基于4G LTE 模块物联网应用开发设计

　　物联网应用（如远程感测和控制）的开发人员正在努力寻找最佳解决方案，以实现无处不在的远距离、低功耗、低成本无线通信。此外，还要满足三个特别棘手的要求，即高可靠性、低延迟和最小干扰。虽然 5G 有望满足这些条件，但设计人员现在就可以使用 4G LTE 蜂窝网络，该网络在未来一段时间内将持续存在。

　　远程感测和控制应用包括全球资产监测和跟踪、公用事业计量、工业机器连接，以及大型户外工厂的预防性维护。后者包括炼油厂、化工厂和矿山、智能城市基础设施、可穿戴设备和家庭医疗监测，以及智能农业。

　　虽然随着各个供应商在不同地区推出 5G 网络，关于 5G 的讨论很多，但在可预见的未来，4G 蜂窝通信仍将继续占据主导地位。因此，开发人员在选择物联网射频接口时需要采取务实的态度。这不只是选择射频模块，还需要仔细考虑使蜂窝物联网切实可行所需的生态系统。关键的生态系统要素包括所需的软件堆栈、蜂窝基础设施，甚至是运营商流量套餐和计费系统，以确保物联网使用实现全面的蜂窝网络覆盖。

　　本文将详细介绍蜂窝物联网应用，以及实现这些应用所需的嵌入式技术。本文还将详细讨论最新硬件和软件技术的使用，以及可帮助工程师针对上述各种应用开发蜂窝物联网设计的可用资源。另外，还将包括有关现有流量套餐的信息。

　　为什么不是 5G？

　　尽管 5G 网络和设备标准取得了很大进展，但尚未完全确定。即使在标准最终确定时，也需要几年时间才能建立和部署标准化的 5G 网络和设备。与此同时，4G LTE 网络已自 2011 年开始投入商业运营，足以提供大多数物联网应用所需的性能和覆盖范围。

　　至少一项估计指出，4G LTE 网络约占当前全球蜂窝网络市场的 40%，而较旧的 2G 和 3G 网络各占市场的约 30%。即使到 2025 年，5G 的市场渗透率预计也不会超过 15%。有鉴于此，需要长距离和低功耗物联网系统的设计人员应利用现有的蜂窝基础设施，并遵守 4G LTE 和更早的标准。这些标准不仅是现成的，而且还在不断演进以满足物联网的需求，就和 4G LTE 的情况一样。

　　LTE 针对物联网的演进

　　LTE 标准的第三代合作伙伴计划 （3GPP） 第 13 版为物联网应用定义了新的 LTE 类别：类别 M1 （Cat-M1），以前称为 eMTC（增强型机器类型通信）；和类别 NB1 （Cat-NB1），以前称为窄带物联网 （NB-IoT）。这些新类别通过支持更低功耗、更长距离、更短延迟和更低成本，并通过使用许可频带实现最小干扰，来扩展 LTE 的物联网应用。

　　Cat-M1 定义了 1.4 MHz 信道宽度，上行链路吞吐量为 375 千比特每秒 （kbit/s），下行链路吞吐量为 300 kbit/s。Cat-NB1 定义了更窄的 200 千赫兹 （kHz） 信道宽度，吞吐量以每秒数十千比特来计。Cat-M1 延迟大约为 10 到 15 毫秒，而 Cat-NB1 延迟以秒来计，在某些部署方案中可能长达 10 秒。

　　这种性能足以满足许多物联网感测应用，例如抄表器、健康状态监护仪和高度移动的健身应用，这些应用可以从长覆盖距离和无处不在的蜂窝通信中受益。在目前以及可预见的未来，没有其他低功耗、广域无线技术能够像成熟的 4G LTE 网络一样，提供同等的可扩展性、安全性和使用寿命。

　　连接到云

　　一些供应商已经提供了各种模块，用于作为蜂窝数据调制解调器运行，或者将蜂窝数据调制解调器集成到嵌入式开发平台中。这些模块通过 4G LTE（甚至更早的）蜂窝网络将物联网设备连接到云。但是，单独的硬件模块无法将物联网设备连接到云，还需要适当的软件，以及与蜂窝网络提供商的托管连接。若没有这三项，就无法连接。

　　在选择蜂窝物联网模块时，是否配备应用处理器，取决于项目的硬件设计是从头开始，还是在现有嵌入式设计中添加蜂窝物联网连接。下面简要概述了一些带有和不带板载应用处理器的 4G LTE 蜂窝调制解调器模块和 IC。

　　Sierra Wireless 的 AirPrime WP7702 低功耗广域 （LPWA） 模块将应用处理子系统和蜂窝数据调制解调器，集成到尺寸为 22 x 23 x 2.5 毫米 （mm） 的小型封装中。该模块符合 3GPP 的第 13 版标准，并且采用 Cat-M1 和 Cat-NB1 协议。其峰值 Cat-M1 数据速率为下载 300 kbit/s，上传 375 kbit/s；Cat-NB1 数据速率为下载 27 kbit/s，上传 65 kbit/s。

　　为了与 AirPrime 射频模块配合使用，Sierra Wireless 提供了 Developer Studio 集成开发环境 （IDE）。此 IDE 构建于 Eclipse Java IDE 之上，允许开发人员通过在 Windows、Linux 和 MacOS 主机上运行的直观图形用户界面 （GUI），使用 Legato 开源应用程序框架创建应用程序。该工具包含在设计周期的各个阶段有用的实用程序和功能，以支持无线数据应用的应用程序软件开发。

