Utiliser un kit de développement combiné LTE-M, NB-IoT et DECT NR+ pour démarrer une conception IoT sans fil

Les technologies sans fil cellulaires LPWAN (réseau étendu basse consommation) pour l'Internet des objets (IoT), telles que LTE-M (Long-Term Evolution Machine Type Communication) et NB-IoT (NarrowBand-IoT), offrent une portée de connectivité sans fil de plus d'un kilomètre (km) pour les dispositifs alimentés par batterie utilisant une infrastructure cellulaire existante et éprouvée. New Radio+ (DECT NR+) est une alternative LPWAN sans licence pour les applications exigeant une approche de type cellulaire pour les déploiements de l'IoT massif. Ces trois approches peuvent être complexes à mettre en œuvre pour les développeurs, même avec une expérience en technologies sans fil à courte portée.

Travailler avec un fournisseur de solutions qui propose des produits pré-certifiés avec des piles logicielles LTE-M, NB-IoT ou DECT NR+ intégrées et des modems automatisés peut compenser la complexité de la conception LPWAN. De telles solutions permettent au développeur de se concentrer davantage sur la différenciation applicative et d'atteindre les objectifs de mise sur le marché.

Cet article résume les avantages de LTE-M, NB-IoT et DECT NR+ pour la connectivité IoT à longue portée et aborde les défis de mise en œuvre. Il présente ensuite un dispositif combinant IoT cellulaire et DECT NR+ et le kit de développement associé de Nordic Semiconductor, et montre comment les utiliser pour surmonter ces défis.

Pourquoi utiliser LTE-M, NB-IoT ou DECT NR+ sans fil

Pour constituer un élément fondamental du réseau mondial formant l'Internet, les dispositifs IoT doivent être capables de communiquer avec le cloud via le protocole Internet (IP) sans avoir recours à des passerelles coûteuses. Dans certaines applications, telles que l'agriculture, les villes intelligentes et la surveillance environnementale, la communication doit s'effectuer sur de longues distances et nécessiter une maintenance minimale. Ce dernier point implique une faible consommation d'énergie pour maximiser la durée de vie des batteries.

LTE-M et NB-IoT offrent une solution cellulaire à ces défis. Ils sont basés sur les spécifications définies par 3GPP, et sont donc interopérables avec IP et offrent une portée de plus d'un kilomètre. LTE-M et NB-IoT fonctionnent dans des bandes de fréquences s'étendant respectivement de 698 mégahertz (MHz) à 960 MHz et de 1710 MHz à 2200 MHz. Les détails techniques de LTE-M et NB-IoT sont résumés dans le Tableau 1.

Tableau 1 : Comparaison entre LTE-M et NB-IoT. (Source de l'image : Nordic Semiconductor)

DECT NR+ offre une alternative pour les applications exigeant une connectivité longue portée sans frais de licence. Cette solution est basée sur les spécifications 5G, fonctionne dans la bande 1900 MHz, peut prendre en charge les réseaux LPWAN haute densité et est adaptée aux communications machine-à-machine (M2M) et à la surveillance de la qualité de l'air à l'échelle d'une ville.

Simplifier la conception RF

La mise en œuvre de conceptions RF constitue un défi pour de nombreux développeurs et peut souvent compromettre les délais de mise sur le marché. Cependant, certains défis matériels peuvent être surmontés en choisissant une solution intégrée qui masque une grande partie de la complexité. Un exemple est le système en boîtier (SiP) nRF9161 de Nordic Semiconductor (Figure 1).

Le SiP intègre un processeur Arm^® Cortex^®-M33 dédié aux logiciels d'application et un modem prenant en charge les interfaces RF LTE-M, NB-IoT et DECT NR+. Il inclut également un circuit d'entrée RF (RFFE) et un système de gestion de l'alimentation, et ce dans un boîtier LGA de 16,0 millimètres (mm) x 10,5 mm x 1,04 mm. Le modem prend en charge IPv4/IPv6 et les mises à jour cryptées en direct (FOTA, Firmware-Over-The-Air). Le processeur d'application est soutenu par 1 méga-octet (Mo) de mémoire Flash et 256 kilo-octets (Ko) de RAM.

