V článku se dozvíme o základních vlastnostech LTE Cat 1 a představíme si rádiové moduly ze série LARA-R6 od u-bloxu, které poskytují univerzální konektivitu a spolehlivý výkon. Ke konci je uvedena praktická ukázka s vývojovou deskou, včetně snadné konfigurace a ovládání AT příkazy a dostupné softwarové knihovny.
LTE Cat 1 ve srovnání s LTE Cat 1bis, LTE Cat M a LTE Cat NB
LPWA protokoly LTE Cat 1, LTE Cat 1bis, LTE Cat M a LTE Cat NB jsou navrženy tak, aby byly efektivní z hlediska spotřeby energie. LTE Cat 1 poskytuje šířku pásma kanálu až 20 MHz v plném duplexním přenosu a dosahuje rychlosti stahování dat až 10 Mbps a rychlosti odesílání dat až 5 Mbps. Dvě antény umožňují diverzitu přijímače (Rx) pro lepší výkon (tabulka 1). LTE Cat 1bis používá jen jednu anténu.
Tabulka 1: Porovnání výkonu protokolů LPWA. LTE Cat 1 používá dvě antény pro Rx diverzitu; LTE Cat 1bis používá jen jednu anténu. (Zdroj obrázku: Wikipedie, Jens Wallmann)
LTE Cat 1 pro globální dostupnost
Řada LARA-R6 se skládá z robustních rádiových modulů navržených pro standard LTE Cat 1 FDD (frekvenčně dělený duplex) a TDD (duplex s časovým dělením). Moduly podporují 3G UMTS/HSPA a 2G GSM/GPRS/EGPRS jako záložní řešení. Tyto moduly jsou vynikajícím řešením pro globální/multiregionální pokrytí a jsou dodávány v malém formátu LGA o rozměrech 26 x 24 mm. Moduly LARA-R6 jsou vybaveny všestrannými rozhraními, širokou škálou funkcí a jsou vhodné pro aplikace, které vyžadují střední datovou rychlost, bezproblémovou konektivitu, vynikající pokrytí a nízkou latenci. Mezi takové aplikace patří sledování majetku, telematika, vzdálené monitorování, poplachová centra, video dohled, vzdálený monitoring pacientů nebo platební terminály.
Všechny moduly podporují Rx diverzitu pro spolehlivý výkon i v situacích se slabým signálem nebo když je vyžadován přenos hlasu přes LTE (VoLTE). Lze využívat vestavěné protokoly IoT (LwM2M, MQTT) a funkce zabezpečení (TLS/DTLS, zabezpečená aktualizace a bezpečné spouštění) k implementaci vzdálené správy zařízení a zabezpečeného update FOTA. Řada LARA-R6 podporuje LTE Cat 1 podle 3GPP Release 10 a dosahuje globálního pokrytí se třemi regionálními variantami:
- Moduly LARA-R6001-00B (data a hlas) a LARA-R6001D-00B (pouze data) podporují 18 frekvenčních pásem LTE FDD/TDD plus záložní 3G/2G pro globální konektivitu.
- Moduly LARA-R6401-00B (data a hlas) a LARA-R6401D-00B (pouze data) poskytují ideální řešení LTE Cat 1 pro Severní Ameriku a podporují pásma LTE od AT&T, FirstNet, Verizon a T-Mobile.
- Moduly LARA-R6801-00B (data a hlas) a LARA-R6801D-01B (pouze data) jsou navrženy pro nasazení v regionech: Evropa a Střední východ (EMEA), Asie a Tichomoří (APAC), Japonsko (JP) a Latinská Amerika (LATAM) (obrázek 1).
Obrázek 1: Tři regionální varianty modulů LARA-R6 pokrývají celou zeměkouli. (Zdroj obrázku: DigiKey, upraveno autorem)
Základní vlastnosti LARA-R6
Moduly LARA-R6 obsahují procesor, externí rozhraní, RF transceiver se zesilovači a filtry, paměť a jednotku pro řízení spotřeby (obrázek 2).
Obrázek 2: Vnitřní struktura modulu LARA-R6. (Zdroj obrázku: u-blox)
RF transceiver pracuje ve frekvenčních pásmech 700 MHz, 800 MHz, 850 MHz, 900 MHz, 1,7 GHz, 1,8 GHz, 1,9 GHz, 2,1 GHz a 2,6 GHz. Všechny protokoly lze ovládat a konfigurovat AT příkazy přes rozhraní UART a USB.
