A lap hasábjain korábban részletesen bemutattuk az E-IoT platform népszerűsítésére az Endrich budapesti fejlesztő-központjában 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 szenzor adatokat felhőszolgáltatók adatbázis szervereire kell juttatni, és később valamilyen Internetes technológián alapuló programmal kell feldolgozni és biztosítani 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 kisteljesítményű és nagy hatótávolságú LPWAN (Low Power Wide Area Networking) hálózatok közül is a keskenysávú IoT (NB-IoT) szabványt (LTE Cat-NB1), 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, lássuk miként is használható GD32 környezetben.
Az NB-IoT – az egyik legígéretesebb LPWA technológia
A dolgok Internete (Internet of Things – IoT) hálózatba kapcsolt okoseszközök sokasága, melyek közös jellemzője, hogy a szenzorok adatait – az adatátvitelhez szükséges kommunikációs modulokon keresztül - valamilyen felhőszolgáltatás alkalmazásszerverei gyűjtik össze és dolgozzák fel. Ehhez általában szükség van valamilyen gazdaságosan üzemeltethető, technikailag kifogástalanul működő szabványos vezetékmentes kommunikációs technológia alkalmazására. 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. Ha az adatokat felhőszolgáltatók adatbázis szervereire kell juttatni, és később valamilyen Internetes technológián alapuló programmal kell feldolgozni és biztosítani a vizuális megjelenítést, TCP/IP vagy UDP alapú adatátvitel a kézenfekvő, és erre a legjobb megoldást talán a létező celluláris mobilhálózatok nyújtják. Sajnos azonban ez a klasszikus technológia lassan eléri 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.
Ma az okoseszközök számára az alkalmazható maximális sávszélesség és a ráfordítási költség ideális arányát biztosító, könnyen elérhető szabványos rádiós adatátvitelre van szükség.
1. ábra. IoT vezetékmentes szabványok tulajdonságainak összehasonlítása
A vezető mobilszolgáltatók egyik lehetséges technológiai válasza erre a kihívásra a gép-gép közötti (M2M) adatátvitelt biztosító kisteljesítményű és nagy hatótávolságú LPWAN (Low Power Wide Area Networking) hálózatok területén a keskenysávú IoT (NB-IoT) szabvány (LTE Cat-NB1) 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 hálózat operátorok a meglévő LTE hálózatban kezelhetik saját kapacitásukat. A védett technológiák, mint a SigFox és a LoRa saját átjárókat és helyi hálózatot igényelnek, melyeket 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.
2. ábra. IoT feladatok megvalósíthatósága GSM alapú adatátviteli technológiák alkalmazásával
Az NB-IoT az LTE technológián alapul, de egyes az LPWA igényei szempontjából lényegtelen szolgáltatás hiányzik a specifikációjából, így olyan előnyöket képes kínálni, melyeket 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), LTECAT-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, míg 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 bits/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 elem élettartam, a kis eszköz költség és a jó beltéri vételi tulajdonságok.
A celluláris hálózatok, – így az NB-IoT által használt LTE is – urbánus környezetben kiváló lefedettséget kínálnak, azonban a szenzo1. ábra. IoT vezetékmentes szabványok tulajdonságainak összehasonlítása 2. ábra. IoT feladatok megvalósíthatósága GSM alapú adatátviteli technológiák alkalmazásával 23 MÉRNÖK #XXX 4. ábra. Fibocom MA510 többsávos LPWA modem rok általában külterületen vagy épületek mélyén, esetleg alagsorában helyezkednek el, az itteni gyenge vételi viszonyok miatt a hagyományos GSM (2G) modulok áramfelvétele így 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 telep élettartam.
A GPRS/UMTS/LTE (2G/3G/4G) modulok egy sor olyan szolgáltatást támogatnak, melyre 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 elem élettartam fedi-e az alkalmazás által támasztott követelményeket, illetve ez alapján kell meghatározni az alkalmazott energiatárolási technológiát (Lítium elem, kapacitás,kisülési karakterisztika). Amenynyiben nagy pillanatnyi áramfelvételek várhatóak (cellakeresés, többszöri kapcsolódás ismétlés), érdemes a lítium elemmel párhuzamostan kapcsolt szuperkondenzátort alkalmazni, ami segít azonnali energiaimpulzussal ellátni a modulunkat, mialatt a lítium elem a 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.
