Use um kit de desenvolvimento combinado de LTE-M, NB-IoT e DECT NR+ para iniciar um projeto de IoT sem fio

As tecnologias celulares sem fio de rede de área ampla de baixa potência (LPWAN) para a Internet das Coisas (IoT), como a comunicação do tipo máquina de evolução de longo prazo (LTE-M) e a IoT de banda estreita (NB-IoT), oferecem um alcance de conectividade sem fio de mais de um quilômetro (km) para dispositivos alimentados por bateria usando a infraestrutura celular existente e comprovada. O New Radio+ (DECT NR+) é uma alternativa LPWAN sem licença para aplicações que exigem uma abordagem semelhante à do celular para implementações maciças de IoT. Todas as três abordagens podem ser complexas de implementar para os desenvolvedores, mesmo para aqueles com experiência em redes sem fio de curto alcance.

Trabalhar com um provedor de soluções que ofereça produtos pré-certificados com pilhas de software de protocolo LTE-M, NB-IoT ou DECT NR+ integradas e modems automatizados pode compensar a complexidade do projeto da LPWAN. Essas soluções permitem que o desenvolvedor se concentre mais na diferenciação das aplicações e atinja as metas de tempo de colocação no mercado.

Este artigo resume os benefícios do LTE-M, NB-IoT e DECT NR+ para conectividade IoT de longo alcance e discute os desafios de implementação. Em seguida, apresenta uma combinação de dispositivos celulares IoT e DECT NR+ e o kit de desenvolvimento associado da Nordic Semiconductor e mostra como eles podem ser usados para superar esses desafios.

Por que usar LTE-M, NB-IoT ou DECT NR+ sem fio?

Para ser uma parte fundamental da rede global que forma a Internet, os dispositivos de IoT devem ser capazes de se comunicar com a nuvem usando o Protocolo de Internet (IP) sem o uso de gateways caros. Em algumas aplicações, como agricultura, cidades inteligentes e monitoramento ambiental, a comunicação deve ser realizada em longas distâncias e exigir o mínimo de manutenção. Esse último se traduz em baixo consumo de energia para maximizar a vida útil da bateria.

O LTE-M e o NB-IoT oferecem uma solução celular para esses desafios. Eles são baseados em especificações definidas pelo 3GPP, portanto, são interoperáveis com IP e oferecem alcance superior a quilômetros. O LTE-M e o NB-IoT operam em bandas de frequência de 698 megahertz (MHz) a 960 MHz e de 1710 MHz a 2200 MHz, respectivamente. Os detalhes técnicos do LTE-M e do NB-IoT estão resumidos na Tabela 1.

Tabela 1: é mostrada uma comparação entre LTE-M e NB-IoT. (Fonte da imagem: Nordic Semiconductor)

O DECT NR+ oferece uma alternativa para aplicações que exigem conectividade de longo alcance sem uma taxa de licença. É baseado em especificações 5G, opera na banda de 1900 MHz, pode suportar LPWANs de alta densidade e é adequado para comunicações máquina a máquina (M2M) e monitoramento da qualidade do ar em toda a cidade.

Simplificando o projeto de RF

A implementação de projetos de RF é desafiadora para muitos desenvolvedores e, com frequência, pode comprometer os cronogramas de colocação no mercado. No entanto, alguns desafios de hardware podem ser superados com a seleção de uma solução integrada que oculta grande parte da complexidade. Um exemplo é o sistema no invólucro (SiP) nRF9161 da Nordic Semiconductor (Figura 1).

O SiP incorpora um processador Arm^® Cortex^®-M33 dedicado ao software da aplicação e um modem compatível com as interfaces de RF LTE-M, NB-IoT e DECT NR+. Ele também inclui um front-end de RF (RFFE) e um sistema de gerenciamento de energia, tudo em um invólucro LGA (land grid array) de 16,0 x 10,5 x 1,04 milímetros (mm). O modem suporta IPv4/IPv6 e atualizações criptografadas de firmware por via aérea (FOTA). O processador da aplicação é suportado por 1 megabyte (Mbyte) de memória flash e 256 quilobytes (Kbytes) de RAM.