Figure 1 : Le SiP nRF9161 intègre un processeur Arm Cortex-M33, un modem LTE, un circuit RFFE, de la mémoire et un système de gestion de l'alimentation. (Source de l'image : Nordic Semiconductor)

Le SiP dispose également d'un récepteur GNSS pour les applications telles que le suivi de position. Les interfaces et les périphériques incluent un convertisseur analogique-numérique (CAN) 12 bits, une horloge temps réel (RTC), une interface périphérique série (SPI), une interface I²C, une interface I²S, un émetteur-récepteur universel asynchrone (UART), la modulation de densité d'impulsions (PDM) et la modulation de largeur d'impulsion (PWM). Le SiP permet le développement d'une solution IoT cellulaire ou DECT NR+ avec un seul dispositif, une antenne, une batterie, une carte SIM ou eSIM et un capteur (Figure 2).

Figure 2 : Le SiP nRF9161 est une solution de connectivité IoT cellulaire (LTE-M, NB-IoT) et DECT NR+ hautement intégrée. (Source de l'image : Nordic Semiconductor)

Défis de conception logicielle

Les défis de la conception RF IoT s'étendent également aux logiciels. Les piles cellulaires et DECT NR+ sont vastes et très complexes. Leur développement à partir de zéro nécessite des spécialistes en protocoles. Dans le cas de LTE-M et de NB-IoT, le développeur doit implémenter des commandes AT cellulaires spécifiques une fois la pile construite et testée. Celles-ci constituent la base de la communication entre tout modem cellulaire et son contrôleur hôte. Elles sont principalement utilisées pour configurer et déboguer le modem, et elles permettent la connexion au réseau via les opérateurs de réseaux mobiles (MNO).

Nordic simplifie les problèmes de codage logiciel en fournissant une pile LTE-M éprouvée et stable, pré-programmée dans le modem du SiP. De plus, l'application Serial LTE Modem de Nordic gère les commandes AT ordonnant au modem de transmettre et de recevoir des données.

Au-delà des défis techniques, les modems cellulaires doivent également répondre à des exigences strictes de certification et de réglementation spécifiques à chaque région. Il s'agit notamment de certifications mondiales visant à garantir la compatibilité avec les spécifications LTE, permettant au périphérique final de communiquer sur les réseaux LTE-M ou NB-IoT. De plus, certains opérateurs de réseaux mobiles ont leurs propres exigences de certification.

Là encore, Nordic a allégé le fardeau du développeur en pré-certifiant le SiP nRF9161 pour un fonctionnement dans les régions les plus critiques, les réseaux clés et les principales bandes LTE de ces réseaux.

Utilisation du kit de développement nRF9161

Même si le SiP nRF9161 réduit certains problèmes matériels et logiciels critiques associés au développement IoT cellulaire et DECT NR+, la création d'un prototype fonctionnel implique encore des efforts. Pour accélérer le processus de conception, Nordic propose le kit de développement nRF9161 DK (Figure 3) et une suite d'outils logiciels. Ces outils sont basés sur le nRF Connect SDK de l'entreprise, un environnement de développement unifié pour les solutions sans fil de Nordic.

Le kit de développement intègre le SiP et inclut les circuits nécessaires pour permettre un prototype entièrement fonctionnel. Le kit comprend une antenne LTE-M/NB-IoT et DECT NR+ dédiée et une antenne patch intégrée pour GNSS. La programmation et le débogage sont possibles via le SEGGER J-Link embarqué, et le kit est fourni avec une carte SIM pré-chargée avec les données. Il prend également en charge l'utilisation d'une carte SIM logicielle, réduisant encore davantage la consommation d'énergie.

Figure 3 : Le nRF9161 DK inclut le SiP nRF9161 pour LTE-M, NB-IoT et DECT NR+, ainsi que des antennes LPWAN et GNSS, un SEGGER J-Link embarqué pour la programmation et le débogage, et une carte SIM pré-chargée. (Source de l'image : Nordic Semiconductor)

Pour commencer le développement avec le kit nRF9161, la carte SIM doit être insérée (ou l'eSIM activée), le switch PROG/DEBUG SW10 défini sur « nRF91 », et le kit connecté à un ordinateur de bureau avec un câble micro-USB 2.0. Le kit de développement requiert un système d'exploitation (OS) Windows, macOS ou Ubuntu Linux.

