5G 還很遙遠：使用現成的 LTE 4G 模塊進行遠程物聯網感測和控制

物聯網應用（如遠程感測和控制）的開發人員正在努力尋找最佳解決方案，以實現無處不在的遠距離、低功耗、低成本無線通信。此外，還要滿足三個特別棘手的要求，即高可靠性、低延遲和最小干擾。雖然 5G 有望滿足這些條件，但設計人員現在就可以使用 4G LTE 蜂窩網絡，該網絡在未來一段時間內將持續存在。

遠程感測和控制應用包括全球資產監測和跟蹤、公用事業計量、工業機器連接，以及大型戶外工廠的預防性維護。后者包括煉油廠、化工廠和礦山、智能城市基礎設施、可穿戴設備和家庭醫療監測，以及智能農業。

雖然隨著各個供應商在不同地區推出 5G 網絡，關于 5G 的討論很多，但在可預見的未來，4G 蜂窩通信仍將繼續占據主導地位。因此，開發人員在選擇物聯網射頻接口時需要采取務實的態度。這不只是選擇射頻模塊，還需要仔細考慮使蜂窩物聯網切實可行所需的生態系統。關鍵的生態系統要素包括所需的軟件堆棧、蜂窩基礎設施，甚至是運營商流量套餐和計費系統，以確保物聯網使用實現全面的蜂窩網絡覆蓋。

本文將詳細介紹蜂窩物聯網應用，以及實現這些應用所需的嵌入式技術。本文還將詳細討論最新硬件和軟件技術的使用，以及可幫助工程師針對上述各種應用開發蜂窩物聯網設計的可用資源。另外，還將包括有關現有流量套餐的信息。

為什么不是 5G？

盡管 5G 網絡和設備標準取得了很大進展，但尚未完全確定。即使在標準最終確定時，也需要幾年時間才能建立和部署標準化的 5G 網絡和設備。與此同時，4G LTE 網絡已自 2011 年開始投入商業運營，足以提供大多數物聯網應用所需的性能和覆蓋范圍。

至少一項估計指出，4G LTE 網絡約占當前全球蜂窩網絡市場的 40%，而較舊的 2G 和 3G 網絡各占市場的約 30%。即使到 2025 年，5G 的市場滲透率預計也不會超過 15%。有鑒于此，需要長距離和低功耗物聯網系統的設計人員應利用現有的蜂窩基礎設施，并遵守 4G LTE 和更早的標準。這些標準不僅是現成的，而且還在不斷演進以滿足物聯網的需求，就和 4G LTE 的情況一樣。

LTE 針對物聯網的演進

LTE 標準的第三代合作伙伴計劃 (3GPP) 第 13 版為物聯網應用定義了新的 LTE 類別：類別 M1 (Cat-M1)，以前稱為 eMTC（增強型機器類型通信）；和類別 NB1 (Cat-NB1)，以前稱為窄帶物聯網 (NB-IoT)。這些新類別通過支持更低功耗、更長距離、更短延遲和更低成本，并通過使用許可頻帶實現最小干擾，來擴展 LTE 的物聯網應用。

Cat-M1 定義了 1.4 MHz 信道寬度，上行鏈路吞吐量為 375 千比特每秒 (kbit/s)，下行鏈路吞吐量為 300 kbit/s。Cat-NB1 定義了更窄的 200 千赫茲 (kHz) 信道寬度，吞吐量以每秒數十千比特來計。Cat-M1 延遲大約為 10 到 15 毫秒，而 Cat-NB1 延遲以秒來計，在某些部署方案中可能長達 10 秒。

這種性能足以滿足許多物聯網感測應用，例如抄表器、健康狀態監護儀和高度移動的健身應用，這些應用可以從長覆蓋距離和無處不在的蜂窩通信中受益。在目前以及可預見的未來，沒有其他低功耗、廣域無線技術能夠像成熟的 4G LTE 網絡一樣，提供同等的可擴展性、安全性和使用壽命。

連接到云

一些供應商已經提供了各種模塊，用于作為蜂窩數據調制解調器運行，或者將蜂窩數據調制解調器集成到嵌入式開發平臺中。這些模塊通過 4G LTE（甚至更早的）蜂窩網絡將物聯網設備連接到云。但是，單獨的硬件模塊無法將物聯網設備連接到云，還需要適當的軟件，以及與蜂窩網絡提供商的托管連接。若沒有這三項，就無法連接。

