Vzhledem k tomu, že zařízení internetu věcí (IoT) jsou stále oblíbenější, naše očekávání ohledně jejich možností se zvyšují. Zajištění spolehlivého bezdrátového připojení, zejména pokud má být provedeno prostřednictvím mobilní sítě LTE, se stává jedním z nejdůležitějších aspektů mnoha aplikací. Zde přichází na pomoc společnost u-blox, výrobce přesných a spolehlivých komunikačních modulů používaných v průmyslu, automobilovém odvětví a na spotřebitelských trzích.
V tomto článku se zabýváme moduly z řady LENA-R8, které přenášejí data prostřednictvím mobilní sítě 4G (LTE). Na úvod je třeba zdůraznit dvě věci. Za prvé: jedná se o velmi specifickou část nabídky produktů společnosti u-blox, která se specializuje na komunikační moduly, integrované obvody a služby (její řešení využívá mnoho výrobců elektronických zařízení, mimo jiné i Arduino). Druhou důležitou informací o těchto výrobcích je, že díky rostoucí standardizaci umožňují dosáhnout globální pokrytí. Jejich použití znamená nejen zjednodušení výroby, ale také rozšíření cílového trhu.
V tomto článku se věnujeme následujícím tématům:
- Komunikační standardy přizpůsobené potřebám IoT
- Výhody technologie LTE Cat 1bis
- Obecná charakteristika modulů LENA-R8
- Rozsáhlá funkčnost řešení u-blox
- Přenos dat při současném určování zeměpisné polohy
- Oblasti použití a typické aplikace komunikačních modulů LTE
Moderní bezdrátová komunikace
Zařízení IoT se doposud nedočkala jednotného bezdrátového standardu – především proto, že potřeby těchto typů obvodů jsou velmi odlišné. Obecně lze rozlišit tři skupiny těchto výrobků:
- zařízení vyžadující přenášení velkých objemů dat (např. přenos videa a zpracování obrazu v reálném čase);
- řídicí jednotky průmyslových procesů a související aplikace (např. Smart City), kde není vyžadována velká šířka přenosového pásma, ale vše musí probíhat plynule a bez zpoždění;
- malá a energeticky úsporná zařízení, pro která bude optimálním řešením přenos malých datových paketů při nízké frekvenci (periodické zahájení komunikace, po jejím ukončení přechod do režimu s omezeným odběrem proudu) – mezi takové aplikace patří dálkové senzory monitorující faktory prostředí (např. teplotu skladování potravin/léků nebo vlhkost půdy).
Mezi obvody vyžadující nízkou spotřebu energie patří také různá mobilní zařízení napájená z baterií, od spotřební „nositelné elektroniky“ (wearables), až po měřicí přístroje používané techniky v terénu (např. při kontrolách rozsáhlých energetických nebo ICT zařízení).
Obecně lze říci, že volba standardu bezdrátového připojení zůstává kompromisem. Například bezpečnost a rychlost přenosu si žádají pokročilé protokoly, které vyžadují vysoký výpočetní výkon a více operační paměti. To znamená vyšší energetickou náročnost. Podobný důsledek má i potřeba získání většího komunikačního dosahu.
Výsledkem toho je, že se výrobci zařízení IoT často omezují na implementaci standardů, jako jsou Wi-Fi, ZigBee nebo Bluetooth. Nabízejí uspokojivé přenosové parametry při relativně nízké spotřebě energie. Tyto metody mají bohužel jednu společnou nevýhodu: vyžadují vybudování a údržbu určité síťové infrastruktury, aby bylo dosaženo globálního přenosového pokrytí (i když jen ve velmi omezené míře, jako je tomu u P2P), což je spojeno například s neustálým napájením jejích kritických bodů (koordinátorů, routerů, bran atd.). Proto se v mnoha případech může ukázat, že optimálním řešením je komunikace prostřednictvím mobilní telefonní sítě.
Technologie 4G neboli LTE, je nyní pevně zakotvena na světových trzích. Nabízí nejen globální dosah, ale také relativně vysokou propustnost od 10 Mb (LTE Cat 1) do 25 Gb (Cat 17) pro stahování a od 5 Mb (LTE Cat 1) do 9,5 Gb (LTE Cat 14) pro odesílání, a také spolehlivý přenos. Z pohledu uživatele se navíc jedná o relativně energeticky úsporný a nákladově efektivní způsob komunikace.
Zde je třeba zmínit, že níže uvedená řešení u-blox jsou kompatibilní i se sítěmi starší generace. V roce 2021 byla LTE komunikace dostupná v téměř 60 % všech oblastí s dostupnými bezdrátovými telefonními službami. Pomocí modulů LENA-R8 lze získat přístup k internetu i v ostatních regionech využívajících technologii 2G.
