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

移動(dòng)健康監(jiān)控，遙感和智能城市等廣域物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)人員存在連接問(wèn)題：藍(lán)牙，zigbee和Wi-Fi缺乏所需的范圍，而傳統(tǒng)的蜂窩無(wú)線電太昂貴，耗電量大，

為了解決這個(gè)問(wèn)題，出現(xiàn)了另一種連接選項(xiàng)，LTE Cat M1蜂窩網(wǎng)絡(luò)。隨之而來(lái)的是易于使用，經(jīng)過(guò)認(rèn)證的解決方案，可大大降低蜂窩連接的復(fù)雜性和成本，同時(shí)加快面向廣域，低功耗，低成本，遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的上市時(shí)間。

其中一個(gè)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(kāi)始設(shè)計(jì)和編程。

LTE Cat M1基礎(chǔ)

LTE類(lèi)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(wù)，如Cat 4，旨在支持100 Mbits/s的吞吐量。對(duì)于低功耗，低成本物聯(lián)網(wǎng)傳感應(yīng)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(guò)度的。在LTE標(biāo)準(zhǔn)的版本13中，3GPP（第三代合作伙伴計(jì)劃）定義了一類(lèi)LTE技術(shù)，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(jié)果降低復(fù)雜性，更好地匹配物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)要求，同時(shí)仍允許設(shè)計(jì)人員利用蜂窩無(wú)處不在和相對(duì)無(wú)干擾的許可頻段操作。現(xiàn)在，遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可以在單個(gè)電池上運(yùn)行多年而無(wú)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(shè)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(shí)間要求的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中使用。

最后，LTE Cat M1支持支持預(yù)期增長(zhǎng)所需的LTE語(yǔ)音（VoLTE）連接在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中對(duì)基于語(yǔ)音的接口的需求，如健康和健身，零售，交通，建筑服務(wù)等等。

滿足LTE設(shè)計(jì)和認(rèn)證挑戰(zhàn)

雖然它有明顯的優(yōu)勢(shì)，LTE連接確實(shí)存在多重挑戰(zhàn)。在設(shè)計(jì)層面，LTE芯片組仍然是相對(duì)復(fù)雜的設(shè)備，對(duì)優(yōu)化發(fā)射機(jī)和接收機(jī)信號(hào)路徑有著嚴(yán)格的要求。

制造商通過(guò)提供將芯片組與優(yōu)化的RF電路設(shè)計(jì)相結(jié)合的LTE模塊來(lái)解決這些問(wèn)題，將系統(tǒng)接口要求（例如信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換和緩沖）留給系統(tǒng)設(shè)計(jì)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?chē)碾娐钒?，以及加速系統(tǒng)設(shè)計(jì)（如基于MCU的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(shè)計(jì)的基于蜂窩的系統(tǒng)也可能停止生產(chǎn)的要求。開(kāi)發(fā)人員需要通過(guò)認(rèn)證測(cè)試來(lái)符合政府和運(yùn)營(yíng)商的要求，這些測(cè)試可能會(huì)為完成的設(shè)計(jì)增加數(shù)月和大量成本。缺乏適當(dāng)認(rèn)證的產(chǎn)品根本不允許進(jìn)入運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)。

在更高級(jí)別的蜂窩解決方案層次結(jié)構(gòu)中，使用未經(jīng)認(rèn)證的組件會(huì)增加這些成本。例如，使用缺乏運(yùn)營(yíng)商認(rèn)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?yàn)檎J(rèn)證實(shí)驗(yàn)室填補(bǔ)了測(cè)試的空白。進(jìn)一步的復(fù)雜化是因?yàn)閮H從政府機(jī)構(gòu)或僅從承運(yùn)人那里獲得的認(rèn)證不能確保從另一個(gè)機(jī)構(gòu)獲得認(rèn)證。例如，在美國(guó)，運(yùn)營(yíng)商通常會(huì)征收超出美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）規(guī)定的額外測(cè)試要求。

NimbeLink通過(guò)其N(xiāo)L-SW-LTE-SVZM20消除了這些設(shè)計(jì)和認(rèn)證障礙Skywire LTE Cat-M1調(diào)制解調(diào)器。

使用隨時(shí)可用的調(diào)制解調(diào)器子系統(tǒng)進(jìn)行快速開(kāi)發(fā)

