Utilice un kit de desarrollo combinado de LTE-M, NB-IoT y DECT NR+ para poner en marcha un diseño de IoT inalámbrico.

Las tecnologías inalámbricas celulares de red de área extensa de baja potencia (LPWAN) para la Internet de las cosas (IoT), como comunicación tipo máquina de evolución a largo plazo (LTE-M) y IoT de banda estrecha (NB-IoT), ofrecen más de un kilómetro (km) de alcance de conectividad inalámbrica para dispositivos alimentados por batería que utilizan la infraestructura celular existente y probada. New Radio+ (DECT NR+) es una alternativa LPWAN sin licencia para aplicaciones que requieren un enfoque similar al celular para implementaciones masivas de IoT. Los tres enfoques pueden resultar complejos de aplicar para los desarrolladores, incluso para aquellos con experiencia en redes inalámbricas de corto alcance.

Trabajar con un proveedor de soluciones que ofrezca productos precertificados con pilas de software de protocolo LTE-M, NB-IoT o DECT NR+ integradas y módems automatizados puede compensar la complejidad del diseño de LPWAN. Estas soluciones permiten al desarrollador centrarse más en la diferenciación de las aplicaciones y alcanzar los objetivos de tiempo de comercialización.

Este artículo resume las ventajas de LTE-M, NB-IoT y DECT NR+ para la conectividad IoT de largo alcance y analiza los retos de implementación. A continuación, presenta una combinación de dispositivo IoT celular y DECT NR+ y el kit de desarrollo asociado de Nordic Semiconductor y muestra cómo pueden utilizarse para superar estos retos.

¿Por qué utilizar tecnología inalámbrica LTE-M, NB-IoT o DECT NR+?

Para ser parte fundamental de la red global que forma Internet, los dispositivos IoT deben poder comunicarse con la nube mediante el Protocolo de Internet (IP) sin necesidad de utilizar costosas pasarelas. En algunas aplicaciones, como la agricultura, las ciudades inteligentes y la vigilancia del medio ambiente, la comunicación debe realizarse a grandes distancias y requerir un mantenimiento mínimo. Esto último se traduce en un bajo consumo de energía para maximizar la duración de la batería/pila.

LTE-M y NB-IoT ofrecen una solución celular a estos retos. Se basan en las especificaciones establecidas por el 3GPP, por lo que son interoperables con IP y ofrecen un alcance de más de km. LTE-M y NB-IoT operan en bandas de frecuencia de 698 megahercios (MHz) a 960 MHz, y de 1710 MHz a 2200 MHz, respectivamente. Los detalles técnicos de LTE-M y NB-IoT se resumen en la Tabla 1.

Tabla 1: Comparación entre LTE-M y NB-IoT. (Fuente de la imagen: Nordic Semiconductor).

DECT NR+ ofrece una alternativa para aplicaciones que requieren conectividad de largo alcance sin tener que pagar licencia. Se basa en las especificaciones 5G, opera en la banda de 1900 MHz, puede soportar LPWAN de alta densidad y es adecuada para las comunicaciones de máquina a máquina (M2M) y la vigilancia de la calidad del aire en toda la ciudad.

Simplificación del diseño de RF

La implementación de diseños de RF supone un reto para muchos desarrolladores y, con frecuencia, puede comprometer los plazos de comercialización. Sin embargo, algunos retos de hardware pueden superarse seleccionando una solución integrada que oculte gran parte de la complejidad. Un ejemplo es el Sistema en paquete (SiP) nRF9161 de Nordic Semiconductor (Figura 1).

El Sistema en paquete (SiP) incorpora un procesador Arm^® Cortex^®-M33 dedicado al software de aplicación y un módem compatible con interfaces de RF LTE-M, NB-IoT y DECT NR+. También incluye un front-end de RF (RFFE) y un sistema de gestión de la alimentación, todo ello en una matriz land grid array (LGA) de 16.0 x 10.5 x 1.04 milímetros (mm). El módem admite IPv4/IPv6 y actualizaciones cifradas de firmware por aire (FOTA). El procesador de aplicaciones cuenta con 1 megabyte (Mbyte) de memoria Flash y 256 kilobytes (Kbytes) de RAM.