Rozdíly mezi „tradičním“ LTE a Cat 1bis
Technologie LTE Cat 1 byla definována v roce 2009 s cílem (mimo jiné) poskytnout mobilní připojení pro funkčně bohaté aplikace M2M (Machine-to-Machine), tedy zařízení, která dnes nejčastěji nazýváme IoT (Internet věcí). Podle záměru vývojářů je technologie LTE Cat 1 určena pro aplikace, jako je sledování zásob (asset tracking), chytrá počítadla, dálkové snímače atd. Tento standard však měl jistou nevýhodu. Aby bylo možné plně využít výhod LTE, musela mít zařízení implementovaný mechanismus RX Diversity, který umožňuje komunikaci pomocí dvou antén. To bylo problematické především v případě kompaktních zařízení.
Tuto nedokonalost by bylo možné nepřímo překonat navržením zařízení, které komunikuje pomocí jediné antény, což by však vyžadovalo akceptaci snížení citlivosti přijímače. Bylo navrženo použití dalších LTE technologií určených přímo pro IoT a využívajících jednu anténu: nejprve Cat 0, pak Cat M a Cat NB1. Technologie Cat 0 však nebyla nikdy implementována a NB-IoT má určitá omezení (žádná podpora mobility a přenosu hlasu). Technologie Cat-M je vhodná pro aplikace s malou šířkou pásma, ale byla zavedena pouze v malé části světa, takže neposkytuje celosvětové pokrytí. Jak jsme již zmínili, mnoho moderních zařízení vyžaduje vysoké rychlosti, zejména pokud musí výměna informací probíhat v reálném čase a / nebo je vyžadována globální konektivita. Teprve relativně nedávno, a to v roce 2016, byla souběžně s NB-IoT a LTE-M definována specifikace technologie LTE Cat 1bis, která umožňovala použití jedné antény a dosažení přenosových úrovní 10 Mbps a 5 Mbps (download/upload). Je pravda, že takové parametry nejsou vždy dosažitelné, ale z hlediska sítě jsou moduly LTE Cat 1bis podporovány stejným způsobem jako Cat 1, a proto se tato verze standardu ukázala jako metoda ideálně vhodná pro potřeby IoT.
Hlavní výhodou LTE Cat 1bis ve srovnání s LTE Cat 1 je schopnost optimalizovat náklady, protože na úrovni čipové sady je implementována pouze jedna RF průchodka.
Ve srovnání s NB-IoT nebo LTE-M vyžaduje technologie LTE Cat 1bis větší spotřebu energie kvůli větší šířce pásma a malému zpoždění, na druhou stranu je podporována v každé síti LTE na světě, čímž poskytuje globální pokrytí – tedy něco, čeho NB-IoT ani LTE -M nemohou dosáhnout.
Moduly LENA-R8
Komunikační moduly řady LENA -R8 nabízené značkou u-blox podporují standard LTE Cat 1bis a zároveň poskytují rozsáhlé funkce, které minimalizují náklady potřebné k vybudování cílového zařízení a implementaci jeho výroby. Nejdůležitějšími vlastnostmi řady jsou:
- podpora sítí předchozí generace (2G);
- globální pokrytí díky využití 14 nejoblíbenějších frekvenčních pásem (se zohledněním všech oblastí světa);
- podpora FDD technologií (Frequency Division Duplex) tedy použití různých frekvenčních pásem pro přenos do / z modulu;
- kompatibilita pinů (koncept vnoření: moduly různých velikostí a možností mají stejné uspořádání pinů) s produktovými řadami SARA a LARA (také dodávanými společností u-blox);
- verze LENA-R8001M10 s integrovaným modulem GNSS (o něm v samostatné části tohoto textu);
- moduly poskytují přístup ke všem službám nabízeným na Thingstream, webové platformě (cloudu) u-blox vyvinuté pro podporu zařízení IoT.
LENA-R8
Základní parametry a možnosti
Funkčnost řady LENA -R8 stojí za to probrat podrobněji, protože přesahují standardní možnosti komunikačních modulů. Za prvé, tyto produkty umožňují dosáhnout nominální rychlosti mobilní sítě, tedy 10 Mbps pro stahování a 5 Mbps pro odesílání dat. V modulech je implementován duální zásobník IPv4/IPv6, přizpůsobený požadavkům současné internetové infrastruktury. Řešení u-blox se navíc vyznačují podporou protokolů TCP/IP, UDP/IP, HTTP, FTP a také používaných v senzorových sítích a prostředíchSmart Home MQTT a MQTT-SN (MQTT for Sensor Networks). To vše s implementovanou podporou šifrovacích technologií (TLS 1,2, DTLS, HTTPS, FTPS). Produkty nabízejí možnost odesílání SMS zpráv, stejně jako iniciování hlasových hovorů v sítích 2G (CSFB) a 4G (VoLTE). S moduly LENA-R8 získáte přístup k balíčku služeb nabízených společností u-blox.
