magyar elektronika

Elfogadom az adatkezelési tájékoztatóban foglaltakat:*

A mikrokontroller által gyűjtött szenzoradatok adatbázisba juttatása keskenysávú GSM modem technológia segítségével

endrich lid2A cikksorozat előző részeiben részletesen bemutattuk az E-IoT platform népszerűsítésére az Endrich budapesti fejlesztőközpontjában létrehozott GD32VF103 RISC-V MCU-alapú ipari egylapos számítógépet. A szenzorok és a mikrokontroller tárgyalása után a kártyára szerelt háromsávos (2G/NB-IoT/LTE-M) GSM modem kezeléséről is írni szeretnénk.

 

A szenzoradatokat felhőszolgáltatók adatbázisszervereire kell juttatni, és később valamilyen internetes technológián alapuló programmal kell feldolgozni és lehetővé tenni a vizuális megjelenítést. Ilyenkor TCP/IP vagy UDP-alapú adatátvitel a kézenfekvő, és erre a legjobb megoldást talán a létező celluláris mobilhálózatok nyújtják. Az E-IoT platform is ezen a technológián alapul, a gép-gép közötti (M2M) adatátvitelt biztosító kis teljesítményű és nagy hatótávolságú LPWAN (Low Power Wide Area Networking) hálózatok közül is a keskenysávú IoT (NB-IoT) szabványt, valamint a komolyabb adatátviteli igényű M2M kommunikációra kidolgozott LTE-M (Long Term Evolution for Machines), LTE-CAT-M1 szabványt részesítve előnyben. Az olyan területeken, ahol az LPWA lefedettség nem kielégítő, vészmegoldásként az elterjedt 2G hálózat jelenthet alternatívát. Az E-IoT platform által használt modem mindhárom említett szabványt támogatja – nézzük miként is használható GD32 környezetben.

 

Az NB-IoT – az egyik legígéretesebb LPWA technológia

A dolgok Internete (Internet of Things – IoT) hálózatba kapcsolt okoseszközök sokasága, amelyek közös jellemzője, hogy a szenzorok adatait – az adatátvitelhez szükséges kommunikációs modulokon keresztül – valamilyen felhőszolgáltatás alkalmazásszerverei gyűjtik össze és dolgozzák fel. Ehhez általában szükséges valamilyen gazdaságosan üzemeltethető, technikailag kifogástalanul működő szabványos vezetékmentes kommunikációs technológia alkalmazása. Amennyiben rövid távolságokat kell rádióhullámokkal áthidalni, a vezetékmentes lokális hálózatok, mint a WiFi, a Bluetooth vagy a ZigBee is alkalmazhatók, ha az elemes táplálás szükségessége nem korlátozza ezek felhasználhatóságát. Nagyobb távolságok esetén azonban már valamilyen egyetemes hálózati szolgáltatást kell igénybe venni, mint például a LoRaWAN, a SigFox vagy a mobiltelefon-hálózat. Az adatok felhőszolgáltatók adatbázisszervereire való továbbítása a TCP/IP vagy UDP-alapú adatátvitellel kézenfekvő a létező celluláris mobilhálózatok segítségével, azonban ez a klasszikus technológia lassan eléri a határait, nem lehet a mobilcellák által kiszolgált végpontok (okoseszközök) számát jelentősen növelni. Emellett az ilyen készülékek alacsony adatátviteli igényeit a mai szélessávú mobilhálózatok (GPRS, UMTS vagy LTE) nyújtotta szolgáltatásokkal túl drágán és felesleges erőforrások bevonásával lehet csak kielégíteni, ami gátat szab a régen várt és prognosztizált IoT/M2M forradalomnak.

 

