蜂窩物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 是一種低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN) 技術(shù)，為從智能城市到農(nóng)業(yè)以及遠程基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測等應(yīng)用提供了一種清晰而成熟的方案來建立安全強大的物聯(lián)網(wǎng)。但蜂窩物聯(lián)網(wǎng)是一項復(fù)雜技術(shù)，對于缺乏經(jīng)驗的設(shè)計者而言，著手開展項目會令人望而生畏。
    但是，在使用熟悉的通用微控制器 (MCU) 和集成設(shè)計環(huán)境 (IDE) 的蜂窩開發(fā)板上建立項目，可以讓蜂窩物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計變得輕松。在開源軟件庫和簡單傳感器連接的支持下，從硬件布局一直到發(fā)送數(shù)據(jù)至云端，這些開發(fā)板使設(shè)計人員更容易開始蜂窩物聯(lián)網(wǎng)項目。
    本文先簡要概述蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢，再介紹該技術(shù)可能帶來的設(shè)計復(fù)雜性，然后說明如何使用蜂窩物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板來消除這種復(fù)雜性。，本文將介紹如何設(shè)置 Microchip Technology 開發(fā)板，將簡單的顏色和溫度數(shù)據(jù)發(fā)送到云端。
    什么是蜂窩物聯(lián)網(wǎng)？
    蜂窩物聯(lián)網(wǎng)使用低功耗蜂窩技術(shù)將物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備（如傳感器和執(zhí)行器）連接至云端。這是一種 LPWAN 技術(shù)，特點是千米以上的覆蓋范圍、高密度終端設(shè)備支持和低吞吐量。
    盡管存在其他 LPWAN 技術(shù)，尤其是 LoRaWAN（見“用端到端入門套件加速 LoRaWAN 物聯(lián)網(wǎng)項目”）和 Sigfox，但蜂窩物聯(lián)網(wǎng)提供一些關(guān)鍵優(yōu)勢，包括：
    · 面向未來：作為一項標準，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)規(guī)范一直處于審查和發(fā)展中。
    · 可擴展性：蜂窩物聯(lián)網(wǎng)可以通過成熟的蜂窩架構(gòu)支持物聯(lián)網(wǎng)的快速部署。
    · 服務(wù)質(zhì)量 (QoS)：蜂窩物聯(lián)網(wǎng)具有高可靠性，因為它基于已在大量商業(yè)應(yīng)用中經(jīng)過證明的成熟基礎(chǔ)設(shè)施。
    · IP 互操作性：終端設(shè)備可以直接連接到云端，而不需要昂貴且復(fù)雜的網(wǎng)關(guān)。
    設(shè)計人員需要考慮到，采用蜂窩物聯(lián)網(wǎng)會持續(xù)產(chǎn)生與數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)的費用。而 LoRaWAN 等使用非許可頻譜的競爭技術(shù)則不會。然而，由于競爭壓力和越來越多地使用邊緣計算，在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送的非重要數(shù)據(jù)量大幅減少，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)成本呈下降趨勢。
    蜂窩物聯(lián)網(wǎng)受第三代合作伙伴項目 (3GPP) 監(jiān)管和更新的電信標準約束。第 13 版 3GPP 標準擴展了其機器對機器 (M2M) 調(diào)制解調(diào)器的類別，以支持適用于物聯(lián)網(wǎng)連接的低成本、低功耗和低吞吐量調(diào)制解調(diào)器。該標準的后續(xù)版本進一步增強了這些物聯(lián)網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器。
    配備蜂窩物聯(lián)網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器的無線傳感器，無需昂貴復(fù)雜的網(wǎng)關(guān)，即可在數(shù)公里范圍內(nèi)向云端發(fā)送數(shù)據(jù)，同時具備蜂窩物聯(lián)網(wǎng)所特有的安全性和 QoS。
    LTE-M 與 NB-IoT 的區(qū)別
    蜂窩物聯(lián)網(wǎng)有兩種形式，LTE M1 類 (LTE-M) 和窄帶物聯(lián)網(wǎng) (NB-IoT)。這兩種類型都設(shè)計用于資源受限、通常由電池供電的設(shè)備，其中的典型就是物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 設(shè)備。由于物聯(lián)網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器連接至現(xiàn)有蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施，因此每個都需要自己的用戶標識模塊 (SIM)。
    LTE-M 基于精簡的 LTE (“4G”) 技術(shù)，支持安全通信、無處不在的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和高系統(tǒng)容量。與 NB-IoT 相比，它能在較寬的帶寬 (1.4 MHz) 上作為全雙工系統(tǒng)運行，因此改善了延時和吞吐量。原始數(shù)據(jù)吞吐量為下行 300 千比特/秒 (Kbps)，上行 375 Kbps。該技術(shù)適用于安全的端到端 IP 連接，由 LTE 小區(qū)切換技術(shù)提供移動支持。LTE-M 適用于移動應(yīng)用，如資產(chǎn)跟蹤或醫(yī)療保健。
    NB-IoT 主要設(shè)計用于提高能效，能更好地穿透到建筑物和其他射頻信號不良的區(qū)域。與 LTE-M 不同，它不是基于 LTE 物理層 (PHY)。NB-IoT 使用 200 千赫茲 (kHz) 的帶寬，因此調(diào)制解調(diào)器復(fù)雜性比 LTE-M 設(shè)備更低。雖然原始數(shù)據(jù)吞吐量只有區(qū)區(qū) 60/30 Kbps，但覆蓋范圍卻比 LTE-M 更廣。NB-IoT 適合靜態(tài)應(yīng)用，如可能被墻壁遮擋的智能電表。
    商用蜂窩物聯(lián)網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器
    各種商用 LTE-M/NB-IoT 調(diào)制解調(diào)器現(xiàn)已上市，如 Sequans 的 Monarch 2 GM02S 模塊。該設(shè)備支持單個庫存單位 (SKU) 的射頻前端，適用于 20 個 LTE 頻段。設(shè)備為緊湊型 LGA 模塊，尺寸 16.3 x 17 x 1.85 毫米 (mm)。該模塊符合第 14/15 版 3GPP 的要求。調(diào)制解調(diào)器由 2.2 至 5.5 伏的單電源供電，發(fā)射功率為 +23 分貝，基準 1 毫瓦 (dBm)。

