Jste zde

Bezdrátová komunikace v systémech IoT s využitím modulů Arduino MKR

TME Česká Republika, 30. Červen 2021 - 7:59

Vývojové kity Arduino z rodiny MKR umožňují rychlý vývoj prototypů zařízení IoT, která využívají bezdrátovou komunikaci ve standardech WiFi/Bluetooth, LoRaWAN/Sigfox, GSM/3G či NB-IoT.

Jedním z největších problémů, se kterým se aktuálně potýká trh Internetu věcí (IoT), je jeho velká roztříštěnost. Početnost zařízení a komunikačních protokolů značně komplikuje stavbu jednolitého a funkčního systému, rozhodneme-li se pro použití prvků procházejících od různých výrobců. Příčin tohoto rozdělení je hodně, a ne vždy souvisejí výlučně se snahou konstruktérů prosadit svá licencovaná řešení. Rozsah pojetí IoT zahrnuje mnoho typů zařízení. Mohou to být např. nevelká měřicí čidla napájené z alternativních zdrojů energie a vyžadující výměnu nevelkého množství dat na velké vzdálenosti, ale také vzdálené kamery přenášející obraz s velkým rozlišením v reálném čase. Specifika projektovaného zařízení tedy vyžadují, aby konstruktéři zvolili vhodnou technologii bezdrátové komunikace, adekvátní nárokům, které jsou na navrhované zařízení kladeny. Do úvahy je třeba vzít mj. dobu provozu baterie, dosah komunikace nebo množství přenášených dat. Výrobci vývojových sad (včetně platformy Arduino) zareagovali na potřeby trhu a postarali se, aby jejich portfolio v pokud možno plném rozsahu pokrývalo požadavky konstruktérů zařízení IoT. V článku představujeme krátkou charakteristiku vybraných vývojových kitů Arduino z rodiny MKR, připravovaných se záměrem umožnit rychlý vývoj prototypů zařízení IoT, která využívají bezdrátovou komunikaci ve standardech WiFi/Bluetooth, LoRaWAN/Sigfox, GSM/3G či NB-IoT.

Komunikace WiFi/Bluetooth s Arduinem MKR 1000/1010

Komunikace v kmitočtovém pásmu ISM 2,4 GHz s využitím standardů WiFi a Bluetooth již několik let funguje na trhu zařízení IoT. Pro potřeby rychlé realizace hardwarově-softwarových prototypů, využívajících komunikaci WiFi, vyvinula firma Arduino vývojové kity Arduino MKR WiFi 1000 a MKR WiFi 1010. První z uvedených je založen na modulu ATSAMW25, obsahujícím mikrokontrolér SAMD21, rádiový kanál WINC1500 a šifrovací obvod ECC508. Kit ve verzi MKR 1010 je osazen rádiovým modulem NINA-W102 firmy u-blox, který nabízí komunikaci Bluetooth/BLE.

Obrázky 1 a 2. Moduly Arduino MKR WAN 1000 (vlevo) a MKR WAN 1010 (vpravo).

Po softwarové stránce zpřístupňuje firma Arduino pro moduly MKR WiFi 1000 knihovnu WiFi101, podporující šifrování WEP a WPA2 Personal. Pro modul MKR WiFi 1010 (a jiné kity založené na modulu u-blox NINA-W102, včetně Arduina NANO 33 IoT) připravil výrobce knihovnu WiFiNINA a také řadu vzorových aplikaci představujících integraci do cloudu Android IoT Cloud a Azure, AWS IoT Core, Google Firebase či Blynk.

Komunikace LoRaWan a Sigfox – moduly Arduino MKR WAN 13X0 A FOX 1200

Dynamický rozvoj systémů IoT přinesl nárůst zájmu o tématiku inteligentních měst. Bohužel má komunikace s využitím standardů WiFi/Bluetooth/BLE lokální charakter a nesplňuje všechny požadavky kladené na projekty ze skupiny „Smart City” (mezi které zahrnujeme mj. rozsáhlé sítě čidel znečištění, monitoringu hladiny vod či obsazení parkovacích míst). Řešením problémů může být využití jednoho ze dvou v současnosti nejpopulárnějších komunikačních standardů v oblasti sítí LPWAN (angl. Low Power Wide Area Network) – LoRaWAN nebo Sigfox, umožňujících přenos nevelkého množství dat na velké vzdálenosti. Pro potřeby rychlého vývoje prototypů zařízení využívajících komunikaci LoRa/LoRaWAN připravili konstruktéři Arduina vývojový kit MKR WAN 1300 a jeho nástupce MKR WAN 1310. Oba moduly jsou založeny na mikrokontroléru Atmel SAMD21, používaném v jiných modulech řady Arduino MKR, a také na rádiovém modulu Murata CMWX1ZZABZ. Novější verze modulu je navíc vybavena 2 MB paměti Flash, novým obvodem nabíjení baterie a je - optimalizovaná z hlediska nízkého příkonu - napájecí obvody.