Protokoly:
- Dual stack IPv4 a IPv6
- Vestavěné TCP/IP, UDP/IP, FTP a HTTP
- Vestavěné MQTT a MQTT-SN
- Vestavěný LwM2M
- eSIM and Bearer Independent Protocol (BIP)
Moduly LARA-R6 vyžadují napájecí napětí 3,1 až 4,5 V a mají spotřebu proudu naprázdno okolo 1,1 mA. V provozu 2G mohou jednotlivé časové sloty TDMA dosahovat špičkových vysílacích výkonů přes 33 dBm (> 2,0 W) a všechny ostatní RAT (radio access technology) dosahují úrovní přes 24 dBm (> 0,25 wattů). Vynikající citlivost antény nižší než -100 dBm odpovídá výkonu signálu nižším než 0,1 pW (pikowattu), a to umožňuje stabilní rádiové spojení i na okraji dosahu mobilní sítě.
Vývojová deska ECK-R6
Nejrychlejším způsobem, jak začít vyhodnocovat a programovat modul LARA-R6, je použít vývojovou desku R6 EVB (EVK-R6) a rozšiřující desku LARA-R6 (ADP-R6) pro odpovídající region. Například EVK-R6001-00B obsahuje rozšiřující desku ADP-R6001-00B (hlas + data) a modul GNSS (obrázek 3).
Obrázek 3: LARA-R6 EVB (EVK-R6) s připojenou rozšířitelnou deskou LARA-R6 (dole) a modulem GNSS (vlevo nahoře). (Zdroj obrázku: u-blox)
Varianta EVK -R6401-00B pro Severní Ameriku obsahuje adaptér ADP-R6401-00B, zatímco EVK-R6801-00B je určena pro EMEA/APAC/JP/LATAM a obsahuje ADP-R6801-00B. Tři již zmíněné rozšiřitelné nebo též adaptérové desky pro přenos hlasu a dat jsou k dispozici také samostatně, stejně jako verze pouze pro přenos dat ADP-R6401D-00B (Severní Amerika) a ADP-R6001D-00B (globální). Adaptérová deska R6 rozšiřuje modul LARA-R6 o dvě antény a dva MiniUSB konektory. R6 EVB přidává modul GNSS, slot pro SIM kartu, další zásuvná připojení, propojky, přepínače a napájení periferií (obrázek 4).
Obrázek 4: Funkční blokové schéma R6 EVB se zapojenými adaptéry GNSS a LARA-R6. (Zdroj obrázku: u-blox)
Každá sada obsahuje jednu vývojovou desku EVB s připojenou rozšiřitelnou deskou LTE Cat 1 LARA-R6 a GNSS modulem od u-bloxu, jeden USB kabel, dvě LTE antény, GPS/GLONASS anténu a napájecí zdroj.
Uvedení vývojové desky do provozu
Snadno použitelná výkonná sada EVK-R6 zjednodušuje vývoj s moduly LTE Cat 1 / 3G / 2G. Deska se jednoduše připojuje k PC s nainstalovaným speciálním driverem USB. Před připojením k PC je nutné provést následující úkony:
- Vložit SIM kartu a připojit obě mobilní antény a GNSS anténu
- Pečlivě nakonfigurovat propojky a přepínače na EVK
- Připojit napájecí napětí a zapnout hlavní vypínač SW400 na EVB
- Pro provoz jako modem s nízkou přenosovou rychlostí přes rozhraní “Main UART” připojit PC k MiniUSB jacku J501 nebo RS232 jacku J500 na EVK
- Pro provoz jako modem s nízkou přenosovou rychlostí přes „Two UARTs“ připojte počítač k mobilnímu rozhraní USB J201 na ADP
- Pro provoz jako modem s vysokou přenosovou rychlostí přes „Native Cellular USB“ připojte počítač ke konektoru MiniUSB J105 na ADP
- Stisknout tlačítko Cellular Power-On SW302 na EVB
- Spustit terminálový aplikační software (m-center), přejít do nabídky nastavení portu COM, vybrat port AT odpovídající 4a, 4b nebo 4c a nastavit tyto hodnoty: Přenosová rychlost: 115 200 bps; Datové bity: 8; Parita: N; Stop bity: 1.