Verze s integrovaným GNSS přijímačem
Moduly LENA-R8 jsou dostupné ve dvou verzích:LENA-R8001-00C (základní, která umožňuje spojení se sítí LTE) a LENA-R8001M10-00C, která navíc umožňuje použití globálních systémů určování polohy, tedy GNSS (Global Navigation Satellite System). Druhý model obsahuje integrovaný systém u-blox M10 (odtud název) a byl připraven pro velmi důležitou skupinu aplikací: zařízení sledující pohyb vozového parku, zboží atd. Taková zařízení získávají díky GPS signálům (Global Positioning System) či Galileo údaje o své poloze – a poté tyto informace přenášejí prostřednictvím mobilní sítě na server („do cloudu“), odkud je lze číst a zpracovávat. Tato řešení běžně používají spediční a logistické společnosti, stejně jako podniky působící v odvětví veřejné dopravy.
Při navrhování zařízení, které má komunikovat s mobilní sítí a monitorovat impulzy GNSS, má inženýr na výběr ze tří základních topologií:
- použití dvou nezávislých modulů (což je spojeno se zvýšením výrobních nákladů a další komplikovaností obvodu);
- použití kompaktního systému využívajícího jedné RF signálové cesty pro komunikaci v obou standardech (to znamená snížení přesnosti, s jakou je určena poloha; také zabraňuje současnému zpracování dat z GNSS a LTE);
- použití prvku kombinujícího funkcionalitu přesného GNSS lokátoru s komunikačním modulem LTE.
LENA-R8001M10-00C samozřejmě patří do té třetí skupiny. Velkou výhodou tohoto produktu je vysoký výkon (např. žádné zpoždění při přenosu dat o aktuální poloze) a relativní jednoduchost implementace – protože jediný modul přebírá zátěž současné komunikace s oběma systémy. Společnost u-blox se navíc postarala o zachování největší přesnosti v obou standardech. Oddělená GNSS cesta je vybavena dvěma SAW (piezoelektrickými) filtry a LNA zesilovačem a k analýze signálu byl použit systém s teplotně kompenzovaným oscilátorem (TCXO). Modul detekuje přítomnost rušení (jamming detection), a v případě úplné ztráty přenosu z geolokačních družic je schopen určit svou polohu pomocí dat o blízkých LTE retranslačních stanicích (služba CellLocate). LENA-R8001M10 obsahuje ještě několik dalších optimalizací:
Samostatné napájecí vstupy
Možnost použit jedno nebo rozdělené napájecí vedení (oddělené pro LTE a GNSS), což umožňuje širší kontrolu spotřeby energie. Modul bude standardně napájen jedním napětím (3,8 V DC) a napájení subsystému GNSS (1,8 V DC) je zajištěno vestavěným stabilizátorem.
Volba rozhraní
Subsystémy LTE a GNSS lze provozovat nezávisle. Přístup k nim je možný prostřednictvím samostatných sériových rozhraní (UART). Alternativně: komunikace s celým modulem může probíhat přes LTE modem, který je vybaven jak UART, tak i USB sběrnicí.
Oblasti použití
Díky výše popsané funkci jsou moduly LENA-R8 využívány v řadě aplikací v oblasti internetu věcí. Prvním z nich bude Průmysl 4.0, tedy distribuované automatizační systémy, kde konektivita umožňuje koordinovat provoz strojů, řídit spotřebu energie a skladové zásoby a zajistit bezpečnost zaměstnanců. Použití modulů pro péči o zdraví je také dálkové zdravotnické vybavení používané k monitorování starších a nemocných lidí, kteří jsou doma, mimo stálou péči specialistů. Další běžnou aplikací komunikačních modulů jsou zabezpečovací a poplachové systémy (ochrana proti vloupání, požární ochrana atd.), pro které je klíčová nezávislost na kabelových telekomunikačních a energetických sítích. V neposlední řadě je třeba zmínit největší oblast použití, telemetrii a sledování zásob – oblast, která zahrnuje přepravu zboží a osob, zemědělství, průmyslovou a spotřebitelskou robotiku, spedici a řadu dalších souvisejících odvětví.
Jak bylo uvedeno výše, v případě modulu LENA-R8001M10 jsou skvělým příkladem použití zařízení pro monitorování vozového parku. Tyto výrobky jsou téměř vždy instalovány do osobních a nákladních automobilů nebo autobusů až po jejich zakoupení – existuje tedy skutečná a neutuchající poptávka po těchto produktech. Jejich výrobci mohou určitě zjednodušit vývoj svého projektu, pokud používají řešení u-blox. Především odstraňují nutnost nákladných testů kvality signálu a odolnosti proti rušení; zajišťují bezproblémovou komunikaci bez ohledu na zeměpisnou oblast, kde bude zařízení použito; Jejich adaptace bude z velké části omezena na přípravu relativně jednoduchého obvodu a vhodného softwaru pro ovládání modulu mikrokontroléru. Kromě toho nelze opomenout i další výhody spojené s řadou LENA-R8, jako je přístup ke službám platformy Thingstream, tedy zjednodušení, která umožňují snížit výdaje na rozšiřování a údržbu serverů.
Text připravila společnost Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.
