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利用 LTE 微控制器和路由器快速实现远程工业物联网蜂窝端点

作者:Bill Giovino

投稿人:Digi-Key 北美编辑

随着物联网 (IoT) 应用的不断扩张,关联网络的覆盖范围也必须进行延伸。虽然 Wi-Fi、蓝牙和 Zigbee 可用来在工业设施附近或内部提供便利的无线联网,但有些工业物联网 (IIoT) 网络需要对数公里之外或广泛分布的现场系统进行远程监测和控制,而这些系统常常位于维护技术人员需要耗费大量时间才能艰难到达的位置。针对这些情况,蜂窝网络是最好的无线解决方案。

本文阐述某些工业物联网应用中通过蜂窝技术对远在数公里之外的设备进行远程数据监测和控制的需求,并说明远程工业物联网节点(必须节省电力且无需维护或只需极少维护)的优势。然后,本文介绍 Nordic Semiconductor 的蜂窝微控制器,它能通过 LTE 网络将数据传输到 Phoenix Contact 的 DIN 导轨安装蜂窝路由器。

扩展的工业物联网网络

常规工业物联网网络设在一个地方,例如制造设施、自动化仓库或户外公园。在与中心联网时,可以像工业以太网那样以有线方式连接,也可以通过 Wi-Fi 或 Zigbee 以无线方式连接。这样便可容易地从一个中心位置进行管理,从而轻松访问工业物联网网络上的端点位置,方便进行有效维护或更换。

随着工业物联网的不断发展,使用场景也在不断增多。为了提高效率并即时控制网络,设施经理需要主动监测和控制远程系统,远程系统与总部中心之间的延迟应尽可能短。火车、地铁、州际卡车等运输系统可以获得各种益处,它们能监测发动机或电动机上的各种传感器,以及燃油和电能消耗、速度和距离,另外还可以通过 GPS 定位跟踪位置,估计到达目的地的时间。此类数据可发送到主要机构或企业总部并进行分析,并且几乎可以立即使用,以便节省时间和金钱,提高效率并防范故障,从而在提高可靠性的同时降低成本。

石油和天然气管道可从工业物联网网络获得的好处包括:监测管道中的容量和压力,以及温度、气压计读数和湿度等环境条件。精密 GPS 位置监测以及振动和陀螺仪传感器可以检测地震等外力引起的管道运动。在某些场合,当检测到地震等紧急情况时,可以远程限制或停止管道中的流量。设备可以进行自我诊断,并将结果发送到工厂进行分析。由于这些管道可能位于距总部数千公里的恶劣环境中(例如北极圈),因此对于端点而言,完全可靠的通信网络非常重要。

进入蜂窝物联网

为了满足这些需求,工业物联网网络已扩展为可通过现有长期演进 (LTE) 蜂窝网络发送数据。这使得工业物联网端点可以放置在世界上几乎任何有 LTE 连接可用的地方,只要能够提供并保障电源。另外,蜂窝网络还有一个优势,那就是维护工作和成本均由网络运营商负责。由于这些系统可能位于远方不受监测且难以到达的位置,因此,远程蜂窝工业物联网端点必须十分可靠,并能抵抗黑客入侵或物理篡改。

若要实现面向工业物联网的可靠嵌入式系统,第一步是让系统保持简单,同时将功耗降至最低。保持系统简单化可以减少故障点的数量。降低功耗可以减少热量,从而提高可靠性,延长大多数半导体器件的使用寿命,以及电池供电的工业物联网端点的电池寿命。

为了满足这些需求,Nordic Semiconductor 推出了 nRF9160 LTE 蜂窝物联网微控制器。nRF9160 集成了符合最新蜂窝物联网和机对机 (M2M) 数据标准的完整片上 LTE 调制解调器,从而简化蜂窝工业物联网端点的开发(图 1)。

Nordic Semiconductor 的 nRF9160 LTE 蜂窝微控制器示意图(点击放大)<图 1:Nordic Semiconductor 的 nRF9160 LTE 蜂窝微控制器基于 Arm® Cortex®-M33 内核。此器件具备构建蜂窝物联网端点所需的全部外设,包括 LTE 调制解调器和 GPS 模块。(图片来源:Nordic Semiconductor)