Figura 1: El SiP nRF9161 incorpora un procesador Arm Cortex-M33, módem LTE, RFFE, memoria y gestión de la alimentación. (Fuente de la imagen: Nordic Semiconductor)

El Sistema en paquete (SiP) también cuenta con un receptor GNSS para aplicaciones como el seguimiento de ubicaciones. Las interfaces y los periféricos incluyen un convertidor de analógico a digital (ADC) de 12 bits, reloj en tiempo real (Reloj en tiempo real), Interfaz periférica serial (SPI), Circuito interintegrado (I²C), Sonido inter-CI (I²S), Receptor asíncrono universal/Transmisor (UART), modulación por densidad de impulsos (PDM) y modulación por ancho de pulsos (PWM). El Sistema en paquete (SiP) permite desarrollar una solución IoT celular o DECT NR+ utilizando un único dispositivo, una antena, una batería, una SIM o eSIM y un sensor (Figura 2).

Figura 2: El nRF9161 SiP es una solución de conectividad celular (LTE-M, NB-IoT) y DECT NR+ IoT altamente integrada. (Fuente de la imagen: Nordic Semiconductor)

Retos del diseño de software

Los retos del diseño de RF IoT se extienden al software. Las pilas de telefonía móvil y DECT NR+ son grandes y muy complejas, por lo que construirlas desde cero requiere especialistas en protocolos. En el caso de LTE-M y NB-IoT, el desarrollador debe implementar los comandos de atención (AT) específicos del celular una vez que la pila esté construida y probada. Son la base de la comunicación entre cualquier módem celular y su controlador host. Se utilizan principalmente para configurar y depurar el módem y permitir la conexión a la red a través de operadores de redes móviles (ORM).

Nordic facilita los problemas de codificación del software suministrando una pila LTE-M probada y estable preprogramada en el módem del sistema en paquete (SiP). Además, la aplicación Serial LTE Modem de Nordic gestiona los comandos AT que ordenan al módem transmitir y recibir datos.

Más allá de los retos de ingeniería, los módems celulares también deben cumplir estrictos requisitos de certificación y regulación específicos de cada región. Entre ellas se incluyen certificaciones mundiales para garantizar la compatibilidad con las especificaciones LTE, lo que permite al dispositivo final comunicarse a través de redes LTE-M o NB-IoT. Además, algunos ORM tienen sus propios requisitos de certificación.

Una vez más, Nordic ha aliviado la carga del desarrollador precertificando el Sistema en paquete (SiP) nRF9161 para que funcione en las regiones más críticas, las redes clave y las principales bandas LTE de esas redes.

Uso del kit de desarrollo del nRF9161

Aunque el Sistema en paquete (SiP) nRF9161 facilita algunos de los retos críticos de hardware y software asociados al desarrollo de IoT celular y DECT NR+, la creación de un prototipo funcional sigue requiriendo esfuerzo. Para agilizar el proceso de diseño, Nordic ofrece el kit de desarrollo nRF9161 DK (Figura 3) y un conjunto de herramientas de software. Las herramientas están encabezadas por el SDK nRF Connect de la empresa, un entorno de desarrollo unificado para las soluciones inalámbricas de Nordic.

El kit de desarrollo incorpora el sistema en paquete (SiP) e incluye los circuitos necesarios para crear un prototipo totalmente funcional. El kit cuenta con una antena dedicada LTE-M/NB-IoT y DECT NR+ y una antena de parche integrada para GNSS. La programación y depuración se realizan a través del SEGGER J-Enlace integrado y el kit incluye una tarjeta SIM precargada con datos. También admite el uso de una tarjeta SIM por software, lo que reduce aún más el consumo de energía.

Figura 3: El nRF9161 DK incluye el nRF9161 SiP para LTE-M, NB-IoT y DECT NR+ y cuenta con antenas LPWAN y GNSS, un SEGGER J-Enlace integrado para programación y depuración, y una tarjeta SIM precargada. (Fuente de la imagen: Nordic Semiconductor)

Para empezar a desarrollar con el kit nRF9161, la tarjeta SIM debe estar conectada (o la eSIM activada), el interruptor PROG/DEBUG SW10 debe estar en "nRF91" y el kit debe estar conectado a una computadora de escritorio mediante un cable Micro USB 2.0. El kit de desarrollo requiere un sistema operativo Windows, macOS o Ubuntu Linux.