    GM02S 支持外部 SIM 和 eSIM 以及集成 SIM，包括一個 50 歐姆 (Ω) 的天線接口。該設(shè)備提供了 LTE-M/NB-IoT 軟件堆棧和 Sequan Cloud Connector 軟件，以方便連接到商業(yè)云平臺（圖 1）。

    蜂窩物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計挑戰(zhàn)
    雖然 GM02S 調(diào)制解調(diào)器是高度集成的設(shè)備，帶有軟件堆棧和云連接，但與所有商業(yè)調(diào)制解調(diào)器一樣，仍需進行大量的開發(fā)工作，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用才能向數(shù)公里外的云端無縫發(fā)送數(shù)據(jù)。
    調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計完全是為了處理終端設(shè)備與基站之間的通信。為了控制調(diào)制解調(diào)器并運行傳感器應(yīng)用軟件，還需要單獨的監(jiān)督和應(yīng)用處理器。此外，設(shè)計人員還需要考慮天線電路、電源以及為終端設(shè)備配備 SIM 卡，以確保與蜂窩網(wǎng)絡(luò)的無縫連接（參見“如何在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計中使用多頻段嵌入式天線以節(jié)省空間、降低復(fù)雜性和成本”）。
    除了硬件設(shè)計之外，還需要一些編碼技能，才能使蜂窩模塊連接到網(wǎng)絡(luò)并收發(fā)數(shù)據(jù)。如果設(shè)計采用外部應(yīng)用 MCU，則通常使用 UART 串行鏈路與蜂窩模塊通信（雖然也使用其他 I/O 接口）。AT（“注意”）命令是控制蜂窩調(diào)制解調(diào)器的標準方法。該命令包含一系列短文本字符串，可以將這些字符串進行組合，以生成撥號、掛斷和更改連接參數(shù)等操作。
    有兩種類型的 AT 命令：非“+”開頭的基本命令，例如，“D”（撥號）、“A”（應(yīng)答）、“H”（勾控制）和“O”（恢復(fù)在線數(shù)據(jù)狀態(tài)）?！?”開頭的擴展命令，例如，“+CMGS”（發(fā)送短信）、“+CMGL”（列出短信）和 “+CMGR”（讀取短信）（參見“使用蜂窩模塊將創(chuàng)客項目連接到 IoT”）。
    這些硬件和軟件考慮因素給蜂窩物聯(lián)網(wǎng)帶來了復(fù)雜性，可能會使經(jīng)驗不足的設(shè)計者進展緩慢。幸運的是，應(yīng)用 MCU 和蜂窩物聯(lián)網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器制造商現(xiàn)在已開始攜手提供硬件和軟件設(shè)計工具，使得利用這一重要的 LPWAN 技術(shù)更加容易。
    使用物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板消除復(fù)雜性
    在專門設(shè)計的開發(fā)板上建立原型使應(yīng)對蜂窩物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的挑戰(zhàn)變得容易得多。開發(fā)板硬件通常包括天線、電源、有一定數(shù)據(jù)流量的 SIM 卡、應(yīng)用處理器和確保良好射頻性能的調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)。這為設(shè)計人員的項目提供了堅實的硬件基礎(chǔ)，使他們能夠?qū)Ｗ⒂趹?yīng)用開發(fā)。如果選擇了正確的開發(fā)板，甚至可以在熟悉的 IDE 中進行應(yīng)用開發(fā)。
    流行的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板的一個示例是 Microchip 的 EV70N78A AVR-IoT Cellular Mini 開發(fā)板。這是一個硬件平臺，基于流行的 Microchip AVR128DB48 MCU，以及前文詳述的 Sequans Monarch 2 GM02S 蜂窩模塊。該 MCU 是一款 8 位、24 MHz 設(shè)備，有 128 千字節(jié) (KB) 閃存，16 KB SRAM，512 字節(jié) EEPROM，采用 48 引腳封裝。
    該開發(fā)板還集成了 ATECC608B 安全元件；連接至 LTE-M 或 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)后，ATECC608B 可用于云端驗證硬件，以地識別每塊開發(fā)板。
    為了讓設(shè)計人員更輕松，Microchip 開發(fā)板還包括一張可激活的 Truphone SIM 卡，具有 150 兆字節(jié) (MB) 的數(shù)據(jù)流量。