Nordic Semiconductor 的 nRF9160 基于 64 MHz Arm Cortex-M33 处理器内核,专门针对低功耗物联网应用而设计。Cortex-M33 支持单周期乘法累加 (MAC) 运算,并有单精度浮点单元 (FPU) 指令、硬件除法器和单指令多数据 (SIMD) 操作。这对于快速处理传感器数据很有用,例如在传感器融合计算中。Cortex-M33 支持实时操作,具有高度确定性,即使进入和退出低功耗模式也不影响确定性。

nRF9160 微控制器具有用于应用固件的 1 MB 片上闪存和 256 KB 的低泄漏 RAM。该器件有一个 Arm TrustZone 子系统用于加密操作,包括 AES 加密、真随机数发生器 (TRNG) 和安全密码管理。这对于验证加密数据通信和检测固件篡改很有用。标准片上串行接口包括 SPI、I2C 和 UART 端口,支持连接外部传感器和执行器。八通道、原生 12 位(使用过采样则为 14 位)模数转换器 (ADC) 可用于读取模拟传感器。

nRF9160 还有一个针对低功耗物联网端点进行优化的片上 GPS 接收器。这对于卡车和火车等移动端点特别有用。对于可能因为地震活动而意外移动位置的系统,或者对于检测预期移动的系统(端点安装在机器人等可移动设备上),该产品也很有用。GPS 接收器与 LTE 调制解调器共享片上射频收发器。如果 LTE 调制解调器和 GPS 接收器均处于活动状态,则 GPS 模块和 LTE 调制解调器将以时间复用方式共享射频收发器,但 LTE 调制解调器有优先权。

nRF9160 上的 LTE 调制解调器包含一个带专用闪存和 RAM 存储器的主机控制处理器、一个基带处理器、一个带有外部 50 欧姆 (Ω) 天线引脚的射频收发器以及一个 SIM 卡接口。为了提高通信的可靠性,LTE 调制解调器有自己的诊断和故障检测功能。LTE 调制解调器支持低功率 M2M 和物联网数据通信协议,包括 Cat-M1、Cat-NB1 和 Cat-NB2。

为了通过 LTE 网络交换数据,LTE 调制解调器需要标准 SIM 卡,其中包含无线网络、电话号码和用户信息。nRF9160 LTE 主机处理器有一个外部通用集成电路卡 (UICC) 接口,也称为 SIM 卡接口,用于连接任何兼容 LTE-M 或窄带物联网 (NB-IoT) 数据传输标准的激活 SIM 卡。

每个 nRF9160 LTE 端点都需要从蜂窝运营商处购买 SIM 卡及适当的数据套餐。联网物联网设备的 SIM 卡和蜂窝数据套餐可方便地从 Digi-Key 购买。套餐提供每月 300 KB 到 5 GB 不等的数据容量。

nRF9160 的工作电压范围为 3.0 至 5.5 V,因此适用于带 3.7 V 锂电池的电池供电型工业物联网端点。建议在 3.7 V 电压下工作,因为大多数设备规定的供电电压是 3.7 V。对于 nRF9160 的外设和处理器模块,大多数功率域都是可配置的,并且可以在固件控制下接通和断开电源。这使得开发人员可以微调电流消耗量,以满足特定应用需求。

nRF9160 具有省电模式 (PSM),可将内核置于空闲状态(保留内核寄存器状态),关闭 LTE 调制解调器,以及关闭大多数外设。对于必须记录时间的工业物联网端点,在 RTC 处于省电模式 (PSM) 的情况下,nRF9160 仅消耗 2.35 微安 (µA) 电流,这对于电池供电型设备而言可谓非常之低。

连续跟踪时,GPS 模块消耗的电流为 47 毫安 (mA),相当可观。然而,更为实际的做法是在省电模式 (PSM) 下运行 GPS,此时电流消耗仅增加 12 mA。这将会非常适合需要连续实时监测位置的火车或卡车。更经济的模式是将 GPS 配置为每两分钟进行一次单步运算修复,此时仅消耗 1.3 mA。这适合于仅需要检测偶尔移动的固定节点。

当使用任何 LTE-M 协议进行通信时,nRF9160 都能以 375 kbps 的速度快速传输数据。即使是数据速率较低的 NB-IoT 协议,传输速度也快至 60 kbps。这种低数据速率可节省功耗,同时保持端点与中心之间的可靠通信。LTE 调制解调器还支持传输层安全性 (TLS),允许进行安全的加密通信,有助于防止中间人攻击或未经授权的数据传输拦截。

nRF9160 的工作温度范围为 -40°C 至 +85°C,因此适合于极寒和非常热的环境。

LTE 无线电可向天线提供高达 23 分贝的输出功率(dBm,以 1 毫瓦 (mW) 为基准)。它与 IPv4 和最新的 IPv6 兼容,很容易扩展到新的 IP 地址,从而不受 IPv4 的限制。LTE 调制解调器还支持 SMS 文本消息传递。这使得工业物联网端点可以发送和接收文本数据,类似于手机,不过不是说“你好”之类,而是通过消息传递来接收传感器数据和发送操作指令。