01endrich

1. ábra IoT vezetékmentes szabványok tulajdonságainak összehasonlítása

 
Ma az okoseszközök számára az alkalmazható maximális sávszélesség és a ráfordítási költség ideális arányát biztosító, könnyen elérhető szabványos rádiós adatátvitelre van szükség.
A vezető mobilszolgáltatók egyik lehetséges technológiai válasza erre a kihívásra a gép-gép közötti (M2M) adatátvitelt biztosító kis teljesítményű és nagy hatótávolságú LPWAN (Low Power Wide Area Networking) hálózatok területén a keskenysávú IoT (NB-IoT) szabvány bevezetése.
Számos más technológia is létezik ezen a területen, azonban ezek nem elsősorban a kis adatmennyiségek ritkán történő átvitelére lettek optimalizálva, és bár rendszerint kiváló kültéri lefedettséggel rendelkeznek, vételi lehetőségeik erősen korlátozottak beltéri alkalmazások esetén.A kereskedelmi forgalomban kapható GSM modulok általában a 2G/3G/4G hálózatok kínálta szolgáltatások nagy részét támogatják, amire IoT alkalmazásokhoz egyáltalán nincs szükség. Ezek amellett, hogy drágítják a hardvert, többletfogyasztással is járnak, az akkumulátor vagy elem üzemidejét erősen csökkentik. A mobilhálózatok egyik fontos jellemzője a nagyfokú skálázhatóság, a mobil hálózati operátorok a meglévő LTE hálózatban kezelhetik saját kapacitásukat. A védett technológiák, mint a SigFox és a LoRa saját átjárókat és helyi hálózatot igényelnek, amelyeket országonként más és más cégek üzemeltetnek, a hálózati operátorok így egyedi sajátosságokkal kell, hogy megküzdjenek. Biztonságosabb és kényelmesebb számukra, ha a meglévő LTE platform mentén tevékenykednek.
Az NB-IoT az LTE technológián alapul, de egyes az LPWA igényei szempontjából lényegtelen szolgáltatások hiányoznak a specifikációjából, így olyan előnyöket képes kínálni, amelyeket más technológiák, mint a GPRS/UMTS/LTE csak komoly költségráfordítással érhetnek el. Az NB-IoT a jelenlegi LTE szabvány kiterjesztéseként szolgál, csakúgy, mint a komolyabb adatátviteli igényű M2M kommunikációra kidolgozott LTE-M (Long Term Evolution for Machines), LTE-CAT-M1. Ez utóbbi jelentősen megnövelt sávszélessége lényegesen nagyobb spektrumszélességet és bonyolultabb, így drágább rádiómodulokat igényel.
Az NB-IoT az LTE hálózat meglévő infrastruktúráját (bázisállomások, antennák, engedélyezett spektrum) használja. Az engedélyezett sávok hatalmas mennyiségű eszközt képesek kezelni, amíg az egyes konkurens technológiák használta ISM sávokban a kapcsolódó eszközök számának növekedésével a vétel az interferencia miatt romlik. Az NB-IoT eszközök számára rendelkezésre álló sávszélesség a kis adatmennyiségek miatt sok részre osztható, így egy hagyományos GSM cellánál megszokott végpont százszorosa lehet a kezelt eszközök száma. A 600 bit/s – 250 kbit/s sebesség természetesen csak az olyan okoskészülékek szenzorjai számára nyújt kielégítő megoldást, ahol néhány adat továbbítására van csak szükség kis napi ismétlésszámmal, cserében alacsony adatátviteli és beruházási költségek mellett kis energiafogyasztás is realizálható. Az NB-IoT előnyei és kulcsszavai a LEFEDETTSÉG, a HOSSZÚ ELEMÉLETTARTAM, a KIS ESZKÖZKÖLTSÉG és a JÓ BELTÉRI VÉTELI TULAJDONSÁGOK.

02endrich

2. ábra IoT feladatok megvalósíthatósága GSM-alapú adatátviteli technológiák alkalmazásával

 
A celluláris hálózatok, – így az NB-IoT által használt LTE is – urbánus környezetben kiváló lefedettséget kínálnak, azonban a szenzorok általában külterületen vagy épületek mélyén, esetleg alagsorában helyezkednek el, az itteni gyenge vételi viszonyok miatt a hagyományos GSM (2G) modulok áramfelvétele, fogyasztása erősen megnőhet. Az NB-IoT a rádióhullámok keskeny vivőfrekvencia-sávszélessége miatti nagyobb energiasűrűsége okán az épületek belsejébe való jobb behatolásra képes és a gyenge vételi viszonyok esetén ismételt kapcsolatfelvételre is van lehetőség. Mindezért az elérhető alacsonyabb sávszélességgel „fizet” a felhasználó. A hosszú időközönként elküldött kis adatcsomagok kis energiaigényt támasztanak a modul felé, így megvalósul az NB-IoT egyik legnagyobb előnye a minimális fogyasztás miatti hosszú telepélettartam.
A GPRS/UMTS/LTE (2G/3G/4G) modulok egy sor olyan szolgáltatást támogatnak, amelyre IoT eszközök nem tartanak igényt, ilyen a hangkommunikáció, az SMS szolgáltatás és a szélessávú internet-hozzáférés. Ezek elhagyásával a hardver egyszerűsödik, ami kihat az eszközök árára és a fogyasztás is minimalizálható.
Ahhoz, hogy az NB-IoT technológia használható legyen, néhány dolgot meg kell vizsgálni az eszközzel kapcsolatban:

  • A lefedettségi viszonyok lehetővé teszik-e a technológia alkalmazását? (Van-e lefedettség, elegendő-e a térerősség a szenzor elhelyezési pontján?)
  • Ellenőrizni kell a forgalmi profilt, hogy mekkora sűrűséggel, milyen mennyiségű adat feltöltésére, illetve letöltésére (parancsok, frissítések) van szükség.
  • Ki kell számolni, hogy a fogyasztás alapján várható elemélettartam fedi-e az alkalmazás által támasztott követelményeket, illetve ez alapján kell meghatározni az alkalmazott energiatárolási technológiát (Lítium elem, kapacitás, kisülési karakterisztika). Amennyiben nagy pillanatnyi áramfelvételek várhatóak (cellakeresés, többszöri kapcsolódás ismétlés), érdemes a lítium elemmel párhuzamosan kapcsolt szuperkondenzátort alkalmazni, ami segít azonnali energiaimpulzussal ellátni a modulunkat, mialatt a lítium elem depasszivációs folyamata tart.
  • A fenti tényezők kölcsönhatása miatt általában kompromisszumra van szükség, vagy az elem elvárt élettartamában kell engedményt tenni, vagy drágább, nagyobb méretű tápellátást kell választani.

 

FiboCom NB-IoT modulok

A fentiek alapján elmondható, hogy a piaci trendek az IoT eszközök ugrásszerű növekedése irányába mutatnak, és ezek kommunikációjára az NB-IoT technológia alkalmazása a következő években megkerülhetetlen lesz. A vezető GSM szolgáltatók felismerték ezt, és sorra vezetik be az NB-IoT szolgáltatást. A Fibocom gyártotta MA510 modul ma az Endrich által kínált NB-IoT modemcsalád legnépszerűbb tagja.
A vadonatúj fejlesztésű MA510-GL LPWA modulsorozat több változatban is elérhető a kínálatban, amelyek az LTE Cat.M1, LTE Cat.NB2 és EGPRS hálózatok kombinációihoz való csatlakozást teszik lehetővé. A sorozat tagjai, a három üzemmódú (LTE Cat.M1, LTE Cat.NB2 és EGPRS) modem, a két üzemmódú (LTE Cat.M1 és LTE Cat.NB2) modem, valamint az egy módú modul (LTE Cat.M1) egymással kompatibilis lábkiosztással rendelkezik, lehetővé téve a telepítés helyén elérhető kommunikációs csatornához legjobban illeszkedő modul alkalmazását ugyanazon a nyomtatott áramköri lapon.
A modemek LCC és LGA tokozásban kaphatók (22,2 × 20,2 × 2,1 mm méretben), és támogatják a globális (GNSS) helymeghatározást a GPS / GLONASS / BeiDou / Galileo műholdakkal való együttműködéssel. A modemet alacsony energiafogyasztás jellemzi, kihasználja a keskenysávú IoT technológia által biztosított kiváló beltéri vétel lehetőségét, így akár az épületen belül is alkalmazható. Ezenfelül az iparági elvárásnak megfelelő extrém alacsony ár új lehetőségeket nyit meg akár urbánus, akár mezőgazdasági alkalmazásokra is. A modulokat elsősorban olyan dizájnhoz érdemes alkalmazni, amelyekben kis adatmennyiséget, kis fogyasztás mellett alacsony adatátviteli sebességgel, de biztonságosan kell továbbítani. Ilyen például az eszközkövetés, az ipari megfigyelés és vezérlés, a biztonsági rendszerek, az intelligens otthon és az intelligens fogyasztásmérés területe.