該調(diào)制解調(diào)器專(zhuān)為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有低功耗運(yùn)行，同時(shí)支持LTE Cat M1 Verizon LTE頻段B4和B13的服務(wù)。 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(yù)算相對(duì)較低的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供深度覆蓋。對(duì)于開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)同樣重要的是，調(diào)制解調(diào)器已經(jīng)過(guò)終端設(shè)備的預(yù)認(rèn)證，消除了與蜂窩認(rèn)證相關(guān)的成本和延遲。與此同時(shí)，NimbeLink的Skywire調(diào)制解調(diào)器支持固件升級(jí)，使開(kāi)發(fā)人員能夠在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中部署新功能。

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)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(jié)合，以提供完整的蜂窩子系統(tǒng)（圖1）。因此，開(kāi)發(fā)人員使用簡(jiǎn)單的系統(tǒng)集成接口，通過(guò)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(jié)合了LTE Cat M1模塊的特性和功能簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的集成。 （圖片來(lái)源：NimbeLink）

物理設(shè)計(jì)集成同樣簡(jiǎn)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(biāo)準(zhǔn)XBee外形尺寸，允許設(shè)計(jì)人員將調(diào)制解調(diào)器與兼容板相結(jié)合。設(shè)計(jì)人員可以利用XBee兼容引腳排列，使用一對(duì)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(lái)將調(diào)制解調(diào)器焊接到其電路板上（圖2）。開(kāi)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(lái)源：NimbeLink）

LTE子系統(tǒng)

NimbeLink通過(guò)其N(xiāo)L-M1DK開(kāi)發(fā)套件演示了調(diào)制解調(diào)器的接口設(shè)計(jì)和系統(tǒng)集成的詳細(xì)信息。雖然開(kāi)發(fā)板提供了完整的LTE Cat M1解決方案，但相關(guān)的原理圖說(shuō)明了將調(diào)制解調(diào)器集成到定制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所需的簡(jiǎn)單接口（圖3）。

圖3：NimbeLink提供了詳細(xì)的原理圖，用于將其N(xiāo)L-SW-LTE-SVZM20 Skywire LTE Cat-M1調(diào)制解調(diào)器連接到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，包括MOSFET緩沖區(qū)和電流測(cè)量測(cè)試點(diǎn)。 （圖像來(lái)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(shè)計(jì)中。除了少量電阻和電容外，NimbeLink還增加了一對(duì)ON Semiconductor FDV301N MOSFET緩沖器。 NimbeLink還在開(kāi)發(fā)板上增加了一個(gè)SusumuRL1220S-R10-F表面貼裝電流檢測(cè)電阻，允許開(kāi)發(fā)人員測(cè)量整個(gè)電路板J13連接器的調(diào)制解調(diào)器電流。

除了評(píng)估LTE Cat M1連接，開(kāi)發(fā)人員還可以使用該電路板用于構(gòu)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(gè)圍繞德州儀器BQ25060DQCR構(gòu)建的電池管理電路。因此，開(kāi)發(fā)人員可以簡(jiǎn)單地插入可充電電源，例如SparkFun Electronics PRT-13855 2 Ah @ 3.7伏（標(biāo)稱）鋰電池，以獨(dú)立配置為電路板供電。板載LED和按鈕支持簡(jiǎn)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(dú)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(shè)計(jì)評(píng)估提供了額外的數(shù)據(jù)源。 SHT30傳感器通過(guò)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(dú)的板引腳上。最后，該板包含一個(gè)FTDI FT2232D IC，它提供了一個(gè)USB接口，用于連接開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。

開(kāi)發(fā)人員只需連接提供的天線，電源線，USB線，就可以開(kāi)始使用開(kāi)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(dòng)設(shè)備一樣，開(kāi)發(fā)人員還需要在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)上激活設(shè)備。在這種情況下，開(kāi)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(luò)上的調(diào)制解調(diào)器。