LTE 端点开发

为了支持 nRF9160 的开发,Nordic Semiconductor 提供了 nRF6943 Nordic Thingy:91 蜂窝开发板(图 2)。该板作为套件方便地包装在一个明亮的橙色盒子中,几乎可以原封不动地部署,快速完成方案实施。

Nordic Semiconductor 的 nRF6943 Thingy:91 全功能蜂窝开发套件图片图 2:Nordic Semiconductor 的 nRF6943 Thingy:91 是一款功能齐全的蜂窝开发套件,带有大量传感器和引脚,可连接外部设备。该产品有一个放置用户 SIM 卡的 SIM 卡插槽。(图片来源:Nordic Semiconductor)

nRF6943 开发套件随附一个可充电 1400 毫安时 (mAh) 锂聚合物电池,该电池通过 USB 端口充电。USB 端口还可用于将 nRF6943 连接到 PC,以进行固件开发、编程和调试。

nRF6943 Thingy:91 开发套件配备了许多板载传感器,包括低功耗加速计、高 G 加速度计、光和颜色传感器、电流测量端口等。环境传感器可检测温度、湿度、空气质量和气压。各端口引脚可用于连接其他外部传感器。此外,nRF9160 可驱动四个功率 MOSFET,后者可用于驱动小型直流电机或大电流 LED。磁性蜂鸣器和三个 RGB LED 可在开发过程中提供音频和视觉反馈。另有两个可通过应用固件编程的按钮。

连接到总部中心

工业物联网 nRF9160 端点可以放置在世界上任何有 LTE 连接的地方。工业物联网蜂窝端点可以通过无线运营商的蜂窝网络将数据传输到总部中心的蜂窝路由器,例如 Phoenix Contact 的 1010464 4G LTE 路由器(图 3)。

Phoenix Contact 的 1010464 蜂窝路由器图片图 3:Phoenix Contact 的 1010464 蜂窝路由器是一款工业 4G LTE 路由器,集成了防火墙和虚拟专用网络 (VPN) 支持。(图片来源:Phoenix Contact)

Phoenix Contact 的这款 1010464 4G LTE 路由器设计用于恶劣的工业环境,可连接 AT&T 美国蜂窝网络。背面有一个 SIM 卡插槽,用于放置用户 SIM 卡。路由器安装在 DIN 导轨上,只需极少的硬件配置即可方便地集成到现有 DIN 导轨系统中。路由器的位置必须妥当,以便接收到清晰的蜂窝信号。工业物联网端点固件和该蜂窝路由器均必须配置各 SIM 卡的电话号码,以便可以安全高效地进行通信。该 LTE 路由器带有防火墙以增强安全性,可以轻松过滤掉非授权电话号码发起的未经授权 LTE 访问以及源自授权号码的可疑数据包。VPN 支持有助于实现更安全的数据通信。LTE 蜂窝路由器正面有一个四端口交换机,通过以太网与本地网络通信。

这种低功耗工业物联网端点和 LTE 蜂窝路由器的组合使得总部中心与工业端点之间可以轻松进行通信,而通信速度仅受蜂窝网络的可用带宽限制。

总结

如本文所述,工业物联网网络可以轻松扩展以涵盖世界任何地方的端点。低功耗微控制器与集成 LTE 蜂窝调制解调器配合使用,可以节省时间和设计成本,并且配置正确后,即可一天 24 小时将数据传输到总部中心的蜂窝路由器。

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关于此作者

Bill Giovino

Bill Giovino 是一名电子工程师,拥有美国雪城大学的电气工程学士学位,是先后从设计工程师、现场应用工程师跨界到技术营销部门的少数成功人士之一。

25 年来,Bill 一直喜欢在技术和非技术用户面前为包括 STMicroelectronics、Intel 和 Maxim Integrated 在内的许多公司推广新技术。在 STMicroelectronics 工作期间,Bill 作为领头人帮助该公司在微控制器领域取得了早期成功。在 Infineon,经过 Bill 精心策划,该公司的首个微控制器设计便在美国汽车领域大获全胜。作为 CPU Technologies 公司的营销顾问,Bill 帮助了许多公司,让其表现不佳的产品大获成功。

Bill 是物联网的早期尝试者,包括将第一个完整的 TCP/IP 协议栈植入微控制器。Bill 秉持“教育式销售”信条,在通过在线促销产品时强调清晰明了的书面沟通的重要性。他是广受欢迎的 LinkedIn 半导体市场营销群的群主,精通 B2E。

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