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來源：Digi-Key 蜂窩物聯網 (IoT) 是一種低功耗廣域網 (LPWAN) 技術，為從智能城市到農業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建立安全強大的物聯網。但蜂窩物聯網是一項復雜技術，對于缺乏經驗的設計者而言，著手開展項目會令人望而生畏。 但是，在使用熟悉的通用微控制器 (MCU) 和集成設計環境 (IDE) 的蜂窩開發板上建立項目，可以讓蜂窩物聯網設計變得輕松。在開源軟件庫和簡單傳感器連接的支持下，從硬件布局一直到發送數據至云端，這些開發板使設計人員更容易開始蜂窩物聯網項目。 本文先簡要概述蜂窩物聯網的優勢，再介紹該技術可能帶來的設計復雜性，然后說明如何使用蜂窩物聯網開發板來消除這種復雜性。最后，本文將介紹如何設置 Microchip Technology 開發板，將簡單的顏色和溫度數據發送到云端。 什么是蜂窩物聯網？ 蜂窩物聯網使用低功耗蜂窩技術將物聯網終端設備（如傳感器和執行器）連接至云端。這是一種 LPWAN 技術，特點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，尤其是 LoRaWAN（見“用端到端入門套件加速 LoRaWAN 物聯網項目”）和 Sigfox，但蜂窩物聯網提供一些關鍵優勢，包括： · 面向未來：作為一項標準，蜂窩物聯網規范一直處于審查和發展中。 · 可擴展性：蜂窩物聯網可以通過成熟的蜂窩架構支持物聯網的快速部署。 · 服務質量 (QoS)：蜂窩物聯網具有高可靠性，因為它基于已在大量商業應用中經過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關。 設計人員需要考慮到，采用蜂窩物聯網會持續產生與數據傳輸相關的費用。而 LoRaWAN 等使用非許可頻譜的競爭技術則不會。然而，由于競爭壓力和越來越多地使用邊緣計算，在網絡上發送的非重要數據量大幅減少，蜂窩物聯網數據成本呈下降趨勢。 蜂窩物聯網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) 調制解調器的類別，以支持適用于物聯網連接的低成本、低功耗和低吞吐量調制解調器。該標準的后續版本進一步增強了這些物聯網調制解調器。 配備蜂窩物聯網調制解調器的無線傳感器，無需昂貴復雜的網關，即可在數公里范圍內向云端發送數據，同時具備蜂窩物聯網所特有的安全性和 QoS。 LTE-M 與 NB-IoT 的區別 蜂窩物聯網有兩種形式，LTE M1 類 (LTE-M) 和窄帶物聯網 (NB-IoT)。這兩種類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網和工業物聯網 (IIoT) 設備。由于物聯網調制解調器連接至現有蜂窩基礎設施，因此每個都需要自己的用戶標識模塊 (SIM)。 LTE-M 基于精簡的 LTE (“4G”) 技術，支持安全通信、無處不在的網絡覆蓋和高系統容量。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。該技術適用于安全的端到端 IP 連接，由 LTE 小區切換技術提供移動支持。LTE-M 適用于移動應用，如資產跟蹤或醫療保健。 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 適合靜態應用，如可能被墻壁遮擋的智能電表。 商用蜂窩物聯網調制解調器 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。該設備支持單個庫存單位 (SKU) 的射頻前端，適用于 20 個全球 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 50 歐姆 (Ω) 的天線接口。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。（圖片來源：Sequans） 蜂窩物聯網設計挑戰 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，但與所有商業調制解調器一樣，仍需進行大量的開發工作，物聯網應用才能向數公里外的云端無縫發送數據。 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電路、電源以及為終端設備配備 SIM 卡，以確保與蜂窩網絡的無縫連接（參見“如何在物聯網設計中使用多頻段嵌入式天線以節省空間、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絡并收發數據。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行組合，以生成撥號、掛斷和更改連接參數等操作。 有兩種類型的 AT 命令：非“+”開頭的基本命令，例如，“D”（撥號）、“A”（應答）、“H”（勾控制）和“O”（恢復在線數據狀態）。“+”開頭的擴展命令，例如，“+CMGS”（發送短信）、“+CMGL”（列出短信）和 “+CMGR”（讀取短信）（參見“使用蜂窩模塊將創客項目連接到 IoT”）。 這些硬件和軟件考慮因素給蜂窩物聯網帶來了復雜性，可能會使經驗不足的設計者進展緩慢。幸運的是，應用 MCU 和蜂窩物聯網調制解調器制造商現在已開始攜手提供硬件和軟件設計工具，使得利用這一重要的 LPWAN 技術更加容易。 使用物聯網開發板消除復雜性 在專門設計的開發板上建立原型使應對蜂窩物聯網設計的挑戰變得容易得多。