使用 LTE 微控制器和路由器快速實作遠端工業 IoT 蜂巢式端點

隨著物聯網 (IoT) 應用的不斷發展，相關網路的範圍也必須擴大。雖然工業設施內部或附近能透過 Wi-Fi、藍牙和 Zigbee 方便地連上無線網路，但有些工業物聯網 (IIoT) 網路需要對可能在數英哩外或廣泛分佈的現場系統進行遠端監控，而維護人員通常需要耗費很長時間且不容易到達這些位置。針對這些情況，蜂巢式網路是最佳的無線解決方案。

本文將解釋為何需要透過蜂巢式網路對某些遠在數英哩外的 IIoT 應用進行遠端資料監控，並說明當遠端的 IIoT 節點能以最低或零維護率節能時所能提供的優點。接著介紹 Nordic Semiconductor 的蜂巢微控制器；此產品可透過 LTE 網路，將資料傳輸到 Phoenix Contact 的 DIN 軌道安裝式蜂巢路由器。

延伸 IIoT 網路

傳統的 IIoT 網路都設在單一位置，例如製造設施、自動化倉庫或戶外公園等。與中樞連網時，可以像工業乙太網路那樣以有線方式進行，也可透過 Wi-Fi 或 Zigbee 以無線方式進行。這樣便可從一個中央位置輕鬆進行管理，在此可以隨時存取 IIoT 網路上的端點位置，實現高效率的維護或更換。

隨著 IIoT 的不斷發展，使用案例也有所增加。設施管理員需要主動監控遠端系統，以提高效率和即時控制網路，並確保遠端系統和總部中樞之間實現最低的延遲。火車、地下鐵和州際貨車等運輸系統可以獲得諸多益處，它們可監測引擎或電動馬達上的各種感測器，以及燃料與能源消耗量、速度、距離；還能透過 GPS 定位追蹤位置和估算目的地抵達時間。這些資料會傳送到主要設施或公司總部進行分析，並且幾乎馬上就能用來節省時間和金錢：藉由改善效率並預防故障，降低成本並提高可靠性。

油氣管線可透過監測管線內的容積和壓力，以及溫度、氣壓計讀數和濕度等環境條件，從 IIoT 網路中獲益。精準的 GPS 位置監測，以及振動與陀螺儀感測器，可偵測管線因地震等外力所產生的移動。在某些情況下，管線內的流量可從遠端予以限制或停止，因應偵測到的地震等緊急情況。設備可執行自我診斷，並將結果傳送到廠房進行分析。 由於這些管線可能位於距離總部數千英哩外的嚴苛環境中 (如北極圈)，因此建立完全可靠的通訊網路對於端點至關重要。

進入蜂巢式 IoT

為了滿足這些需求，IIoT 連網能力已擴展為可透過現有的長期演進 (LTE) 蜂巢式網路傳送資料。如此一來，只要能供應和維持電源，幾乎任何有 LTE 連線能力的地方，都能放置 IIoT 端點。另一個優點是，蜂巢式網路的維護成本和維護作業都將由蜂巢網路業者負責。由於這些系統可能位於一些未受監測的偏遠地點，因此遠端蜂巢式 IIoT 端點必須可靠並能防範駭客攻擊或實體竄改。

若想建立可靠的 IIoT 嵌入式系統，首先是讓系統保持簡單並將功耗降到最低。讓系統保持簡單可減少故障點的數量。降低功耗則可透過減少熱量來提高可靠性，從而延長大多數半導體元件的使用壽命，並提高電池供電型 IIoT 端點的電池續航力。

為了滿足這些要求，Nordic Semiconductor 推出了 nRF9160 LTE 蜂巢式 IoT 微控制器。nRF9160 透過整合完整的晶片上 LTE 數據機，簡化蜂巢式 IIoT 端點的開發，且此數據機符合最新的蜂巢式 IoT 及機器對機器 (M2M) 資料標準 (圖 1)。

<圖 1：Nordic Semiconductor 的 nRF9160 LTE 蜂巢微控制器以 Arm® Cortex®-M33 核心為架構。此產品具有建立蜂巢式 IoT 端點所需的所有周邊裝置，包括 LTE 數據機和 GPS 模組。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

