基于ARM的Arduino处理器板的蜂窝调制解调器模块设计

通过利用运营商已经建立的蜂窝基础设施，设计人员可以使用此网络而不是Wi-Fi或其他网络接口来收集数据或提供远程管理。蜂窝网络是小型到中型数据包的理想选择，可以降低大型分布式系统的硬件预算，因为每个连接到蜂窝网络的设备都不需要本地Wi-Fi热点或中继器。此外，蜂窝调制解调器具有比Wi-Fi或其他无线网络接口更长的覆盖范围（信号可以更远）。

根据您需要的数据传输速率和您所在地区的运营商，有多种蜂窝选项需要连接。现在使用的各种标准包括GSM/GPRS，CDMA2000，HSPA，EVDO/CDMA，EDGE和LTE。在某些地区，2G蜂窝服务可提供高达约40 kbits/s的低数据速率连接，以实现更快的连接，EDGE，CDMA2000和HSPA +等3G服务可提供高达约3.1 Mbits/s和21 Mbits/的数据速率分别为，对于最高的数据传输速率，4G（LTE）服务，EVDO/CDMA和HSPA +可以提供高达100 Mbits/s的数据传输速率，具体取决于运营商。此外，公司现在正在开发所谓的5G网络，当数据传输速度变得真实时，可能会在2016/2017年的时间框架内或之后提供数十倍的数据传输速度。幸运的是，对于机器而言对机器（M2M）通信大多数数据传输不涉及大量数据，而是使用几百到几千字节的短脉冲。然而，传输速度仍然很重要 - 短的，高速的数据突发通常比较慢，连续的数据流消耗更少的功率。短时间突发使基带处理器可以在掉电模式下花费更多时间，从而大大降低功耗。

任何蜂窝调制解调器的核心都是基带处理器，这要归功于生产的大量手机在过去几年中，已经集成到单个芯片，从而简化了调制解调器的设计。 NimbeLink（图1）的Skywire系列中的典型调制解调器模块被挤压成由Digi International创建的XBEE模块格式（29 x 33 x 6.5 mm）。这些模块也广泛用于开发板，例如各种基于ARM的Arduino处理器板。

图1：提供3G蜂窝嵌入式调制解调器的所有基本功能， NimbeLink的小型插件模块（左）为设计人员提供3G CDMA蜂窝接口，基于Telit基带子系统的GPS/GLONASS收发器（右）。 XBEE模块格式为NimbeLink的Skywire系列模块提供了标准接口，具有不同的蜂窝接口。 （由NimbeLink提供）

但是，除非单位数量超过项目特定的成本交叉点，否则购买调制解调器模块可能比从芯片级别构建它更经济，更快捷。此外，购买模块无需获得FCC认证，因为模块通常是预先认证的。构建与购买的交叉点取决于多个因素 - 所需数量，所需功能，交付时间表以及物料清单与模块成本的成本。绘制线的位置将根据具体情况而有所不同，但是一个好的经验法则将交叉点设置为最小10，000单位，甚至可能更高。

现成的可嵌入蜂窝解决方案是提供两种基本形式 - 小型电路板模块，如NimbeLink的Skywire 3G CDMA模块，可插入主电路板上的插座（如图1所示），或更高工业强度的金属外壳模块（例如，Multi-Tech Systems的CDMA调制解调器，如图2所示），可以安装在系统机柜中的某个位置，并使用RS-232端口，USB电缆或其他接口连接到主机。 NimbeLink的模块有2G（Skywire GSM/GPRS），3G和4G版本，并且都使用XBEE外形尺寸来提供通用尺寸。数据传输速率范围从较旧的2G GSM/GPRS模块的40 kbits/s到2G CDMA2000模块的153.6 kbits/s。转向3G版本，使用CDMA/GPRS设备可实现高达3.1 Mbits/s的数据速率，并使用HSPA +或UMTS标准将数据速率提升至21 Mbits/s。 4G实现使用LTE和HSPA +标准提供高达100 Mbits/s的数据速率。所有模块都包括UART端口，USB端口，A/D转换器和几个通用I/O线。

图2：采用坚固的金属外壳，Multi-Tech的这款CDMA调制解调器将安装在工厂车间或安装在机柜中。

Digi International提供自己的4G LTE Cat 1调制解调器，是M2M的理想选择连接。由于它是LTE Cat 1，因此运营成本远低于传统的Cat 3或Cat 4计划（专为智能手机设计）。该设备通过FCC和Verizon终端设备认证，可加快产品上市速度，并可节省产品认证通常所需的数千美元。设计人员可以通过使用相关的开发套件来查看此调制解调器是否适合进行项目（图3）。该套件包括开始为大多数M2M应用开发蜂窝连接接口所需的一切。

图3：Digi International的这个开发套件提供评估使用4G LTE Cat 1连接所需的一切用于M2M应用。

NimbeLink的Skywire单元等模块在激活时消耗约580 mA，空闲时消耗约12 mA，在省电模式下仅消耗1.2 mA。它们采用3.5至4.3 V电源供电，额定工作温度范围为-40至+ 85°C。无论是选择模块还是金属外壳工业级调制解调器，设计人员都必须确定所需的数据速率以及采用的蜂窝标准。在某些情况下，调制解调器可能包含多个蜂窝标准以处理各种应用。

当然，对于任何蜂窝调制解调器，需要SIM卡进行识别并链接到特定的载波 - AT＆amp; T，Sprint ，Verizon，等等;当系统被激活时，它还必须有一个带有运营商的服务计划。该服务计划可以设置为简单的文本消息或各种数据计划，具体取决于系统设计者希望系统每月传输多少数据。