Figura 1: O SiP nRF9161 incorpora um processador Arm Cortex-M33, modem LTE, RFFE, memória e gerenciamento de energia. (Fonte da imagem: Nordic Semiconductor)

O SiP também possui um receptor GNSS para aplicações como rastreamento de localização. As interfaces e os periféricos incluem um conversor analógico-digital (ADC) de 12 bits, relógio em tempo real (RTC), interface periférica serial (SPI), circuito inter-integrado (I²C), som inter-CI (I²S), receptor/transmissor assíncrono universal (UART), modulação por densidade de pulso (PDM) e modulação por largura de pulso (PWM). O SiP permite o desenvolvimento de uma solução de IoT celular ou DECT NR+, usando um único dispositivo, uma antena, bateria, SIM ou eSIM e um sensor (Figura 2).

Figura 2: O SiP nRF9161 é uma solução de conectividade IoT altamente integrada para celulares (LTE-M, NB-IoT) e DECT NR+. (Fonte da imagem: Nordic Semiconductor)

Desafios do projeto de software

Os desafios do projeto IoT de RF se estendem ao software. As pilhas celulares e DECT NR+ são grandes e altamente complexas; a construção de qualquer uma delas a partir do zero requer especialistas em protocolo. No caso do LTE-M e do NB-IoT, o desenvolvedor deve implementar comandos de atenção (AT) específicos do celular depois que a pilha for criada e testada. Eles são a base da comunicação entre qualquer modem celular e seu controlador host. Eles são usados principalmente para configurar e depurar o modem e permitir a conexão de rede por meio de operadoras de rede móvel (MNOs).

A Nordic facilita os problemas de codificação de software, fornecendo uma pilha LTE-M estável e comprovada, pré-programada no modem do SiP. Além disso, o aplicativo Serial LTE Modem da Nordic lida com comandos AT que instruem o modem a transmitir e receber dados.

Além dos desafios de engenharia, os modems celulares também precisam atender a requisitos rigorosos de certificação e regulamentação específicos da região. Isso inclui certificações globais para garantir a compatibilidade com as especificações LTE, permitindo que o dispositivo final se comunique em redes LTE-M ou NB-IoT. Além disso, algumas MNOs têm seus próprios requisitos de certificação.

Mais uma vez, a Nordic aliviou a carga do desenvolvedor ao pré-certificar o SiP nRF9161 para operar nas regiões mais críticas, nas principais redes e nas principais bandas LTE dessas redes.

Usando o kit de desenvolvimento nRF9161

Embora o SiP nRF9161 facilite alguns desafios críticos de hardware e software associados à IoT celular e ao desenvolvimento do DECT NR+, a criação de um protótipo funcional ainda exige esforço. Para agilizar o processo de projeto, a Nordic oferece o kit de desenvolvimento nRF9161 DK (Figura 3) e um pacote de ferramentas de software. As ferramentas são lideradas pelo nRF Connect SDK da empresa, um ambiente de desenvolvimento unificado para as soluções sem fio da Nordic.

O kit de desenvolvimento incorpora o SiP e inclui os circuitos necessários para permitir um protótipo totalmente funcional. O kit apresenta uma antena LTE-M/NB-IoT e DECT NR+ dedicada e uma antena patch integrada para GNSS. A programação e a depuração são possíveis por meio do SEGGER J-Link na placa, e o kit é fornecido com um cartão SIM pré-carregado com dados. Ele também suporta o uso de um Software SIM, reduzindo ainda mais o consumo de energia.

Figura 3: O nRF9161 DK inclui o SiP nRF9161 para LTE-M, NB-IoT e DECT NR+ e apresenta antenas LPWAN e GNSS, um SEGGER J-Link na placa para programação e depuração e um cartão SIM pré-carregado. (Fonte da imagem: Nordic Semiconductor)

Para começar a desenvolver com o kit nRF9161, o cartão SIM deve ser conectado (ou o eSIM deve ser ativado), a chave PROG/DEBUG SW10 deve ser definida como "nRF91" e o kit deve ser conectado a um computador de mesa usando um cabo micro-USB 2.0. O kit de desenvolvimento requer um sistema operacional (SO) Windows, macOS ou Ubuntu Linux.

A próxima etapa é instalar o nRF Connect for Desktop da Nordic e ativar o software. A partir daí, é possível instalar o aplicativo Quick Start, uma ferramenta para procedimentos guiados de configuração e instalação. O software simplifica a atualização do firmware do kit de desenvolvimento e a ativação do cartão SIM. Para transmitir dados do kit para a nuvem, o desenvolvedor pode configurar uma conta Nordic nRF Cloud ou conectar-se a outros serviços de nuvem.