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

連接后，設(shè)備在NimbeLink數(shù)據(jù)計(jì)劃上運(yùn)行，使用Verizon網(wǎng)絡(luò)內(nèi)NimbeLink專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的專(zhuān)用IP地址。結(jié)果，蜂窩連接設(shè)備無(wú)法從公共因特網(wǎng)上訪問(wèn)，因?yàn)樗荒軐?shù)據(jù)發(fā)送到因特網(wǎng)。之后，開(kāi)發(fā)人員可以在Verizon網(wǎng)絡(luò)中的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)中為生產(chǎn)設(shè)備配置靜態(tài)IP，以便通過(guò)Internet進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的雙向通信。無(wú)論是在NimbeLink專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行還是在自己的網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行，調(diào)制解調(diào)器都使用一組簡(jiǎn)單的命令來(lái)提供連接服務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)連接

開(kāi)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(jìn)行交互AT命令，以交互方式或以編程方式提供。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，工程師可以通過(guò)USB將電路板連接到主機(jī)系統(tǒng)，并使用PuTTY等主機(jī)終端程序發(fā)出AT命令，以便與調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行交互。

雖然創(chuàng)建適當(dāng)?shù)腁T命令序列的任務(wù)是很簡(jiǎn)單，NimbeLink消除了這個(gè)開(kāi)發(fā)步驟。 NimbeLink的開(kāi)源庫(kù)為開(kāi)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(kāi)與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(lèi)型和用戶訪問(wèn)點(diǎn)名稱（APN），設(shè)置電話功能（FUN），附加到分組服務(wù)（CGATT）和執(zhí)行（CGDATA） ）PPP連接（清單1）。

在應(yīng)用程序中，開(kāi)發(fā)人員可以使用共享UART連接對(duì)IoT設(shè)備的MCU主機(jī)進(jìn)行編程，以發(fā)送類(lèi)似的AT命令流。建立PPP連接后，IoT設(shè)備將使用傳統(tǒng)的http Web協(xié)議或輕量級(jí)消息傳遞協(xié)議（如ISO標(biāo)準(zhǔn)消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（MQTT））與云服務(wù)器進(jìn)行交互。反過(guò)來(lái)，IoT應(yīng)用程序通常會(huì)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(yàn)證與云建立安全連接。

IoT云

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)（如Amazon Web Services（AWS））支持此特定通信堆棧，同時(shí)提供額外的面向物聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)。對(duì)于AWS，開(kāi)發(fā)人員可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)AWS IoT應(yīng)用程序編程接口（API）的庫(kù)來(lái)訪問(wèn)這些服務(wù)。例如，AWS IoT Embedded C庫(kù)包含演示用于構(gòu)建自定義IoT應(yīng)用程序的基本設(shè)計(jì)模式的示例程序。示例程序說(shuō)明了與MQTT一起使用的基本發(fā)布/訂閱模型的實(shí)現(xiàn)。這里，示例顯示了開(kāi)發(fā)人員如何使用該調(diào)用：

清單3：開(kāi)發(fā)人員可以在Amazon Web Services（AWS）云上構(gòu)建IoT應(yīng)用程序，使用AWS IoT Embedded C庫(kù)（例如此MQTT消息結(jié)構(gòu)）提供的樣本對(duì)其軟件進(jìn)行建模。 （代碼來(lái)源：Amazon Web Services）

清單4：AWS IoT Embedded C庫(kù)中的示例軟件說(shuō)明了關(guān)鍵設(shè)計(jì)模式，例如IoT設(shè)備可能用于的回調(diào)處理與訂閱的MQTT主題相關(guān)的異步數(shù)據(jù)。 （代碼來(lái)源：Amazon Web Services）

開(kāi)發(fā)人員可以將AWS嵌入式C庫(kù)或類(lèi)似的AWS IoT庫(kù)用于C ++，Java和Python等，以將IoT設(shè)備連接到AWS IoT平臺(tái)。在其物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中，AWS提供諸如身份驗(yàn)證，設(shè)備陰影和基于規(guī)則的激活等服務(wù)。一旦連接到AWS IoT平臺(tái)，應(yīng)用程序就可以利用更全面的AWS云服務(wù)集來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)流，分析，監(jiān)控等。

結(jié)論

LTE Cat M1為越來(lái)越多的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的低功耗，廣域連接提供了越來(lái)越有吸引力的選擇。與早期的蜂窩技術(shù)不同，LTE Cat M1連接可以降低系統(tǒng)成本，功耗和復(fù)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(kāi)發(fā)人員可以快速實(shí)現(xiàn)LTE Cat M1連接，而無(wú)需額外的硬件設(shè)計(jì)或軟件開(kāi)發(fā)。