2. septembra 2021

Bezdrôtová komunikácia v systémoch IoT s použitím modulov Arduino MKR

TME s.r.o.

Jedným z najväčších problémov, s ktorými momentálne bojuje trh so zariadeniami Internetu vecí (IoT) je jeho veľká fragmentácia. Ak sa rozhodneme použiť prvky od rôznych výrobcov, množstvo zariadení a komunikačných protokolov sťažuje vytvorenie jednotného a funkčného systému. Toto rozdelenie má mnoho dôvodov a nie vždy súvisí len s túžbou dizajnérov presadiť vlastné licencované riešenia. Pojem internet vecí zahŕňa mnoho typov zariadení. Môžu to byť napríklad malé meracie senzory napájané z alternatívnych zdrojov energie, ktoré si potrebujú výmenu malého množstva údajov na veľké vzdialenosti, ale aj vzdialené kamery prenášajúce obraz s vysokým rozlíšením v reálnom čase. Špecifickosť navrhovaného zariadenia tak núti vývojára vybrať vhodnú bezdrôtovú komunikačnú technológiu, ktorá zodpovedá požiadavkám navrhovaného zariadenia. Je potrebné zohľadniť výdrž batérie, komunikačný dosah a množstvo prenášaných údajov. V reakcii na potreby trhu sa producenti vývojových sád (vrátane platformy Arduino) snažili, aby ich portfólio čo najlepšie pokrývalo potreby konštruktérov zariadení IoT. V tomto článku uvádzame stručný popis vybraných vývojových sád Arduino z rodiny MKR, ktoré sú pripravené na rýchlu tvorbu prototypov zariadení internetu vecí využívajúcich bezdrôtovú komunikáciu v štandardoch ako WiFi/Bluetooth, LoRaWAN/Sigfox, GSM/3G alebo NB-IoT.

Komunikácia WiFi/Bluetooth s Arduino MKR 1000/1010

Komunikácia vo frekvenčnom pásme ISM 2,4 GHz pomocou štandardov WiFi a Bluetooth je na trhu zariadení internetu vecí prítomná už niekoľko rokov. Na účely rýchlej implementácie hardvérových a softvérových prototypov využívajúcich komunikáciu WiFi vyvinula spoločnosť Arduino vývojové sady Arduino MKR WiFi 1000 a MKR WiFi 1010. Prvá z uvedených sád vychádza z modulu ATSAMW25 obsahujúceho mikrokontroler SAMD21, rádiový modul WINC1500 a autorizačný modul ECC508. Sada vo verzii MKR 1010 je vybavená rádiovým modulom NINA-W102 spoločnosti u-blox, ktorý ponúka komunikáciu Bluetooth/BLE.

Fotografie 1 a 2. Moduly Arduino MKR WAN 1000 (z ľavej strany) a MKR WAN 1010 (z pravej strany).

Z hľadiska softvéru spoločnosť Arduino sprístupňuje pre moduly MKR WiFi 1000 knižnicu WiFi101, podporujúcu šifrovanie WEP a WPA2 Personal. Pre modul MKR WiFi 1010 (a iné sady vychádzajúce z modulu u-blox NINA-W102, vrátane Arduino NANO 33 IoT) producent pripravil knižnicu WiFiNINA a celý rad vzorových aplikácií prezentujúcich integráciu s cloudom Android IoT Cloud a Azure, AWS IoT Core, Google Firebase alebo Blynk.

Komunikácia LoRaWAN a Sigfox – moduly Arduino MKR WAN 13×0 a FOX 1200

Dynamický rozvoj systémov IoT viedol k zvýšenému záujmu o tému inteligentných miest. Komunikácia pomocou štandardov WiFi/Bluetooth/BLE je bohužiaľ lokálneho charakteru a nespĺňa všetky požiadavky na projekty „Smart City“ (ktoré zahŕňajú rozsiahle siete senzorov znečistenia, monitorovanie hladiny vody alebo obsadenosti parkovacích miest). Riešením týchto problémov môže byť využitie jedného z dvoch najpopulárnejších komunikačných štandardov v oblasti LPWAN (Low Power Wide Area Network) – LoRaWAN alebo Sigfox. Tie umožňujú prenos malého množstva dát na veľké vzdialenosti. Na rýchlu tvorbu prototypov zariadení využívajúcich komunikáciu LoRa/LoRaWAN pripravili konštruktéri Arduina vývojové sady MKR WAN 1300, a jeho nasledovníka MKR WAN 1310. Oba moduly vychádzajú z mikrokontroléra Atmel SAMD21, používaného v iných moduloch série Arduino MKR, a tiež v rádiovom module Murata CMWX1ZZABZ. Novšia verzia modulu je navyše vybavená 2MB Flash pamäte, novým nabíjaním batérií a z hľadiska výkonu optimalizovanými napájacími obvodmi.