在選擇蜂窩物聯網模塊時，是否配備應用處理器，取決于項目的硬件設計是從頭開始，還是在現有嵌入式設計中添加蜂窩物聯網連接。下面簡要概述了一些帶有和不帶板載應用處理器的 4G LTE 蜂窩調制解調器模塊和 IC。

Sierra Wireless的 AirPrimeWP7702低功耗廣域 (LPWA) 模塊將應用處理子系統和蜂窩數據調制解調器，集成到尺寸為 22 x 23 x 2.5 毫米 (mm) 的小型封裝中。該模塊符合 3GPP 的第 13 版標準，并且采用 Cat-M1 和 Cat-NB1 協議。其峰值 Cat-M1 數據速率為下載 300 kbit/s，上傳 375 kbit/s；Cat-NB1 數據速率為下載 27 kbit/s，上傳 65 kbit/s。

圖 1：Sierra Wireless 的 AirPrime WP7702 射頻模塊包含應用處理器，同時支持 Cat-M1 和 Cat-NB1 蜂窩協議。（圖片來源：Sierra Wireless）

為了與 AirPrime 射頻模塊配合使用，Sierra Wireless 提供了Developer Studio集成開發環境 (IDE)。此 IDE 構建于 Eclipse Java IDE 之上，允許開發人員通過在 Windows、Linux 和 MacOS 主機上運行的直觀圖形用戶界面 (GUI)，使用 Legato 開源應用程序框架創建應用程序。該工具包含在設計周期的各個階段有用的實用程序和功能，以支持無線數據應用的應用程序軟件開發。

Legato 結合了基于 Linux 的 OS 發行版（在 WP7702 模塊的 1.3 千兆赫 (GHz) Arm? Cortex?-A7 集成處理器上運行）、板級支持包 (BSP)，以及在主機 PC 上運行的定制開發工具。Sierra Wireless 還提供 AirVantage 物聯網平臺，這是一個自助服務門戶，為一組 Sierra Wireless 蜂窩調制解調器提供連接和設備管理，這些調制解調器連接到全球許多不同的蜂窩網絡運營商。這些運營商包括 AT&T、Verizon、NTT、Telstra、KT 和 SKT。AirVantage 還通過無線連接，自動更新 Sierra Wireless 調制解調器的固件。

Talon Communications, Inc.將 Sierra Wireless WP7702 模塊放在一張兼作開發平臺的載卡上。WP7702 模塊和載卡一起構成了mangOH Red?評估板，該評估板具有用于蜂窩微型 SIM 卡（獲得運營商服務所必需）的板載插槽。mangOH Red 平臺將 WP7702 模塊的眾多接口引腳分接到各種連接器，包括三個天線連接器、兩個微型 USB 連接器、一個全尺寸 USB 主機端口、一個帶 I2C、SPI、UART 和 GPIO I/O 引腳的排針，以及一個 3.5 毫米立體聲音頻輸出插孔。

圖 2：mangOH Red 開發板支持 Sierra Wireless 的 WP7702 射頻模塊的應用程序開發。（圖片來源：Talon Communications）

mangOH Red 的 USB 主機端口可將該開發平臺連接到主機計算機，以進行軟件開發。加載適當的 Windows 驅動程序，并安裝 Sierra Wireless 的 Legato Developer Studio，即可使用 WP7702 模塊完成相關設置，以進行無線物聯網應用程序開發。

u-blox 的 SARA-R410M-02B 是一款超小型 LTE Cat-M1 和 Cat-NB1 射頻收發器模塊，尺寸為 16 x 26 x 2.5 mm，采用 96 引腳 LGA 封裝。

該收發器模塊通過 USB 或 UART 接口連接到主機處理器，并由主處理器使用由 3GPP 定義的面向字符串的 AT 命令集來控制。SARA-R410M-02B 還配備 SIM 卡接口，用于識別運營商服務。