Az MA510-GL-00 jellemzői:

  • Méret: 22,2 × 20,2 × 2,1 mm
  • Tokozás: LCC + LGA, 86 Pin
  • Frekvenciasávok:
    • Cat.M1: B1/B2/B3/B4/B5/B8/B12/B13/B14/B18/B19/
    • B20/B25/B26/B27/B28/B66/B85
    • Cat.NB2: B1/B2/B3/B4/B5/B8/B12/B13/B18/B19/B20/
    • B25/B26/B28/B66/B71/B85
    • EGPRS: 850/900/1800/1900 MHz
    • GNSS: GPS / GLONASS / BeiDou / Galileo
  • Tápellátás: 3,3 V– 4,5 V (tipikusan 3,8 V)
  • Működési hőmérséklet-tartomány: -40 °C…+85 °C
  • Sebesség :
    • Cat.M1 (kbps): 589 (DL) / 1119 (UL)
    • Cat.NB2 (kbps): 136 (DL) / 150 (UL)
    • GPRS (kbps): 107 (DL) / 85,6 (UL)
    • EDGE (kbps): 296 (DL) / 236,8 (UL)
  • Antenna: GSM antenna × 1, GNSS ×  1
  • Interfészek: SIM 1,8 V / USB 2.0 × 1 / UART × 3,
  • I2C, I2S, GPIO, SPI / ADC / System Indicator / ANT_TUNER
  • Globális tanúsítványok

03endrich

3. ábra Fibocom MA510 többsávos LPWA modem

 

Újdonság, hogy az MA510 modem kapható olyan változatban is, ami támogatja az LTE B31 (450 MHz) sávon való kommunikációt is. Magyarországon ezt a speciális, IoT eszközök számára fenntartott GSM sávot az MVM-Net szolgáltatásához csatlakozva vehetjük igénybe, és az Endrich E-IoT egylapos számítógépei között is megtalálható az ezen a sávon (is) működő SBC.

 

04endrich

4. ábra A keskenysávú NB-IoT technológia jellemzői

 

A modem illesztése a GD32VF103 RISC-V mikrokontrollerhez

Az általános megoldás GSM modemek illesztésekor és használatakor a soros porton való kommunikáció, amelyet általában AT parancsok modemre küldésével valósítunk meg. A mikrokontroller UART interfészen keresztül kapcsolódik a modemhez, azonban nem elegendő arra figyelni, hogy a mikrokontroller UART Tx és Rx vonalai a modem UART Rx és Tx vonalaival (Tx-Rx és Rx-Tx) helyesen legyenek párosítva, hanem fontos feladat a jelszintek illesztése is, mert az adatvonalak feszültsége a kis tápfeszültségű mikrokontroller és a modem esetén eltérő. Erre a gyakorlatban szintillesztő IC-k állnak rendelkezésre.

 

05endrich

5. ábra Texas Instruments szintillesztő IC


A hardverszinten történő illesztés részleteit az E-IoT SBC szabadon hozzáférhető kapcsolási rajzán lehet tanulmányozni a https://E-IoT.info oldalon a MANUAL menüpont alatt.
A modem programozása és működtetése a soros porton küldött ASCII karaktersorozatokkal, az úgynevezett AT parancsokkal történik. Az MA510 számára rendelkezésre álló parancsok is hozzáférhetők az Endrich és a gyártó honlapján, de a legfontosabb feladatokhoz szükséges parancsok az E-IoT.info oldalon – részletes magyarázatokkal – hozzáférhetők.

 

A soros port elérése GD32VF103 RISC-V mikrokontroller alkalmazásakor

Az E-IoT kiértékelőkészlet esetén a modem a mikrokontroller UART0 interfészén keresztül érhető el 115 200 baud adatátviteli sebességgel. Ehhez néhány soros C/C++ kód írására van szükség. A soros port inicializálása a következő kódrészlettel lehetséges:

 

01program


Ahhoz, hogy a program kimenetét átirányítsuk a soros portra, a C nyelv könyvtári „printf” utasításának módosítására van szükség GD32 környezetben. Ehhez az általa használt put_char függvényt kell megfelelően állítani:

 

02program

 

Ha ezek megtörténtek, akkor nagyon egyszerű egy olyan utasítást készíteni, ami egy karakterlánc paraméterként való átadásával tetszőleges AT parancsot képes a modemre küldeni:

 

03program

 