3. ábra. A keskenysávú NB-IoT technológia jellemzői
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 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, melyek az LTE Cat.M1, LTE Cat.NB2 és EGPRS hálózatok kombinációhoz 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.
4. ábra. Fibocom MA510 többsávos LPWA modem
A modemek LCC és LGA tokozásban kaphatók (22,2 x 20,2 x 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. Ezen felül 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.
Újdonság, hogy az MA510 modem kapható olyan változatban is, ami támogatja az LTE B31 (450MHz) sávon való kommunikációt is, Magyarországon ezt a speciális, IoT eszközök számára fenntartott GSM sávot az MVMNet (Antenna Hungária ZRt) szolgáltatásához csatlakozva vehetjük igénybe, és az Endrich E-IoT egylapos számítógépei között is megtalálható az ezen a sávon (is) működő SBC.
A modem illesztése a GD32VF103 RISC-V mikrokontrollerhez
Az általános megoldás GSM modemek illesztésekor és használatakor a soros porton való kommunikáció, melyet általában AT parancsok modemre küldésével valósítunk meg. A mikrokontoller 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
A hardver szinten történő illesztés részleteit az E-OiT 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 – hozzáférhetőek.
5. ábra. Texas Instruments szintillesztő IC
A soros port elérése GD32VF103 RISC-V mikrokontroller alkalmazásakor
Az E-IoT kiértékelő készlet 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 6. ábrán látható kódrészlettel lehetséges.
6. ábra
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 (7. ábra).
7. ábra
Ha ezek megtörténtek, akkor nagyon egyszerű egy olyan utasítást készíteni, ami egy karakterlánc paraméterként való átadásával tetszőleges AT parancsol képes a modemre küldeni (8. ábra).
8. ábra
Ezek után gyerekjáték az adatküldés. Az általunk kidolgozott E-IoT infrastruktúra része egy felhő alapú adatbázis szerver, 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 parancscsal 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, melyet 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 a 9. ábrán látható.
9. ábra
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 szenzor-adatok 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: {„userID”: 6 , „deviceID” : 6, „msgref” : „Temperature sensor,Pressure sensor”, „payload” : „32,05C|1.00Bar”, „gpsdata” : „49.4185,11.1180”}
Ahol:
- a userID és a deviceID az eszköz az Endrich Felhő alapú adatbázisában való regisztrációjakor létrejövő azonosítók. Ezek megküldésére biztonsági okokból és az eszköz azonosításának biztosítására van szükség.
- az „msgref” egy tetszőleges üzenet-referencia szöveg, amivel a felhasználó az adatok között 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, mely az előbbi azonosító adatok helyett a modem IMEI számát használja egyedi azonosításra. Ilyen esetben a felhasználó feladata az IMEI szám modemből való kiolvasása, ami szintén egy AT paranccsal megoldható ( AT+CGSN?). Ez utóbbi esetben az elvárt JSON formátum a következő: {„IMEI” : „XXXXXXXXXXXXXXX”, „msgref” : „Temperature sensor,Pressure sensor”, „payload” : „32,05C|1.00Bar”, „gpsdata” : „49.4185,11.1180”}
Ezekben a mintaüzenetekben könynyen olvasható („human readable”) szenzor adatokat szerepeltettünk, de az Endrich CDB szolgáltatása lehetőséget biztosít sok szenzor adatának egyidejű küldésére is, melyeket az Endrich Visualization Gateway szolgáltatásával egy applikációban egyszerre jeleníthetünk meg. Ilyen esetben a „payload” mező egy speciális formátumú, az egyes szenzorok értékeit kódolt formában tartalmazó karakterlánc lesz, melyet a szoftver automatikust kiértékel. Ennek részletes ismertetése a http://E-IoT.info oldalon található kézikönyvben megtalálható.
Remélem a cikkel még jobb betekintést nyújthattam a GD32 mikrokontroller család sokrétű lehetőségeibe, melyek 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 pozícionálása és elterjesztése, valamit az Endrich az IoT területén való elkötelezettségének demonstrálása. Az érdeklődő olvasókat várom szeretettel a következő időszak kiállításain, konferenciáin mind Magyarországon, mind külföldön. Legközelebb a tavaszi InnoElectro 2022 kiállításon veszünk részt és a konferencián adunk elő. Ezúton is bíztatom a kollégákat a rendezvényeken való részvételre.