    該開發(fā)板具有五個用戶 LED、兩個機械按鈕、一個 32.768 kHz 晶體、顏色和溫度傳感器、一個 Adafruit Feather 兼容的邊緣連接器、一個 Qwiic I2C 連接器、一個板載調(diào)試器、一個 USB 端口、電池和外部輸入電源選件，以及一個帶有充電狀態(tài) LED 的 MCP73830 鋰離子/鋰聚合物電池充電器（圖 2）。

    圖 2：AVR-IoT Cellular Mini 開發(fā)板基于 AVR128DB48 MCU，配有 SIM 卡和 150 MB 數(shù)據(jù)流量。（圖片 Technology）
    啟動蜂窩物聯(lián)網(wǎng)項目
    蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的目的是無線連接物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，如傳感器和致動器，以便發(fā)送數(shù)據(jù)到數(shù)公里外的云端。在 Microchip 開發(fā)板上，MCU 預(yù)裝了固件映像，這是一個演示應(yīng)用程序，用戶可通過它快速連接到基于云的沙盒（由 AWS 托管）并發(fā)送板載溫度和顏色傳感器的數(shù)據(jù)。
    要使硬件做好開發(fā)準備，只需激活并插入 SIM 卡，將外部天線連接到板上，將板上的調(diào)試 USB-C 端口連接至 PC，掃描板底部的二維碼或打開大容量存儲設(shè)備，并按照 CLICK-ME.HTM 進入套件網(wǎng)頁。
    來自 Github 的 Microchip 物聯(lián)網(wǎng)配置工具提供了一個易于使用的解決方案，可將 AVR-IoT Cellular Mini 配置到選定的云提供商、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)提供商和選擇蜂窩頻段。（為了讓沙盒演示固件工作，必須針對 AWS Microchip 沙盒配置開發(fā)板）。

    開發(fā)人員對演示應(yīng)用程序有了一定的信心后，他們就可以開始使用開發(fā)板的完整 Arduino IDE 支持來構(gòu)建自己的應(yīng)用程序。這種支持基于 Github 上托管的 AVR 物聯(lián)網(wǎng)蜂窩 Arduino 庫。該庫建立在開源 DxCore 之上（圖 3）。