Fotografie 3 a 4. Moduly Arduino MKR WAN 1300 (z ľavej strany) oraz MKR WAN 1310 (z pravej strany).

Moduly MKR WAN 13×0 kooperujú s cloudom Arduino IoT Cloud sprístupneným výrobcom. Komplexnosť dodávaných riešení dopĺňa z hľadiska modulov MKR WAN 1310 optimalizovaná prístupová brána Arduino Pro Gateway LoRa Connectivity.

Zaujímavú alternatívu pre komunikáciu LoRa/LoRaWAN predstavuje štandard Sigfox, ktorý kladie osobitný dôraz na komunikáciu od uzlov k prístupovej bráne. Z ponuky spoločnosti Arduino bol konštruktérom vybraný k dispozícii modul MKR FOX 1200, postavený na báze mikrokontroléra Atmel SAMD21. Za rádiovú komunikáciu je zodpovedný Microchip Smart RF ATA8520, ktorého vedenie je prispôsobené frekvencii ISM 868 MHz platnej v Európe.

Fotografia 5. Modul Arduino MKR FOX 1200 na komunikáciu v sieti Sigfox.

Komunikácia GSM/3G – modul Arduino MKR GSM 1400

Dokonca ani rozsiahla sieť (Mesh) fungujúca v štandarde LoRa/LoRaWAN v súčasnosti nedokáže zabezpečiť globálne pokrytie. V prípade projektov IoT, ktoré si vyžadujú takmer územne neobmedzenú komunikáciu, je najlepším riešením použitie štandardu GSM/3G. Na účely komunikácie GSM/3G je pripravený modul Arduino MKR GSM 1400, vybavený modemom SARA-U210 spoločnosti u-blox a autorizačný modul Microchip ECC508 na realizáciu bezpečnostných komunikačných mechanizmov. Integrovaný modem GSM zabezpečuje pokrytie komunikácie v pásmach GSM 850 MHz, E-GSM 1900 MHz, DCS 1800 MHz a PCS 1900 MHz.

Na zjednodušenie procesu vývoja softvéru výrobca poskytuje knižnicu MKRGSM (čím programátora oslobodzuje od obsluhy modulu pomocou nízkoúrovňových AT príkazov) spolu s bohatou sadou príkladov (vrátane konektivity GPRS, prijímania/posielania textových správ, obsluhy hlasových hovorov). Modul MKR GSM 1400 môže pracovať so softvérom Arduino IoT Cloud, ako aj s alternatívnymi cloudovými riešeniami: Google IoT Cloud, Blynk alebo SORACOM Air IoT, pre ktoré výrobca pripravil súbor vzorových implementácií.

Fotografia 6. Modul Arduino MKR GSM 1400 na realizáciu komunikácie v sieti GSM/3G.

Komunikácia v sieti Narrowband IoT – modul Arduino MKR NB 1500:

Pri stručnej charakteristike vybraných komunikačných štandardov pre zariadenia internetu vecí nemožno opomenúť riešenia založené na úzkopásmovom štandarde Narrowband IoT (NB-IoT), ktoré na komunikáciu využívajú licencované pásmo LTE 800 MHz. Podobne ako riešenia LoRaWAN a Sigfox, aj NB-IoT patrí do skupiny LPWAN a zabezpečuje stabilnú komunikáciu na veľkých územiach s využitím energeticky úsporných rádiových modulov, ktoré zabezpečujú mnohoročnú prevádzku zariadenia pomocou napájania na batérie. Ide teda o ďalšiu alternatívu ku komunikácii LoRaWAN a Sigfox v riešeniach zo segmentu „Smart City“.

Pre rýchlu prototypizáciu koncových uzlov pracujúcich v štandarde NB-IoT pripravila spoločnosť Arduino sadu MKR NB 1500, vybavenú modulom u-blox SARA-R410M-02B, umožňujúcim dosiahnutie konektivity LTE Cat M1/NB1 v pásmach 1, 2, 3, 4, 5, 8, 12, 13, 18, 19, 20, 25, 26 a 28. Navyše bola sada MKR NB 1500 vybavená autorizačným obvodom ECC508 spoločnosti Microchip, slot karty MicroSIM, kontrolér nabíjania batérií Li-Po a konektor externej antény.