Obrázek 3 a 4. Moduly Arduino MKR WAN 1300 (vlevo) a MKR WAN 1310 (vpravo).

Moduly MKR WAN 13x0 spolupracují s cloudem Arduino IoT Cloud zpřístupněným výrobcem. Komplexnost dodávaných řešení doplňuje přístupová brána Arduino Pro Gateway LoRa Connectivity optimalizovaná z pohledu modulů MKR WAN 1310.

Zajímavou alternativou ke komunikaci LoRa/LoRaWAN je standard Sigfox, kladoucí zvláštní důraz na komunikaci od uzlů k přístupové bráně. Z nabídky firmy Arduino byl konstruktérům dán k dispozici modul MKR FOX 1200, postavený na základě mikrokontroléru Atmel SAMD21. Za rádiovou komunikaci zodpovídá obvod Microchip Smart RF ATA8520, jehož rádiový kanál je naladěn na kmitočet ISM 868 MHz, používaný v Evropě.

Obrázek 5. Modul Arduino MKR FOX 1200 pro realizaci komunikace v síti Sigfox.

Komunikace GSM/3G – modul Arduino MKR GSM 1400

Ani rozsáhlá příhradová síť (Mesh), pracující ve standardu LoRa/LoRaWAN, není v současnosti schopna zajistit globální dosah. V případě projektů IoT vyžadujících téměř plošně neomezenou komunikaci je nejlepším řešením využití standardu GSM/3G. Pro potřeby komunikace GSM/3G připravila firma Arduino modul MKR GSM 1400, osazený modemem SARA-U210 firmy u-blox a šifrovacím obvodem Microchip ECC508 pro realizaci bezpečnostních mechanismů komunikace. Modem GSM vestavěný do kitu zajišťuje pokrytí komunikace v pásmech GSM 850 MHz, E-GSM 1900 MHz, DCS 1800 MHz a PCS 1900 MHz.

Pro zefektivnění procesu přípravy softwaru výrobce zpřístupňuje knihovnu MKRGSM (usnadňující programátorovi obsluhu modulu pomocí nízkoúrovňových příkazů AT), spolu s bohatou sestavou příkladů (včetně mj. komunikace GPRS, příjmu/odesílání textových zpráv, obsluhy hlasových spojení). Modul MKR GSM 1400 může spolupracovat jak se softwarem Arduino IoT Cloud, tak i alternativními cloudovými řešeními: Google IoT Cloud, Blynk nebo SORACOM Air IoT, pro které výrobce připravil sadu příkladových implementací.

Obrázek 6. Modul Arduino MKR GSM 1400 pro realizaci komunikace v síti GSM/3G.

Komunikace v síti Narrowband IoT – modul Arduino MKR NB 1500

Při této krátké charakteristice vybraných komunikačních standardů v rámci zařízení Internetu věcí nemůžeme ignorovat řešení založená na standardu Narrowband IoT (NB-IoT), který pro komunikaci využívá licencované pásmo LTE 800 MHz. Podobně jak řešení LoRaWAN a Sigfox řadíme NB-IoT do skupiny sítí LPWAN a tedy zajišťuje stabilní komunikaci na velkých teritoriích při využití energeticky úsporných rádiových modulů s dlouholetým provozem s bateriovým napájením. Je tak další alternativou ke komunikaci LoRaWAN a Sigfox v aplikacích ze segmentu „Smart City”.

Pro rychlý vývoj prototypů koncových uzlů pracujících ve standardu NB-IoT připravila firma Arduino kit MKR NB 1500, vybavený modulem u-blox SARA-R410M-02B, umožňujícím získat spojení LTE Cat M1/NB1 v pásmech 1, 2, 3, 4, 5, 8, 12, 13, 18, 19, 20, 25, 26 a 28. Sada MKR NB 1500 je navíc vybavená šifrovacím obvodem ECC508 firmy Microchip, slotem karty MicroSIM, kontrolérem nabíjení baterie Li-Po a konektorem vnější antény.