使用LTE Cat M1调制解调器降低物联网无线连接的成本

移动健康监控，遥感和智能城市等广域物联网应用的开发人员存在连接问题：蓝牙，zigbee和Wi-Fi缺乏所需的范围，而传统的蜂窝无线电太昂贵，耗电量大，

为了解决这个问题，出现了另一种连接选项，LTE Cat M1蜂窝网络。随之而来的是易于使用，经过认证的解决方案，可大大降低蜂窝连接的复杂性和成本，同时加快面向广域，低功耗，低成本，远程物联网设计的上市时间。

其中一个解决方案是NimbeLink的NL-SW-LTE-SVZM20 Skywire LTE Cat-M1调制解调器。本文将介绍NL-SW-LTE_SVZM20以及如何开始设计和编程。

LTE Cat M1基础

LTE类别M1是作为一种较便宜的替代品而创建的更传统的LTE服务，如Cat 4，旨在支持100 Mbits/s的吞吐量。对于低功耗，低成本物联网传感应用，具有低占空比和数据速率需求的10或100千比特/秒，这显然是过度的。在LTE标准的版本13中，3GPP（第三代合作伙伴计划）定义了一类LTE技术，包括LTE Cat M1，数据速率低于300 Kbits/s。

这种较低的数据速率及其结果降低复杂性，更好地匹配物联网设计要求，同时仍允许设计人员利用蜂窝无处不在和相对无干扰的许可频段操作。现在，远程物联网设备可以在单个电池上运行多年而无需更换或充电。

此外，LTE Cat M1提供足够高的性能，物联网设备可以快速传输数据突发并返回迅速向低功率状态发展。此外，LTE Cat M1具有10 ms范围内的延迟，允许其在具有时间要求的物联网应用中使用。

最后，LTE Cat M1支持支持预期增长所需的LTE语音（VoLTE）连接在物联网应用中对基于语音的接口的需求，如健康和健身，零售，交通，建筑服务等等。

满足LTE设计和认证挑战

虽然它有明显的优势，LTE连接确实存在多重挑战。在设计层面，LTE芯片组仍然是相对复杂的设备，对优化发射机和接收机信号路径有着严格的要求。

制造商通过提供将芯片组与优化的RF电路设计相结合的LTE模块来解决这些问题，将系统接口要求（例如信号电压转换和缓冲）留给系统设计人员。 LTE调制解调器提供商满足这些要求，其中包含模块周围的电路板，以及加速系统设计（如基于MCU的物联网设备）集成所需的最终元件。

蜂窝解决方案的分层特性也可用于最终解决方案即使是精心设计的基于蜂窝的系统也可能停止生产的要求。开发人员需要通过认证测试来符合政府和运营商的要求，这些测试可能会为完成的设计增加数月和大量成本。缺乏适当认证的产品根本不允许进入运营商网络。

在更高级别的蜂窝解决方案层次结构中，使用未经认证的组件会增加这些成本。例如，使用缺乏运营商认证的芯片组的模块制造商面临着显着更高的成本和延迟，因为认证实验室填补了测试的空白。进一步的复杂化是因为仅从政府机构或仅从承运人那里获得的认证不能确保从另一个机构获得认证。例如，在美国，运营商通常会征收超出美国联邦通信委员会（FCC）规定的额外测试要求。

NimbeLink通过其NL-SW-LTE-SVZM20消除了这些设计和认证障碍Skywire LTE Cat-M1调制解调器。

使用随时可用的调制解调器子系统进行快速开发

该调制解调器专为物联网应用而设计，具有低功耗运行，同时支持LTE Cat M1 Verizon LTE频段B4和B13的服务。 B4和B13分别在1700 MHz和750 MHz左右的中心频率下工作，可以为链路预算相对较低的物联网设备提供深度覆盖。对于开发人员来说同样重要的是，调制解调器已经过终端设备的预认证，消除了与蜂窝认证相关的成本和延迟。与此同时，NimbeLink的Skywire调制解调器支持固件升级，使开发人员能够在运营商网络中部署新功能。

对于物联网开发人员，NimbeLink调制解调器将LTE Cat M1模块与支持功能相结合，以提供完整的蜂窝子系统（图1）。因此，开发人员使用简单的系统集成接口，通过共享的UART硬件接口使用熟悉的“AT”命令将其基于MCU的系统功能性地连接到调制解调器。

图1：NimbeLink NL-SW-LTE-SVZM20 Skywire LTE Cat-M1调制解调器结合了LTE Cat M1模块的特性和功能简化系统设计中的集成。 （图片来源：NimbeLink）

物理设计集成同样简单。在调制解调器的29 x 33 x 10.5 mm占位面积内，其I/O引脚布局符合行业标准XBee外形尺寸，允许设计人员将调制解调器与兼容板相结合。设计人员可以利用XBee兼容引脚排列，使用一对10针连接器（如Sullins Connector Solutions NPPN101BFCN-RC）将调制解调器连接到自己的主板上。 NimbeLink还提供了建议的占位面积，工程师可以使用它来将调制解调器焊接到其电路板上（图2）。开发人员使用兼容LTE的天线（如Taoglas FXP400.07.0100A）完成物理集成。

图2：NimbeLink NL-SW-LTE-SVZM20 Skywire LTE Cat M1调制解调器提供与XBee兼容的引脚接口，用于连接兼容板或使用此处显示的封装规格焊接到定制电路板。 （图片来源：NimbeLink）

LTE子系统

NimbeLink通过其NL-M1DK开发套件演示了调制解调器的接口设计和系统集成的详细信息。虽然开发板提供了完整的LTE Cat M1解决方案，但相关的原理图说明了将调制解调器集成到定制系统设计中所需的简单接口（图3）。

