Komunikacja bezprzewodowa w systemach IoT z zastosowaniem modułów Arduino MKR

Czwartek, 01 Wrzesień 2022

Jednym z największych problemów, z którymi zmaga się aktualnie rynek urządzeń Internetu Rzeczy (IoT), jest jego duża fragmentacja. Mnogość urządzeń oraz protokołów komunikacji znacznie utrudnia zbudowanie jednolitego i funkcjonalnego systemu, jeśli zdecydujemy się na użycie elementów pochodzących od różnych producentów. Przyczyn tego podziału jest wiele i nie zawsze są one związane wyłącznie z chęcią przeforsowania przez projektantów własnych, licencjonowanych rozwiązań.

Zakres pojęcia IoT obejmuje wiele typów urządzeń. Mogą to być np. niewielkie czujniki pomiarowe zasilane z alternatywnych źródeł energii i wymagające wymiany niewielkiej ilości danych na duże odległości, ale też zdalne kamery przesyłające obraz o dużej rozdzielczości w czasie rzeczywistym. Tym samym to specyfika projektowanego urządzenia wymusza na konstruktorach dobór odpowiedniej technologii komunikacji bezprzewodowej, adekwatnej do wymagań stawianych projektowanemu urządzeniu. Pod uwagę trzeba wziąć m.in. czas życia baterii, zasięg komunikacji czy ilości przesyłanych danych. Odpowiadając na potrzeby rynku, producenci zestawów deweloperskich (w tym platformy Arduino) zadbali o to, aby ich portfolio w możliwie pełnym zakresie pokrywało zapotrzebowania konstruktorów urządzeń IoT.

W artykule prezentujemy krótką charakterystykę wybranych zestawów rozwojowych Arduino z rodziny MKR, przygotowanych z myślą o szybkim prototypowaniu urządzeń IoT, wykorzystujących komunikację bezprzewodową w takich standardach jak Wi-Fi/Bluetooth, LoRaWAN/Sigfox, GSM/3G czy NB-IoT.

Komunikacja Wi-Fi/Bluetooth z Arduino MKR 1000/1010

Komunikacja w paśmie częstotliwości ISM 2,4 GHz z użyciem standardów Wi-Fi oraz Bluetooth już od kilku lat funkcjonuje na rynku urządzeń IoT. Na potrzeby szybkiej realizacji prototypów sprzętowo-programowych, realizujących komunikację Wi-Fi, firma Arduino opracowała zestawy rozwojowe Arduino MKR Wi-Fi 1000 (fotografia 1) oraz MKR Wi-Fi 1010 (fotografia 2). Pierwszy z wymienionych zestawów bazuje na module ATSAMW25, zawierającym mikrokontroler SAMD21, tor radiowy WINC1500 oraz układ autoryzujący ECC508.

Fotografia 1. Moduł Arduino MKR WAN 1000 do realizacji komunikacji Wi-Fi

Zestaw w wersji MKR 1010 został wyposażony w moduł radiowy NINA-W102 firmy u-blox, który oferuje komunikację Bluetooth/BLE.

Fotografia 2. Moduł Arduino MKR WAN 1010 do realizacji komunikacji Wi-Fi

Od strony oprogramowania firma Arduino udostępnia bibliotekę WiFi101 dla modułów MKR Wi-Fi 1000, wspierającą szyfrowanie WEP oraz WPA2 Personal. Dla modułu MKR Wi-Fi 1010 (oraz innych zestawów bazujących na module u-blox NINA-W102, w tym Arduino NANO 33 IoT) producent przygotował bibliotekę Wi-FiNINA, a także szereg przykładowych aplikacji prezentujących integrację z chmurą Android IoT Cloud oraz Azure, AWS IoT Core, Google Firebase czy Blynk.

Komunikacja LoRaWAN oraz Sigfox

Dynamiczny rozwój systemów IoT zaowocował wzrostem zainteresowania tematyką inteligentnych miast. Niestety łączność z użyciem standardów Wi-Fi/Bluetooth/BLE ma charakter lokalny i nie spełnia wszystkich wymagań stawianych przed projektami z grupy Smart City (do których zaliczamy m.in. rozległe sieci czujników zanieczyszczenia, monitoringu poziomu wód czy zajętości miejsc parkingowych). Rozwiązaniem problemów może być zastosowanie jednego z dwóch najpopularniejszych obecnie standardów komunikacji w obszarze sieci LPWAN (Low Power Wide Area Network) – LoRaWAN lub Sigfox, umożliwiających przesyłanie niewielkiej ilości danych na duże odległości.