開發板硬件通常包括天線、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絡。這為設計人員的項目提供了堅實的硬件基礎，使他們能夠專注于應用開發。如果選擇了正確的開發板，甚至可以在熟悉的 IDE 中進行應用開發。 流行的蜂窩物聯網開發板的一個示例是 Microchip 的 EV70N78A AVR-IoT Cellular Mini 開發板。這是一個硬件平臺，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。 該開發板還集成了 ATECC608B 安全元件；連接至 LTE-M 或 NB-IoT 網絡后，ATECC608B 可用于云端驗證硬件，以唯一地識別每塊開發板。 為了讓設計人員更輕松，Microchip 開發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。 該開發板具有五個用戶 LED、兩個機械按鈕、一個 32.768 kHz 晶體、顏色和溫度傳感器、一個 Adafruit Feather 兼容的邊緣連接器、一個 Qwiic I2C 連接器、一個板載調試器、一個 USB 端口、電池和外部輸入電源選件，以及一個帶有充電狀態 LED 的 MCP73830 鋰離子/鋰聚合物電池充電器（圖 2）。
圖 2：AVR-IoT Cellular Mini 開發板基于 AVR128DB48 MCU，配有 SIM 卡和 150 MB 數據流量。（圖片來源：Microchip Technology） 啟動蜂窩物聯網項目 蜂窩物聯網的目的是無線連接物聯網終端設備，如傳感器和致動器，以便發送數據到數公里外的云端。在 Microchip 開發板上，MCU 預裝了固件映像，這是一個演示應用程序，用戶可通過它快速連接到基于云的沙盒（由 AWS 托管）并發送板載溫度和顏色傳感器的數據。 要使硬件做好開發準備，只需激活并插入 SIM 卡，將外部天線連接到板上，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大容量存儲設備，并按照 CLICK-ME.HTM 進入套件網頁。 來自 Github 的 Microchip 物聯網配置工具提供了一個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、設置網絡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 沙盒配置開發板）。 開發人員對演示應用程序有了一定的信心后，他們就可以開始使用開發板的完整 Arduino IDE 支持來構建自己的應用程序。這種支持基于 Github 上托管的 AVR 物聯網蜂窩 Arduino 庫。該庫建立在開源 DxCore 之上（圖 3）。
圖 3：AVR IoT 手機物聯網庫（橙色）包括用于編程和控制開發板的軟件模塊（綠色為簡化形式）。（圖片來源：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，此開發板的 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 物聯網開發板方框圖顯示，與主機的連接是通過調試器的 USB 鏈接，而應用 MCU 編程是通過調試器 UART 鏈接。請注意，應用 MCU 與蜂窩式調制解調器之間也是通過 UART 連接。（圖片來源：Microchip Technology） 開始應用編程需要下載并安裝 Arduino IDE 和 DxCore。接下來，需要配置 Arduino IDE，以允許 AVR 物聯網蜂窩 Arduino 庫運行（清單 1）。
清單 1：允許 AVR 物聯網蜂窩 Arduino 庫運行的 Arduino IDE 配置。（代碼來源：Microchip Technology） IDE 配置完成即可安裝庫。完成后，可以訪問開發板的幾個庫示例。熟悉 Visual Studio Code 集成開發環境的設計人員可以用它進行 AVR 物聯網開發，只要安裝 Arduino 插件即可。在任何 IDE 中開發的 Arduino 應用程序代碼都可以通過板載調試器移植到開發板的 MCU 上。 進行功耗測量 蜂窩物聯網設計為低功耗運行，以延長電池供電的物聯網終端設備的壽命。因此，優化應用程序代碼以實現最小功耗非常重要。 在 Microchip 開發板上，所有開發板元器件的電源都通過五條分割帶連接。這些分割帶也可用于測量電流。為了測量所需電路的功耗，只需割開分割帶并穿孔連接電流表（圖 5）。
圖 5：AVR 物聯網開發板上的分割帶可以用來測量關鍵電路的功耗。（圖片來源：Microchip Technology） 該開發板還具有系統電壓測量電路，通過 MIC94163 開關和連接至 MCU 上 ADC 引腳的分壓器，實現了按需測量并防止通過分壓器漏電。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，通過以下步驟測量電源電壓也很簡單： 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 蜂窩物聯網是一種流行的 LPWAN，其商業潛力越來越大。然而，設計由蜂窩物聯網驅動的終端設備需要兼具硬件和軟件專業知識。為了幫助設計人員，新型蜂窩物聯網開發板，如 Microchip 的 EV70N78A AVR-IoT Cellular Mini 開發板，提供了一個快速原型設計途徑。 這種開發板使用高端 LTE-M/NB-IoT 調制解調器和流行的 Microchip MCU。使用 Arduino 或 Visual Studio Code IDE 可以簡化應用程序代碼的開發。 |