O aplicativo Quick Start direcionará o desenvolvedor para o nRF Connect SDK da Nordic. O SDK funciona com o Visual Studio Code, um popular ambiente de desenvolvimento integrado (IDE), usando a extensão nRF Connect for VS Code da Nordic. O SDK é usado para desenvolver aplicativos e inclui exemplos úteis, como a recuperação da localização de um dispositivo usando posicionamento GNSS, celular ou Wi-Fi, e a transmissão de dados de sensores do kit nRF9161 para a nuvem.

Depois que o aplicativo é criado, a programação na placa do processador Arm do SiP nRF9161 é simples. A primeira etapa é conectar o kit a um PC usando um cabo USB e ligá-lo. Na extensão nRF Connect for VS Code, o desenvolvedor deve clicar na opção "Flash" em "Actions View". Uma notificação é exibida, mostrando o progresso da programação e confirmando a conclusão.

O kit de desenvolvimento também permite que o desenvolvedor verifique o sinal de RF LTE-M, NB-IoT ou DECT NR+. O bom desempenho de RF é essencial para maximizar o alcance da comunicação entre o dispositivo IoT e a estação base. Para fazer a medição, um cabo é instalado entre o pequeno conector coaxial (J1) no kit e um analisador de espectro (Figura 4).

Figura 4: O sinal de RF do kit de desenvolvimento nRF9161 pode ser medido conectando-o a um analisador de espectro com um cabo coaxial. (Fonte da imagem: Nordic Semiconductor)

Ferramentas de desenvolvimento avançadas para o nRF9161 DK

Depois que uma aplicação está programada, a Nordic oferece duas ferramentas que permitem que o desenvolvedor observe seu desempenho. A primeiro é o Power Profiler Kit II (PPK2) (Figura 5). Essa unidade autônoma pode medir o consumo de corrente do kit de desenvolvimento em uma faixa de 200 nanoamperes (nA) a 1 ampere (A) com uma resolução que varia entre 100 nA e 1 miliampere (mA). O PPK2 também pode fornecer até 5 volts a 1 A para o kit de desenvolvimento.

Figura 5: O PPK2 pode medir o consumo de corrente média e instantânea do kit de desenvolvimento nRF9161 ao executar uma aplicação. (Fonte da imagem: Nordic Semiconductor)

O PPK2 é usado com um aplicativo Power Profiler, parte do software nRF Connect for Desktop. O desenvolvedor pode usar o aplicativo para analisar o consumo de corrente média e instantânea do kit nRF9161 ao executar uma aplicação. As leituras podem ser feitas em uma duração prolongada e, ao mesmo tempo, com zoom em um intervalo de milissegundos, se necessário. Os dados medidos podem ser exportados para processamento posterior.

A análise do consumo de energia permite que o desenvolvedor veja onde o código do aplicativo pode ser modificado para economizar energia e prolongar a vida útil da bateria do projeto (Figura 6).

Figura 6: O aplicativo Power Profiler no nRF Connect for Desktop exibe o consumo de corrente da aplicação à medida que ele é executado. (Fonte da imagem: Nordic Semiconductor)

A ferramenta Cellular Monitor da Nordic ajuda no desenvolvimento da aplicação e é suportada pelo software nRF Connect for Desktop. O monitor mostra o que o modem do SiP nRF9161 está fazendo, enquanto o kit de desenvolvimento executa a aplicação. Isso inclui o desempenho da rede, o status do dispositivo e a transmissão de dados. Esses detalhes permitem que o desenvolvedor analise o tráfego do modem e otimize o desempenho da aplicação. As informações são exibidas em um terminal serial.

Conclusão

As tecnologias LPWAN LTE-M, NB-IoT e DECT NR+ oferecem conectividade de longo alcance confiável, segura e escalável para dispositivos IoT, mas o desenvolvimento de dispositivos de hardware e software sem fio pode ser um desafio. O SiP nRF9161 da Nordic, o software de protocolo incorporado, o kit de desenvolvimento nRF9161 DK e aplicativos reduzem muito a complexidade do projeto.