運行時的電流消耗。（圖片來源：Nordic Semiconductor）

Nordic的蜂窩監(jiān)視器工具有助于應(yīng)用開發(fā)，并由 nRF Connect for Desktop 軟件提供支持。監(jiān)視器顯示 nRF9161 SiP 的調(diào)制解調(diào)器在開發(fā)套件運行應(yīng)用程序時的的運行情況。這包括網(wǎng)絡(luò)性能、設(shè)備狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳輸。依據(jù)這些詳細信息，開發(fā)人員可以分析調(diào)制解調(diào)器流量并優(yōu)化應(yīng)用程序的性能。信息顯示在終端顯示。

結(jié)語

LTE-M、NB-IoT  和 DECT NR+ LPWAN 技術(shù)可為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供可靠、安全和可擴展的長距離連接，但開發(fā)無線硬件和軟件設(shè)備卻充滿挑戰(zhàn)。Nordic 的  nRF9161 SiP、嵌入式協(xié)議軟件以及支持 nRF9161 DK 的開發(fā)套件和應(yīng)用程序