图3：NimbeLink提供了详细的原理图，用于将其NL-SW-LTE-SVZM20 Skywire LTE Cat-M1调制解调器连接到物联网设计，包括MOSFET缓冲区和电流测量测试点。 （图像来源：NimbeLink）

如示意图所示，该模块仅需要一些额外的组件即可将LTE Cat M1功能添加到基于MCU的设计中。除了少量电阻和电容外，NimbeLink还增加了一对ON Semiconductor FDV301N MOSFET缓冲器。 NimbeLink还在开发板上增加了一个SusumuRL1220S-R10-F表面贴装电流检测电阻，允许开发人员测量整个电路板J13连接器的调制解调器电流。

除了评估LTE Cat M1连接，开发人员还可以使用该电路板用于构建基本电池供电的物联网传感器系统。该板包括一个围绕德州仪器BQ25060DQCR构建的电池管理电路。因此，开发人员可以简单地插入可充电电源，例如SparkFun Electronics PRT-13855 2 Ah @ 3.7伏（标称）锂电池，以独立配置为电路板供电。板载LED和按钮支持简单的用户界面，而电路板的Everlight Electronics PT15-21C/TR8封装了光电晶体管和透镜，可用作独立的位置传感器。

电路板的Sensirion SHT30-DIS -B温度和湿度传感器为物联网设计评估提供了额外的数据源。 SHT30传感器通过I 2 C接口连接到系统，该接口本身与调制解调器UART接口一起出现在单独的板引脚上。最后，该板包含一个FTDI FT2232D IC，它提供了一个USB接口，用于连接开发系统。

开发人员只需连接提供的天线，电源线，USB线，就可以开始使用开发套件。并将NimbeLink NL-SIM-VER-M1 SIM卡插入调制解调器板的下侧（图4）。与使用蜂窝的任何移动设备一样，开发人员还需要在运营商网络上激活设备。在这种情况下，开发人员联系NimbeLink支持，该支持通常在同一天执行快速程序以激活Verizon网络上的调制解调器。

图4：NimbeLink NL-M1DK开发套件与NimbeLink NL-SW-LTE-SVZM20调制解调器结合使用，可提供完整的LTE Cat-M1连接子系统。 （图像来源：NimbeLink）

连接后，设备在NimbeLink数据计划上运行，使用Verizon网络内NimbeLink专用网络内的专用IP地址。结果，蜂窝连接设备无法从公共因特网上访问，因为它只能将数据发送到因特网。之后，开发人员可以在Verizon网络中的专用网络中为生产设备配置静态IP，以便通过Internet进行物联网应用的双向通信。无论是在NimbeLink专用网络上运行还是在自己的网络上运行，调制解调器都使用一组简单的命令来提供连接服务。

网络连接

开发人员使用一系列调制解调器与调制解调器进行交互AT命令，以交互方式或以编程方式提供。在开发过程中，工程师可以通过USB将电路板连接到主机系统，并使用PuTTY等主机终端程序发出AT命令，以便与调制解调器进行交互。

虽然创建适当的AT命令序列的任务是很简单，NimbeLink消除了这个开发步骤。 NimbeLink的开源库为开发人员提供了一系列脚本，其中包括执行操作所需的特定AT命令，例如打开与蜂窝网络的点对点协议（PPP）连接。这里，基本脚本提供AT命令，用于定义（CGDCONT）分组数据协议（PDP）类型和用户访问点名称（APN），设置电话功能（FUN），附加到分组服务（CGATT）和执行（CGDATA） ）PPP连接（清单1）。

在应用程序中，开发人员可以使用共享UART连接对IoT设备的MCU主机进行编程，以发送类似的AT命令流。建立PPP连接后，IoT设备将使用传统的http Web协议或轻量级消息传递协议（如ISO标准消息队列遥测传输（MQTT））与云服务器进行交互。反过来，IoT应用程序通常会在功能上使用此基本的PPP启用MQTT，以使用传输层安全性（TLS）相互身份验证与云建立安全连接。

IoT云

物联网云平台（如Amazon Web Services（AWS））支持此特定通信堆栈，同时提供额外的面向物联网的服务。对于AWS，开发人员可以通过实现AWS IoT应用程序编程接口（API）的库来访问这些服务。例如，AWS IoT Embedded C库包含演示用于构建自定义IoT应用程序的基本设计模式的示例程序。示例程序说明了与MQTT一起使用的基本发布/订阅模型的实现。这里，示例显示了开发人员如何使用该调用：

清单3：开发人员可以在Amazon Web Services（AWS）云上构建IoT应用程序，使用AWS IoT Embedded C库（例如此MQTT消息结构）提供的样本对其软件进行建模。 （代码来源：Amazon Web Services）

清单4：AWS IoT Embedded C库中的示例软件说明了关键设计模式，例如IoT设备可能用于的回调处理与订阅的MQTT主题相关的异步数据。 （代码来源：Amazon Web Services）

开发人员可以将AWS嵌入式C库或类似的AWS IoT库用于C ++，Java和Python等，以将IoT设备连接到AWS IoT平台。在其物联网平台中，AWS提供诸如身份验证，设备阴影和基于规则的激活等服务。一旦连接到AWS IoT平台，应用程序就可以利用更全面的AWS云服务集来实现实时流，分析，监控等。

结论

LTE Cat M1为越来越多的物联网应用中的低功耗，广域连接提供了越来越有吸引力的选择。与早期的蜂窝技术不同，LTE Cat M1连接可以降低系统成本，功耗和复杂性，从而满足物联网吞吐量要求。使用NimbeLink调制解调器，开发人员可以快速实现LTE Cat M1连接，而无需额外的硬件设计或软件开发。