圖 3：u-blox 的 SARA-R410M-02B 射頻收發器模塊采用完整的 Cat-M1 和 Cat-NB1 無線電與基帶，可以連接到主機處理器。（圖片來源：u-blox）

u-blox 的 EVK-R4 評估套件包含并分接了 u-blox SARA-R410M 模塊的 I/O 引腳。該套件提供了適當的連接器，用于將模塊連接到天線、電源和主機處理器；而且具有板載 SIM 卡座，可容納 GNSS（全球導航衛星系統）子卡。GNSS 設備通常會與蜂窩無線電配對，可用于跟蹤應用。（有關 GNSS 設備和模塊的更多信息，請參閱“使用 GNSS 模塊快速設計位置跟蹤系統”和“使用經濟高效的 GNSS 模塊實現跟蹤應用的快速采集和高精度”。）

圖 4：u-blox 的 EVK-R4 開發套件分接了 u-blox SARA-R410M 模塊的 I/O 引腳，以便于開發。（圖片來源：u-blox）

Hologram, Inc.通過將 u-blox 的 SARA-R410M 模塊安裝在小型 USB 板上，開發出HOL-NOVA-R410。此解決方案提供了一種快速方法，用于將 LTE Cat-M1 和 Cat-NB1 射頻收發器功能添加到配備 USB 端口的現有產品中。

圖 5：Hologram Inc 的 NOVA-R410 將 u-blox 的 SARA-R410M 蜂窩射頻調制解調器放置在小型 USB 載板上，以簡化為配備 USB 的系統添加遠距離物聯網射頻通信的過程。（圖片來源：u-blox）

Nordic Semiconductor的nRF9160系統級封裝 (SiP) 將應用微控制器、完整的 LTE 調制解調器、收發器前端以及電源管理功能，集成到尺寸為 10 x 16 x 1 mm 的封裝中。該模塊包含用于資產跟蹤的 GPS 支持。若將從蜂窩網絡獲得的位置數據與 GPS 衛星三邊測量相結合，可遠程監測設備的位置。

nRF9160 的應用處理器是運行頻率為 64 兆赫的 Arm Cortex-M33，該處理器與 256 千字節 (Kbyte) 的靜態 RAM 和 1 兆字節 (Mbyte) 的閃存相結合。該模塊的 4G LTE 調制解調器采用 3GPP 第 13 版 Cat-M1 和 Cat-NB1，以及第 14 版 Cat-NB1 和 Cat-NB2 協議。

Nordic Semiconductor 的nRF9160-DK開發套件針對 nRF9160 模塊而提供，其 nRF9160 模塊安裝在載板上。

圖 6：Nordic Semiconductor 的 nRF9160-DK 開發套件分接了 nRF9160 蜂窩模塊的所有引腳，用于開發工作，并提供廣泛的軟件支持。（圖片來源：Nordic Semiconductor）

該軟件開發套件 (SDK) 包括：

• Zephyr Project 可擴展型實時操作系統 (RTOS)，適用于 nRF9160
• MCUboot 安全引導程序
• nrfxlib RTOS 獨立庫

nRF9160-DK 開發套件的框圖顯示了 nRF9160 可能需要的支持元器件。

圖 7：Nordic Semiconductor 的 NRF9160-DK 開發套件框圖顯示了 nRF9160 蜂窩物聯網 SiP 可能需要的支持元器件。（圖片來源：Nordic Semiconductor）

Nordic 建議使用Segger Microcontroller Systems的Embedded StudioIDE 來構建 nRF9160 應用程序。Segger Embedded Studio 的專用版本可免費用于 Nordic Semiconductor 器件，包括 nRF9160 SiP。

流量套餐概述

在運營商網絡上部署設備之前，必須首先通過鑒定流程，以確保該設備符合運營商對頻帶和干擾的要求。在進行該流程之前，開發人員需要選擇合適的流量套餐，并考慮該流量套餐的長期成本。為此，此處提供了可用的物聯網蜂窩流量套餐列表，作為有用的資源。

總結

蜂窩物聯網環境正在迅速變化，特別是隨著 5G 蜂窩技術的出現和即將到來的推廣。市場上已有用于蜂窩物聯網應用的射頻模塊，但這些模塊需要生態系統的支持，才能使蜂窩物聯網變得實用。這種生態系統包含所需的軟件開發工具、堆棧和庫，以便將芯片和模塊解決方案轉變為可部署產品。在 5G 普及之前，基于 4G LTE 的模塊將成為未來許多年遠程物聯網感測和控制的可行解決方案。