Ezek után gyerekjáték az adatküldés. Az általunk kidolgozott E-IoT infrastruktúra része egy felhőalapú adatbázisszerver, amivel a GSM modem direkt kapcsolatot létesít egy UPD csatornán keresztül. A teljes folyamat néhány AT parancs kiadásával levezényelhető. Első lépésként a modem a GSM hálózattól IP címet kér, azt az AT+MIPCALL=1 paranccsal kezdeményezhetjük. Ezután az automatikus hálózati regisztráció után a távoli szerverhez kell kapcsolódni annak IP címe, valamint a használni kívánt UDP port megadásával az AT+MIPOPEN parancs megfelelően felparaméterezett kiadásával. A hexadecimálissá alakított üzenetünket az AT+MIPSEND parancs kiadásával küldhetjük el, amelyet a modem kimenő bufferének ürítésével biztosíthatunk (AT+MIPPUSH=1). Ezek után a csatorna megszüntethető, és a modemet alacsony fogyasztású állapotba lehet küldeni a telep élettartamának maximalizálása érdekében (AT+MIPCLOSE=1 és AT+MIPCALL=0).
A teljes folyamat C/C++ kódja:

 

04program


A küldendő üzenet formátuma az Endrich Cloud Database szerver használatakor

Az E-IoT koncepció az Endrich partnerei számára ingyenes adatbázishozzáférést kínál a fejlesztés teljes időtartamára. Az E-IoT kiértékelő készletek, illetve a partnerek egyéb eszközei által beküldött szenzoradatok formátumára azonban szigorú megkötések vonatkoznak. Ahhoz, hogy a bejövő csomagokat biztonságosan tudjuk kezelni az elvárás egy előre definiált JSON karakterlánc megküldése. Ennek elvárt felépítése a következő:

 

05program


Ahol

  • a userID és a deviceID az eszköz az Endrich felhőalapú adatbázisában való regisztrációjakor létrejövő azonosítók. Megküldésükre biztonsági okokból és az eszköz azonosítása miatt van szükség;
  • az „msgref” egy tetszőleges referenciaüzenet, amivel a felhasználó megfelelően tudja azonosítani a szenzort;
  • a „payload” mező tartalmazza a szenzorból kiolvasott értéket;
  • a „gpsdata” mező pedig a modem GNSS egysége által szolgáltatott globális pozíció tárolására és továbbítására szolgál.

Az eszközökre írt szoftver egységesítésének támogatására (a userID/deviceID előre programozásának mellőzésére) bevezettünk egy másik lehetséges formátumot is, amely a modem IMEI számát használja egyedi azonosításra, amelyet a felhasználó feladata kiolvasni a modemből, ami szintén egy AT paranccsal megoldható (AT+CGSN?). Ez utóbbi esetben az elvárt JSON formátum a következő:

 

06program


A mintaüzenetekben könnyen olvasható szenzoradatokat szerepeltettünk, de az Endrich CDB szolgáltatása lehetőséget nyújt sok szenzor adatának egyidejű küldésére is, amelyeket az Endrich Visualization Gateway szolgáltatásával egy alkalmazásban egyszerre jeleníthetünk meg. Ilyen esetben a „payload” mező egy speciális formátumú, az egyes szenzorok értékeit kódolt formában tartalmazó karakterlánc lesz, amelyet a szoftver automatikusan kiértékel. Ennek részletes ismertetése a http://E-IoT.info oldalon található kézikönyvben megtalálható.

Remélem, a hétrészes cikksorozattal betekintést nyújthattam a GD32 mikrokontroller-család sokrétű lehetőségeibe, amelyek méltán teszik az STM32 vonzó alternatívájává a GIGADEVICE eszközöket. Az E-IoT platform fejlesztése nagy erőkkel tovább folyik, és ennek egyik oka a RISC-V mikrovezérlő-család piaci pozicionálása és elterjesztése, valamint az Endrich az IoT területén való elkötelezettségének demonstrálása. Az érdeklődő olvasókat várom szeretettel a következő időszak kiállításain, konferenciáin mind itthon, mind külföldön. Legközelebb az őszi ElectroSUB kiállításon veszünk részt és a konferencián adunk elő, majd a párizsi IoT M2M szalon nyújt lehetőséget az E-IoT szélesebb körben való megismerésére. Az idei konferenciaszezont számunkra a novemberi TechFerence zárja. Ezúton is biztatom a kollégákat a rendezvényeken való részvételre.

 

KissSzerző: Kiss ZoltánExport Igazgató,
Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH

Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH
Sales Office Budapest
1191 Budapest, Corvin krt. 7–13.
Tel.: + 36 1 297 4191
E-mail: hungary@endrich.com
www.endrich.com