Fotografia 3. Moduł Arduino MKR WAN 1300 do realizacji komunikacji LoRa/LoRaWAN

Na potrzeby szybkiego prototypowania urządzeń wykorzystujących komunikację LoRa/LoRaWAN projektanci Arduino przygotowali zestawy rozwojowe MKR WAN 1300 (fotografia 3) oraz jego następcę MKR WAN 1310 (fotografia 4). Obydwa moduły bazują na mikrokontrolerze Atmel SAMD21, stosowanym w innych modułach serii Arduino MKR, a także na module radiowym Murata CMWX1ZZABZ. Nowsza wersja modułu została wyposażona dodatkowo w 2 MB pamięci Flash, nowy układ ładowania baterii oraz układy zasilania zoptymalizowane pod kątem niskiego poboru mocy.

Fotografia 4. Moduł Arduino MKR WAN 1310 do realizacji komunikacji LoRa/LoRaWAN

Moduły MKR WAN 13x0 współpracują z udostępnioną przez producenta chmurą Arduino IoT Cloud. Kompleksowość dostarczanych rozwiązań uzupełnia zoptymalizowana pod kątem modułów MKR WAN 1310 brama dostępowa Arduino Pro Gateway LoRa Connectivity.

Ciekawą alternatywę dla komunikacji LoRa/LoRaWAN stanowi standard Sigfox, kładący szczególny nacisk na komunikację od węzłów do bramy dostępowej. Z oferty firmy Arduino do dyspozycji konstruktorów oddany został moduł MKR FOX 1200 (fotografia 5), zbudowany na bazie mikrokontrolera Atmel SAMD21. Za komunikację radiową odpowiada układ Microchip Smart RF ATA8520, którego tor radiowy został dostrojony do obowiązującej w Europie częstotliwości ISM 868 MHz.

Fotografia 5. Moduł Arduino MKR FOX 1200 do realizacji komunikacji w sieci Sigfox

Komunikacja GSM/3G – Arduino MKR GSM 1400

Nawet rozbudowana sieć kratowa (Mesh), pracująca w standardzie LoRa/LoRaWAN, nie jest obecnie w stanie zapewnić globalnego zasięgu. W przypadku projektów IoT wymagających niemal nieograniczonej obszarowo komunikacji, najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie standardu GSM/3G. Na potrzeby komunikacji GSM/3G firma Arduino przygotowała moduł MKR GSM 1400 (fotografia 6), wyposażony w modem SARA-U210 firmy u-blox oraz układ autoryzujący Microchip ECC508 do realizacji mechanizmów bezpieczeństwa komunikacji. Wbudowany w zestaw modem GSM zapewnia pokrycie komunikacji w pasmach GSM 850 MHz, E-GSM 1900 MHz, DCS 1800 MHz oraz PCS 1900 MHz.

Fotografia 6. Moduł Arduino MKR GSM 1400 do realizacji komunikacji w sieci GSM/3G

Dla usprawnienia procesu przygotowania oprogramowania, producent udostępnia bibliotekę MKRGSM (zwalniającą programistę z obsługi modułu za pomocą niskopoziomowych komend AT), wraz z bogatym zestawem przykładów (w tym m.in.: łączność GPRS, odbieranie/nadawanie wiadomości tekstowych, obsługa połączeń głosowych). Moduł MKR GSM 1400 może współpracować zarówno z oprogramowaniem Arduino IoT Cloud, jak z alternatywnymi rozwiązaniami chmurowymi: Google IoT Cloud, Blynk czy SORACOM Air IoT, dla których producent przygotował zestaw przykładowych implementacji.

Komunikacja w sieci Narrowband IoT – Arduino MKR NB 1500

Dokonując krótkiej charakterystyki wybranych standardów komunikacji w ramach urządzeń Internetu Rzeczy, nie sposób pominąć rozwiązania bazujące na standardzie Narrowband IoT (NB-IoT), które wykorzystują do komunikacji licencjonowane pasmo LTE 800 MHz.

Podobnie jak rozwiązania LoRaWAN i Sigfox, NB-IoT wpisuje się w grupę sieci LPWAN, a więc zapewnia stabilną komunikację na dużych obszarach, przy użyciu energooszczędnych modułów radiowych, zapewniających wieloletnią pracę urządzenia przy zasilaniu bateryjnym. Tym samym stanowi kolejną alternatywę dla komunikacji LoRaWAN i Sigfox w rozwiązaniach z segmentu Smart City.

Fotografia 7. Moduł Arduino MKR NB 1500 do realizacji komunikacji w sieciach Narrowband IoT

Do szybkiego prototypowania węzłów końcowych, pracujących w standardzie NB-IoT, firma Arduino przygotowała zestaw MKR NB 1500 (fotografia 7), wyposażony w moduł u-blox SARA-R410M-02B, umożliwiający uzyskanie łączności LTE Cat M1/NB1 w pasmach 1, 2, 3, 4, 5, 8, 12, 13, 18, 19, 20, 25, 26 oraz 28. Dodatkowo zestaw MKR NB 1500 został wyposażony w układ autoryzujący ECC508 firmy Microchip, złącze karty MicroSIM, kontroler ładowania baterii Li-Po oraz złącze anteny zewnętrznej.

Transfer Multisort Elektronik Sp. z o.o.
www.tme.eu/pl