Další podrobnosti naleznete v návodu EVK-R6_UserGuide_UBX-21035387. Nástroj m-center pomáhá vyhodnocovat, konfigurovat a testovat produkty u-blox a obsahuje AT příkazový terminál.
Jednoduché připojení k internetu pomocí Windows PC
Připojením PC s Windows k EVK může uživatel navázat bezdrátové připojení k internetu dvěma způsoby:
- Nízkorychlostní datové spojení: Využívá TCP/IP stack Windows PC přes UART rozhraní modulu LARA-R6. PC a EVK se propojí podle způsobu 4a. Pomocí ovládacího panelu Windows vybrat Phone and Modem > Modems > Add. Dalším krokem je zaškrtnutí políčka „Don’t detect my modem“ vybrat „Standard 33,6 kbps Modem“ a přidělit COM port. V případě potřeby lze přidat inicializační příkazy v „Properties > Advanced > Extra“.
- Vysokorychlostní datové připojení: Přistupuje k internetu pomocí TCP/IP stacku Windows PC přes mobilní nativní USB rozhraní modulu LARA-R6. PC a EVK se propojí podle způsobu 4c. Vybereme „Network and Sharing Center > Set up a new connection or network“ prostřednictvím ovládacího panelu a kliknout na „Connect to the internet“. Dalším krokem je výběr „Dial-up“ a jednoho z AT USB portů. Posledním krokem je zadání parametrů vytáčeného připojení (číslo pro vytáčené připojení, jméno poskytovatele, ID uživatele a heslo).
Registrace SIM karty u mobilního operátora
Jakmile jsou nakonfigurovány parametry SIM karty a MNO, mobilní modul se po zapnutí automaticky zaregistruje v mobilní síti. V případě problému lze registraci zkontrolovat ručně pomocí AT příkazů uvedených v tabulce 2.
Tabulka 2: Registrační příkazy AT. (Zdroj tabulky: u-blox, upraveno autorem)
Komunikace se vzdáleným HTTP serverem
Úložiště GitHub „ Firechip_u-blox_LARA-R6_Arduino_Library “ obsahuje rozsáhlou knihovnu AT příkazů pro moduly LARA-R6 napsané v C++ pro řadiče Arduino. Šestnáct příkladů aplikací, včetně testů ping, registrace, přepínání paketů, SMS, GNSS a cloudu IoT, poskytuje šablony pro vlastní struktury kódu. AT příkazy mohou také odesílat požadavky na vzdálený server HTTP během aktivního připojení, přijímat odpověď serveru a transparentně ukládat tuto odpověď lokálně. Podporované metody jsou HEAD, GET, DELETE, PUT, POST file a POST data.
Lara_R6_Example9 posílá náhodné teploty na RemoteHTTP-Server ThingSpeak.com pomocí HTTP POST nebo GET. ThingSpeak je analytická platforma IoT od společnosti MathWorks, která pomáhá agregovat, vizualizovat a analyzovat datové toky v cloudu. Tabulka 3 ukazuje syntaxi příkazu HTTP „POST data“.
Tabulka 3: „POST data“ je příkaz HTTP číslo 5. (Zdroj tabulky: u-blox, upraveno autorem)
Tento příklad lze naprogramovat na hostitelském řadiči Arduino, který ovládá modul LARA-R6 na desce EVK pomocí AT příkazů. Kromě toho je vyžadována nakonfigurovaná SIM karta. Programátor si musí vytvořit uživatelský účet ThingSpeak a nastavit pole 1 na náhodnou hodnotu měření teploty přes položku nabídky Channels > My Channels > New Channel. Odpovídající "Write API Key" se zadá do hlavního programu, "LARA-R6_Example9_ThingSpeak.ino" do proměnné myWriteAPIKey. Hlavní program C++ generuje náhodnou hodnotu teploty, vytváří datový řetězec specifický pro cloud a sendHTTPPOSTdata každých 20 sekund volá funkci knihovny (výpis 1).
...
1 String myWriteAPIKey = "PFIOEXW1VF21T7O6"; // Change this to your API key
2 String serverName = "api.thingspeak.com"; // Domain Name for HTTP POST/GET
3 [...]