L'étape suivante consiste à installer nRF Connect for Desktop de Nordic et à activer le logiciel. À partir de là, il est possible d'installer l'application Quick Start, un outil pour les procédures guidées de configuration et d'installation. Le logiciel simplifie la mise à jour du micrologiciel du kit de développement et l'activation de la carte SIM. Pour transmettre les données du kit au cloud, le développeur peut configurer un compte Nordic nRF Cloud ou se connecter à d'autres services cloud.

L'application Quick Start dirige ensuite le développeur vers le kit nRF Connect SDK de Nordic. Le SDK fonctionne avec Visual Studio Code, un environnement de développement intégré (IDE) populaire, utilisant l'extension nRF Connect for VS Code de Nordic. Le SDK est utilisé pour développer des applications et inclut des exemples utiles tels que la récupération de la position d'un dispositif à l'aide du positionnement GNSS, cellulaire ou Wi-Fi, et la transmission des données de capteurs du kit nRF9161 vers le cloud.

Une fois l'application créée, la programmation du processeur d'application Arm du SiP nRF9161 embarqué est simple. La première étape consiste à connecter le kit à un PC à l'aide d'un câble USB et à l'activer. À partir de l'extension nRF Connect for VS Code, le développeur doit cliquer sur l'option "Flash" dans "Actions View". Une notification apparaît, affichant la progression de la programmation et confirmant son achèvement.

Le kit de développement permet également au développeur de vérifier le signal RF LTE-M, NB-IoT ou DECT NR+. De bonnes performances RF sont essentielles pour optimiser la portée de communication entre le dispositif IoT et la station de base. Pour effectuer la mesure, un câble est installé entre le petit connecteur coaxial (J1) du kit et un analyseur de spectre (Figure 4).

Figure 4 : Le signal RF du kit de développement nRF9161 peut être mesuré en connectant le kit à un analyseur de spectre avec un câble coaxial. (Source de l'image : Nordic Semiconductor)

Outils de développement avancés pour le nRF9161 DK

Une fois une application programmée, Nordic propose deux outils qui permettent au développeur d'observer ses performances. Le premier est le Power Profiler Kit II (PPK2) (Figure 5). Cette unité autonome peut mesurer la consommation de courant du kit de développement sur une plage de 200 nanoampères (nA) à 1 ampère (A) avec une résolution variant entre 100 nA et 1 milliampère (mA). Le PPK2 peut également fournir jusqu'à 5 volts (V) à 1 A au kit de développement.

Figure 5 : Le PPK2 peut mesurer la consommation de courant moyenne et instantanée du kit de développement nRF9161 lors de l'exécution d'une application. (Source de l'image : Nordic Semiconductor)

Le PPK2 est utilisé avec une application Power Profiler qui fait partie du logiciel nRF Connect for Desktop. Le développeur peut utiliser l'application pour analyser la consommation de courant moyenne et instantanée du kit nRF9161 lors de l'exécution d'une application. Les mesures peuvent être effectuées sur période étendue, avec la possibilité de zoomer simultanément sur un intervalle d'une milliseconde si nécessaire. Les données mesurées peuvent être exportées pour un traitement ultérieur.

L'analyse de la consommation d'énergie permet au développeur de voir où le code d'application peut être modifié pour économiser de l'énergie et étendre la durée de vie de la batterie (Figure 6).

Figure 6 : L'application Power Profiler dans nRF Connect for Desktop affiche la consommation de courant de l'application en cours d'exécution. (Source de l'image : Nordic Semiconductor)

L'outil Cellular Monitor de Nordic facilite le développement d'applications et il est pris en charge par le logiciel nRF Connect for Desktop. Le moniteur montre l'activité du modem du SiP nRF9161 pendant que le kit de développement exécute l'application. Cela inclut les performances du réseau, l'état du dispositif et la transmission de données. Ces informations permettent au développeur d'analyser le trafic du modem et d'optimiser les performances de l'application. Les détails sont affichés sur un terminal série.

Conclusion

Les technologies LPWAN LTE-M, NB-IoT et DECT NR+ prennent en charge une connectivité longue portée fiable, sécurisée et évolutive pour les dispositifs IoT, mais le développement de dispositifs matériels et logiciels sans fil peut s'avérer complexe. Le SiP nRF9161 de Nordic, les logiciels de protocole embarqués, et les applications et le kit de développement nRF9161 DK de support réduisent une grande partie de la complexité de conception.