    圖 3：AVR IoT 手機物聯(lián)網(wǎng)庫（橙色）包括用于編程和控制開發(fā)板的軟件模塊（綠色為簡化形式）。（圖片 Technology）

    板載調(diào)試器 (PKOB nano) 為 Arduino IDE 提供全面編程支持。不需要任何外部工具，還可接入串行端口接口（串口轉(zhuǎn) USB 橋）和兩個邏輯分析器通道（調(diào)試 GPIO）。AVR IoT Cellular Mini 板上的板載調(diào)試器在主機的 USB 子系統(tǒng)上顯示為人機界面設(shè)備 (HID)。對于更大型的項目，此開發(fā)板的 Qwiic 和 Feather 兼容邊緣連接器允許使用 Sparkfun 和 Adafruit 的各種擴展板輕松擴展（圖 4）。

    圖 4：此 AVR 物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板方框圖顯示，與主機的連接是通過調(diào)試器的 USB 鏈接，而應(yīng)用 MCU 編程是通過調(diào)試器 UART 鏈接。請注意，應(yīng)用 MCU 與蜂窩式調(diào)制解調(diào)器之間也是通過 UART 連接。（圖片 Technology）

    開始應(yīng)用編程需要并安裝 Arduino IDE 和 DxCore。接下來，需要配置 Arduino IDE，以允許 AVR 物聯(lián)網(wǎng)蜂窩 Arduino 庫運行（清單 1）。

    清單 1：允許 AVR 物聯(lián)網(wǎng)蜂窩 Arduino 庫運行的 Arduino IDE 配置。（代碼 Technology）
    IDE 配置完成即可安裝庫。完成后，可以訪問開發(fā)板的幾個庫示例。熟悉 Visual Studio Code 集成開發(fā)環(huán)境的設(shè)計人員可以用它進行 AVR 物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)，只要安裝 Arduino 插件即可。在任何 IDE 中開發(fā)的 Arduino 應(yīng)用程序代碼都可以通過板載調(diào)試器移植到開發(fā)板的 MCU 上。
    進行功耗測量
    蜂窩物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計為低功耗運行，以延長電池供電的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的壽命。因此，優(yōu)化應(yīng)用程序代碼以實現(xiàn)功耗非常重要。

    在 Microchip 開發(fā)板上，所有開發(fā)板元器件的電源都通過五條分割帶連接。這些分割帶也可用于測量電流。為了測量所需電路的功耗，只需割開分割帶并穿孔連接電流表（圖 5）。

    圖 5：AVR 物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板上的分割帶可以用來測量關(guān)鍵電路的功耗。（圖片 Technology）
    該開發(fā)板還具有系統(tǒng)電壓測量電路，通過 MIC94163 開關(guān)和連接至 MCU 上 ADC 引腳的分壓器，實現(xiàn)了按需測量并防止通過分壓器漏電。要測量系統(tǒng)電壓，請遵循以下步驟：
    1 配置 ADC 的電壓基準。
    2 將 MCU 的 GPIO 系統(tǒng)電壓測量使能引腳 (PB3) 設(shè)為高電平，以啟用分壓器。
    3 將 MCU 的 ADCO 系統(tǒng)電壓測量引腳 (PE0) 設(shè)置為 ADC 輸入。
    4 運行單端模數(shù)轉(zhuǎn)換 (ADC)。
    5 用公式計算電壓：V = ADC 結(jié)果 x VREF x 4/ADC 分辨率。
    ，通過以下步驟測量電源電壓也很簡單：
    1 配置 ADC 的電壓基準。
    2 選擇 VDD 或 VDDIO2 作為 ADC 的正輸入。（VDD 和 VDDIO2 是 MCU 的 ADC 可用內(nèi)部輸入通道）。
    3 運行單端 ADC 轉(zhuǎn)換。
    4 用公式計算電壓：V = ADC 結(jié)果 x VREF x 10/ADC 分辨率。
    總結(jié)
    蜂窩物聯(lián)網(wǎng)是一種流行的 LPWAN，其商業(yè)潛力越來越大。然而，設(shè)計由蜂窩物聯(lián)網(wǎng)驅(qū)動的終端設(shè)備需要兼具硬件和軟件知識。為了幫助設(shè)計人員，新型蜂窩物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板，如 Microchip 的 EV70N78A AVR-IoT Cellular Mini 開發(fā)板，提供了一個快速原型設(shè)計途徑。
    這種開發(fā)板使用高端 LTE-M/NB-IoT 調(diào)制解調(diào)器和流行的 Microchip MCU。使用 Arduino 或 Visual Studio Code IDE 可以簡化應(yīng)用程序代碼的開發(fā)。