4 void loop()
4 void loop()
5 {
6 // Create a random temperature between 20 and 30
7 float temperature = ((float)random(2000,3000)) / 100.0;
8
9
10 // Send data using HTTP POST
11 String httpRequestData = "api_key=" + myWriteAPIKey + "&field1=" +
String(temperature);
String(temperature);
12
13 Serial.print(F("POSTing a temperature of "));
14 Serial.print(String(temperature));
15 Serial.println(F(" to ThingSpeak"));
16
17 // Send HTTP POST request to /update. The reponse will be written to
post_response.txt in the LARA's file system
post_response.txt in the LARA's file system
18 myLARA.sendHTTPPOSTdata(0, "/update", "post_response.txt", httpRequestData,
LARA_R6_HTTP_CONTENT_APPLICATION_X_WWW);
LARA_R6_HTTP_CONTENT_APPLICATION_X_WWW);
19
20
21 // Send data using HTTP GET
22 ==> see original code on Github
23
24 for (int i = 0; i < 20000; i++) // Wait for 20 seconds
25 {
26 myLARA.poll(); // Keep processing data from the LARA so we can catch
the HTTP command result
the HTTP command result
27 delay(1);
28 }
29 }
...
Výpis 1: Tento hlavní program generuje náhodnou hodnotu teploty a sendHTTPPOSTdata každých 20 sekund volá funkci knihovny. (Zdroj kódu: Firechip na Github)
Volání řetězce příkazů AT
Záhlaví knihovny „Firechip_u-blox_LARA-R6_Arduino_Library.h“ předává volání funkce sendHTTPPOSTdata do procedury knihovny „Firechip_u-blox_LARA-R6_Arduino_Library.cpp“, kde je vygenerován a odeslán plně formátovaný řetězec příkazu AT (výpis 2).
...
1 LARA_R6_error_t LARA_R6::sendHTTPPOSTdata(int profile, String path,
String responseFilename, String data,
LARA_R6_http_content_types_t httpContentType)
String responseFilename, String data,
LARA_R6_http_content_types_t httpContentType)
2 {
3 LARA_R6_error_t err;
4 char *command;
5
6 if (profile >= LARA_R6_NUM_HTTP_PROFILES)
7 return LARA_R6_ERROR_ERROR;
8
9 command = lara_r6_calloc_char(strlen(LARA_R6_HTTP_COMMAND) + 24 +
path.length() + responseFilename.length()
+ data.length());
path.length() + responseFilename.length()
+ data.length());
10 if (command == nullptr)
11 return LARA_R6_ERROR_OUT_OF_MEMORY;
12 sprintf(command, "%s=%d,%d,\"%s\",\"%s\",\"%s\",%d",
LARA_R6_HTTP_COMMAND, profile, LARA_R6_HTTP_COMMAND_POST_DATA,
path.c_str(), responseFilename.c_str(), data.c_str(),
httpContentType);
LARA_R6_HTTP_COMMAND, profile, LARA_R6_HTTP_COMMAND_POST_DATA,
path.c_str(), responseFilename.c_str(), data.c_str(),
httpContentType);
13
14 err = sendCommandWithResponse(command, LARA_R6_RESPONSE_OK_OR_ERROR,
nullptr, LARA_R6_STANDARD_RESPONSE_TIMEOUT);
nullptr, LARA_R6_STANDARD_RESPONSE_TIMEOUT);
15
16 free(command);
17 return err;
18 }
...
Výpis 2: Tato procedura knihovny C++ generuje a odesílá plně formátovaný řetězec příkazu AT (řádek 12). (Zdroj kódu: Firechip na Github)
Knihovní procedura LARA_R6::sendHTTPPOSTdata(Výpis 2) využívá předané parametry volání funkce myLARA.sendHTTPPOSTdata()(Výpis 1) a dodatečně deklarované proměnné z hlavičky knihovny ke generování kompletního HTTP příkazového řetězce podle tabulky 3. Nakonec modem LARA-R6 odešle výsledný AT příkazový řetězec na server ThingSpeak RemoteHTTP:
AT+UHTTPC=0,5,"/update","post_response.txt","api_key=PFIOEXW1VF21T7O6&field1=21.54",0
Závěr
Pro globální propojení aplikací IoT a M2M s nízkou spotřebou jsou vícerežimové rádiové moduly LTE Cat 1 z řady LARA-R6 efektivní a cenově výhodné. Moduly nabízí snadný přístup ke všem rozhraním pomocí vývojové desky EVK a mohou snadno konfigurovat a ovládat modulu AT příkazy. Díky připojení k PC lze realizovat odesílání dat do cloudu a generovat řetězce příkazů AT.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com