Nordic Semiconductor 的 nRF9160 以 64 MHz Arm Cortex-M33 處理器核心為基礎，專門針對低功率 IoT 應用而設計。Cortex-M33 支援單循環乘法與累加 (MAC) 運算，並提供單精度浮點單元 (FPU) 指令、硬體除法器以及單指令多資料 (SIMD) 運算能力。這對於快速處理感測器資料十分有用，例如感測器融合計算。即使在進入和退出低功率模式時，Cortex-M33 也具有高度確定性，並可支援即時運算。

nRF9160 微控制器提供 1 MB 用於儲存應用韌體的晶片上快閃記憶體以及 256 KB 的低漏電 RAM。此產品具有 Arm TrustZone 子系統，可支援 AES 加密、真實亂數產生器 (TRNG) 及安全密碼管理等加密作業。這對於驗證加密資料通訊並偵測韌體竄改很有用處。標準的晶片上序列介面包括 SPI、I²C 及 UART 連接埠，可與外部感測器和致動器進行介接。八通道原生 12 位元 (14 位元具有超取樣能力) 類比數位轉換器 (ADC) 可用於讀取類比感測器。

此外，nRF9160 還具有晶片上 GPS 接收器，並已針對低功率 IoT 端點進行最佳化。這對貨車和火車等移動端點特別有用。此外，對可能因地震而意外移動的系統，或偵測端點安裝於可移動裝置 (如機器人設備) 情況下的預期移動也很有用。GPS 接收器會與 LTE 數據機共用晶片上 RF 收發器。如果 LTE 數據機和 GPS 接收器都處於啟用狀態，則 GPS 模組和 LTE 數據機會以分時多工的方式共用 RF 收發器，並且 LTE 數據機的優先級較高。

nRF9160 上的 LTE 數據機包含帶專用快閃記憶體及 RAM 記憶體的主機控制處理器、基頻處理器、帶外接式 50 Ω 天線引腳的 RF 收發器以及 SIM 卡介面。為了提高通訊可靠性，LTE 數據機有自己的診斷與故障偵測機制。LTE 數據機可支援低功率 M2M 和 IoT 資料通訊協定，包括 Cat-M1、Cat-NB1 和 Cat-NB2。

若想透過 LTE 網路交換資料，LTE 數據機需要使用標準 SIM 卡，內含無線網路、電話號碼和用戶資訊。nRF9160 LTE 主機處理器具有外接式通用積體電路卡 (UICC) 介面 (又稱為 SIM 卡介面)，可連接至任何已啟用且與 LTE-M 或窄帶 IoT (NB-IoT) 資料傳輸標準相容的 SIM 卡。

每個 nRF9160 LTE 端點都需要向蜂巢業者購買 SIM 卡以及適當的數據方案。連網 IoT 裝置的 SIM 卡與手機數據方案可透過 DigiKey 輕鬆購得。方案的數據容量從每個月 300 KB 至 5 GB 都有。

nRF9160 的工作電壓範圍為 3.0 V 至 5.5 V，因而非常適合用於以 3.7 V 鋰離子電池供電的 IIoT 端點。建議在 3.7 V 的電壓下工作，因為大多數元件的規格都是以 3.7 V 電源電壓為基準。對於 nRF9160 的周邊裝置和處理器模組，其大多數電源域都可配置，並可在韌體控制下加電和斷電。因此，開發人員可微調電流的耗用量，以滿足特定的應用需求。

nRF9160 具有省電模式 (PSM)，可將核心置於閒置狀態 (即保持核心暫存器狀態)，並關閉 LTE 數據機和大多數的周邊裝置。對於必須記錄時間的 IIoT 端點，若 RTC 處於省電模式，nRF9160 僅會耗用 2.35 µA 電流，這對電池供電型裝置來說是個非常低的數字。

連續追蹤時，GPS 模組會耗用大量的電流 (47 mA)。但是，在省電模式下執行 GPS 將更實用，因為只會額外耗用 12 mA。這個模式很適合需要連續即時監測位置的火車或貨車。更為經濟的模式則是將 GPS 配置為每兩分鐘處理一次，而這只需耗用 1.3 mA。這個模式很適合僅需要偶爾偵測移動的固定節點。