El siguiente paso es instalar nRF Connect for Desktop de Nordic y activar el software. A partir de ahí, es posible instalar la aplicación de inicio rápido, una herramienta para la configuración guiada y los procedimientos de instalación. El software simplifica la actualización del firmware del kit de desarrollo y la activación de la tarjeta SIM. Para transmitir los datos del kit a la nube, el desarrollador puede configurar una cuenta Nordic nRF Cloud o conectarse a otros servicios en la nube.

A continuación, la aplicación de inicio rápido dirigirá al desarrollador al SDK nRF Connect de Nordic. El SDK funciona con Visual Studio Code, un conocido entorno de desarrollo integrado (IDE), mediante la extensión nRF Connect for VS Code de Nordic. El SDK se utiliza para desarrollar aplicaciones e incluye ejemplos útiles como la recuperación de la ubicación de un dispositivo mediante posicionamiento GNSS, celular o Wi-Fi, y la transmisión de datos de sensores desde el kit nRF9161 a la nube.

Una vez creada la aplicación, la programación del procesador de aplicaciones Arm del nRF9161 SiP es muy sencilla. El primer paso es conectar el kit a un PC mediante un cable USB y encenderlo. Desde la extensión nRF Connect para VS Code, el desarrollador debe hacer clic en la opción "Flash" de la "Vista de acciones". Aparece una notificación que muestra el progreso de la programación y confirma que se ha completado.

El kit de desarrollo también permite al desarrollador comprobar la señal de RF de LTE-M, NB-IoT o DECT NR+. Un buen rendimiento de RF es esencial para maximizar el alcance de la comunicación entre el dispositivo IoT y la estación base. Para realizar la medición, se coloca un cable entre el pequeño conector coaxial (J1) del kit y un analizador de espectro (Figura 4).

Figura 4: La señal de RF del kit de desarrollo nRF9161 puede medirse conectándolo a un analizador de espectro con un cable coaxial. (Fuente de la imagen: Nordic Semiconductor)

Herramientas de desarrollo avanzadas para el nRF9161 DK

Una vez programada una aplicación, Nordic ofrece dos herramientas que permiten al desarrollador observar su rendimiento. El primero es el Power Profiler Kit II (PPK2) (Figura 5). Esta unidad independiente puede medir el consumo de corriente del kit de desarrollo en un rango de 200 nanoamperios (nA) a 1 amperio (A) con una resolución que varía entre 100 nA y 1 miliamperio (mA). El PPK2 también puede suministrar hasta 5 voltios a 1 A al kit de desarrollo.

Figura 5: El PPK2 puede medir el consumo de corriente medio e instantáneo del kit de desarrollo nRF9161 cuando se ejecuta una aplicación. (Fuente de la imagen: Nordic Semiconductor)

El PPK2 se utiliza con la aplicación Power Profiler, que forma parte del software nRF Connect for Desktop. El desarrollador puede utilizar la app para analizar el consumo de corriente medio e instantáneo del kit nRF9161 al ejecutar una aplicación. Las lecturas pueden tomarse durante un periodo de tiempo prolongado mientras se hace zoom simultáneamente en un intervalo de milisegundos si es necesario. Los datos medidos pueden exportarse para su tratamiento posterior.

El análisis del consumo de energía permite al desarrollador ver dónde puede modificarse el código de la aplicación para ahorrar energía y prolongar así la duración de la batería del diseño (Figura 6).

Figura 6: La aplicación Power Profiler de nRF Connect for Desktop muestra el consumo actual de la aplicación mientras se ejecuta. (Fuente de la imagen: Nordic Semiconductor)

La herramienta Cellular Monitor de Nordic ayuda al desarrollo de aplicaciones y es compatible con el software nRF Connect for Desktop. El monitor muestra lo que hace el módem del nRF9161 SiP mientras el kit de desarrollo ejecuta la aplicación. Esto incluye el rendimiento de la Red, el estado de los dispositivos y la transmisión de datos. Estos detalles permiten al desarrollador analizar el tráfico del módem y optimizar el rendimiento de la aplicación. La información se muestra en un terminal serie.

Conclusión:

Las tecnologías LTE-M, NB-IoT y DECT NR+ LPWAN admiten una conectividad de largo alcance fiable, segura y escalable para los dispositivos IoT, pero el desarrollo de dispositivos de hardware y software inalámbricos puede resultar complicado. El Sistema en paquete (SiP) nRF9161 de Nordic, el software de protocolo integrado y el kit de desarrollo y las aplicaciones nRF9161 DK reducen gran parte de la complejidad del diseño.