　　Legato 结合了基于 Linux 的 OS 发行版（在 WP7702 模块的 1.3 千兆赫 （GHz） Arm® Cortex®-A7 集成处理器上运行）、板级支持包 （BSP），以及在主机 PC 上运行的定制开发工具。Sierra Wireless 还提供 AirVantage 物联网平台，这是一个自助服务门户，为一组 Sierra Wireless 蜂窝调制解调器提供连接和设备管理，这些调制解调器连接到全球许多不同的蜂窝网络运营商。这些运营商包括 AT&T、Verizon、NTT、Telstra、KT 和 SKT。AirVantage 还通过无线连接，自动更新 Sierra Wireless 调制解调器的固件。

　　Talon Communications， Inc. 将 Sierra Wireless WP7702 模块放在一张兼作开发平台的载卡上。WP7702 模块和载卡一起构成了 mangOH Red™ 评估板，该评估板具有用于蜂窝微型 SIM 卡（获得运营商服务所必需）的板载插槽。mangOH Red 平台将 WP7702 模块的众多接口引脚分接到各种连接器，包括三个天线连接器、两个微型 USB 连接器、一个全尺寸 USB 主机端口、一个带 I2C、SPI、UART 和 GPIO I/O 引脚的排针，以及一个 3.5 毫米立体声音频输出插孔。

　　mangOH Red 的 USB 主机端口可将该开发平台连接到主机计算机，以进行软件开发。加载适当的 Windows 驱动程序，并安装 Sierra Wireless 的 Legato Developer Studio，即可使用 WP7702 模块完成相关设置，以进行无线物联网应用程序开发。

　　u-blox 的 SARA-R410M-02B 是一款超小型 LTE Cat-M1 和 Cat-NB1 射频收发器模块，尺寸为 16 x 26 x 2.5 mm，采用 96 引脚 LGA 封装。

　　该收发器模块通过 USB 或 UART 接口连接到主机处理器，并由主处理器使用由 3GPP 定义的面向字符串的 AT 命令集来控制。SARA-R410M-02B 还配备 SIM 卡接口，用于识别运营商服务。

　　u-blox 的 EVK-R4 评估套件包含并分接了 u-blox SARA-R410M 模块的 I/O 引脚。该套件提供了适当的连接器，用于将模块连接到天线、电源和主机处理器；而且具有板载 SIM 卡座，可容纳 GNSS（全球导航卫星系统）子卡。GNSS 设备通常会与蜂窝无线电配对，可用于跟踪应用。（有关 GNSS 设备和模块的更多信息，请参阅“使用 GNSS 模块快速设计位置跟踪系统”和“使用经济高效的 GNSS 模块实现跟踪应用的快速采集和高精度”。）

　　图 4：u-blox 的 EVK-R4 开发套件分接了 u-blox SARA-R410M 模块的 I/O 引脚，以便于开发。（图片来源：u-blox）

　　Hologram， Inc. 通过将 u-blox 的 SARA-R410M 模块安装在小型 USB 板上，开发出 HOL-NOVA-R410。此解决方案提供了一种快速方法，用于将 LTE Cat-M1 和 Cat-NB1 射频收发器功能添加到配备 USB 端口的现有产品中。

　　Nordic Semiconductor 的 nRF9160 系统级封装 （SiP） 将应用微控制器、完整的 LTE 调制解调器、收发器前端以及电源管理功能，集成到尺寸为 10 x 16 x 1 mm 的封装中。该模块包含用于资产跟踪的 GPS 支持。若将从蜂窝网络获得的位置数据与 GPS 卫星三边测量相结合，可远程监测设备的位置。

　　nRF9160 的应用处理器是运行频率为 64 兆赫的 Arm Cortex-M33，该处理器与 256 千字节 （Kbyte） 的静态 RAM 和 1 兆字节 （Mbyte） 的闪存相结合。该模块的 4G LTE 调制解调器采用 3GPP 第 13 版 Cat-M1 和 Cat-NB1，以及第 14 版 Cat-NB1 和 Cat-NB2 协议。

　　Nordic Semiconductor 的 nRF9160-DK 开发套件针对 nRF9160 模块而提供，其 nRF9160 模块安装在载板上。

　　该软件开发套件 （SDK） 包括：

　　Zephyr Project 可扩展型实时操作系统 （RTOS），适用于 nRF9160

　　MCUboot 安全引导程序

　　nrfxlib RTOS 独立库

　　nRF9160-DK 开发套件的框图显示了 nRF9160 可能需要的支持元器件。

　　图 ：Nordic Semiconductor 的 NRF9160-DK 开发套件框图显示了 nRF9160 蜂窝物联网 SiP 可能需要的支持元器件。（图片来源：Nordic Semiconductor）

　　Nordic 建议使用 Segger Microcontroller Systems 的 Embedded Studio IDE 来构建 nRF9160 应用程序。Segger Embedded Studio 的专用版本可免费用于 Nordic Semiconductor 器件，包括 nRF9160 SiP。

　　流量套餐概述

　　在运营商网络上部署设备之前，必须首先通过鉴定流程，以确保该设备符合运营商对频带和干扰的要求。在进行该流程之前，开发人员需要选择合适的流量套餐，并考虑该流量套餐的长期成本。为此，此处提供了可用的物联网蜂窝流量套餐列表，作为有用的资源。

　　总结

　　蜂窝物联网环境正在迅速变化，特别是随着 5G 蜂窝技术的出现和即将到来的推广。市场上已有用于蜂窝物联网应用的射频模块，但这些模块需要生态系统的支持，才能使蜂窝物联网变得实用。这种生态系统包含所需的软件开发工具、堆栈和库，以便将芯片和模块解决方案转变为可部署产品。在 5G 普及之前，基于 4G LTE 的模块将成为未来许多年远程物联网感测和控制的可行解决方案。