無論使用何種 LTE-M 協定進行通訊，nRF9160 都能以高達 375 kbps 的速度傳輸數據。即使是數據傳輸率較低的 NB-IoT 協定，速度也能達到 60 kbps。這些低數據傳輸率能在省電的同時，確保端點和中樞之間維持可靠的通訊。此外，LTE 數據機還支援傳輸層安全性 (TLS) 協定，可實現安全的加密通訊，有助於防範中間人攻擊或未經授權攔截傳輸的數據。

nRF9160 的工作溫度為 -40 至 +85°C，非常適合極度寒冷和非常熱的環境。

LTE 無線電可為天線提供高達 23 dBm 輸出功率。其與 IPv4 及最新的 IPv6 相容，因而可輕鬆擴展到新的 IP 位址，而不會受到 IPv4 的限制。另外，LTE 數據機還支援簡訊功能。因此，IIoT 端點可像手機一樣傳送和接收文字資料。當然不是只用於打招呼，而是使用傳訊功能接收感測器資料並傳送操作指令。

LTE 端點開發

為了支援 nRF9160 的開發，Nordic Semiconductor 推出 nRF6943 Nordic Thingy:91 蜂巢式開發板 (圖 2)。此板件已方便地封裝成亮橘色盒裝套件，幾乎可按原樣部署，快速進行實作。

圖 2：Nordic Semiconductor 的 nRF6943 Thingy:91 是一款功能完備的蜂巢開發套件，具有大量感測器及引腳，可連接至外部元件。該產品設有 SIM 卡插槽，可放置用戶 SIM 卡。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

nRF6943 開發套件配有 1400 mAh 鋰聚合物電池，並可透過隨附的 USB 連接埠充電。USB 連接埠還可用於將 nRF6943 連接到個人電腦，以進行韌體開發、編程和除錯。

nRF6943 Thingy:91 開發套件提供許多板載感測器，包括低功率加速計、高 G 值加速計、光感測器、色彩感測器以及電流測量埠等。環境感測器可偵測溫度、濕度、空氣品質和氣壓。各個連接埠引腳可用於連接到其他外部感測器。此外，nRF9160 可驅動四個功率 MOSFET，後者可用來驅動小型 DC 馬達或大電流 LED。磁性鳴蜂器和三個 RGB LED 則可在開發期間提供音訊和視覺回饋。另外，還有兩個可由應用韌體進行編程的按鈕。

連接到總部中樞

IIoT nRF9160 端點可放在世界上任何有 LTE 連線的地方。而 IIoT 蜂巢式端點則可透過無線電信業者的蜂巢網路和總部中樞，將資料傳輸到蜂巢路由器，如 Phoenix Contact 的 1010464 4G LTE 路由器 (圖 3)。

圖 3：Phoenix Contact 的 1010464 蜂巢路由器是一款工業 4G LTE 路由器，不僅提供內建防火牆，還支援虛擬私人網路 (VPN)。(圖片來源：Phoenix Contact)

Phoenix Contact 的 1010464 4G LTE 路由器專門針對嚴苛的工業環境而設計，可連接到 AT&T U.S.A. 蜂巢網路。背面設有 SIM 插槽，用於插入用戶 SIM 卡。此路由器安裝在 DIN 軌道上，可以最少的硬體配置輕鬆整合到現有的 DIN 軌道系統中。放置路由器時，須確保其能清楚收到蜂巢訊號。若想安全有效地進行通訊，IIoT 端點韌體和此蜂巢路由器還須配置每個 SIM 卡的電話號碼。此 LTE 路由器設有能提高安全性的防火牆，可輕鬆進行存取過濾，避免未經授權的電話號碼擅自存取 LTE，並濾除來自授權號碼的可疑封包。而支援 VPN 可實現更安全的資料通訊。此 LTE 蜂巢路由器在正面設有四埠式交換器，並可透過乙太網路與本地網路進行通訊。

這種低功率 IIoT 端點和 LTE 蜂巢路由器的組合，可在總部中樞和工業端點之間輕鬆實現通訊，而通訊速度僅受限於蜂巢網路的可用頻寬。

結論

如本文所述，IIoT 網路可輕鬆擴大範圍並接入世界各地的端點。藉由使用低功率微控制器及內建的 LTE 蜂巢數據機，可節省時間與設計成本，並且經正確配置後，可全天候將資料傳輸到總部中樞的蜂巢路由器。