使用 LTE-M、NB-IoT 和 DECT NR+ 組合開發套件展開無線 IoT 設計作業

用於物聯網 (IoT) 的低功率廣域網路 (LPWAN) 蜂巢無線技術，例如長期演進機器類型通訊 (LTE-M) 和窄頻物聯網 (NB-IoT) 等，皆可針對採用既有和經過實證之蜂巢基礎架構的電池供電式裝置，提供超過一公里 (km) 的無線連線範圍。New Radio+ (DECT NR+) 是一種免執照的 LPWAN 替代方案，適用於需在大規模 IoT 部署中採用類似蜂巢網路作法的應用。對開發人員來說，這三種作法在實作上都挺複雜，即便對短距無線技術有經驗的人員來說也不容易。

與提供預先認證產品的方案供應商合作，就可利用產品中的整合式 LTE-M、NB-IoT 或 DECT NR+ 協定軟體堆疊和自動化數據機來因應 LPWAN 設計的複雜性。這類解決方案能讓開發人員更專注於應用差異化，並且達到上市時間目標。

本文將歸納 LTE-M、NB-IoT 和 DECT NR+ 在遠距物聯網連線方面的優勢，並且探討實作上的挑戰。接著會介紹 Nordic Semiconductor 結合蜂巢 IoT 和DECT NR+ 技術的裝置與相關的開發套件，並展示如何用來克服這些挑戰。

為何要使用 LTE-M、NB-IoT 或 DECT NR+ 無線技術？

若要成為構成網際網路的全球網路基礎要件之一，IoT 裝置就必須能使用網際網路協定 (IP) 與雲端進行通訊，而無需透過昂貴的閘道器。在某些應用中，例如農業、智慧城市和環境監測，必須達到遠距通訊，且僅需最少的維護。這表示需具備低功耗能力，以便發揮最大的電池續航力。

LTE-M 和 NB-IoT 可針對這些挑戰提供蜂巢解決方案。其基礎規格由 3GPP 制訂，因此具有 IP 互通性，並可提供超過公里的範圍。LTE-M 和 NB-IoT 的工作頻率分別為 698 MHz 至 960 MHz 及 1710 MHz 至 2200 MHz。LTE-M 和 NB-IoT 的技術細節摘要如表 1 所示。

表 1：LTE-M 和 NB-IoT 之間的差異比較。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

DECT NR+ 可針對需要遠距連線的應用提供無需執照費的替代方案。以 5G 規範為基礎，在 1900 MHz 頻段運作，可支援高密度 LPWAN，適用於機器對機器 (M2M) 通訊和城市範圍的空氣品質監測。

簡化 RF 設計

對許多開發人員來說，實作 RF 設計並不容易，因此經常會影響上市排程。但只要挑選省去絕大多數複雜作業的整合式解決方案，就可克服一些硬體挑戰。Nordic Semiconductor 的 nRF9161 系統級封裝 (SiP) 就是範例之一 (圖 1)。

此 SiP 納入應用軟體專用的 Arm^® Cortex^®-M33 處理器，以及可支援 LTE-M、NB-IoT 和 DECT NR+ RF 介面的數據機。還含有一個 RF 前端 (RFFE) 和一套電源管理系統，全裝在 16.0 x 10.5 x 1.04 mm 的柵格陣列 (LGA) 封裝中。此數據機支援 IPv4/IPv6 和加密式空中韌體 (FOTA) 更新。應用處理器具有 1 MB 快閃記憶體和 256 KB RAM 的支援。

圖 1：nRF9161 SiP 結合 Arm Cortex-M33處理器、LTE 數據機、RFFE 記憶體和電源管理。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

此 SiP 還具有 GNSS 接收器，可用於位置追蹤等應用。介面和週邊包括 12 位元類比數位轉換器 (ADC)、即時時脈 (RTC)、序列週邊介面 (SPI)、積體電路間匯流排 (I²C)、積體電路間音訊匯流排 (I²S)、通用非同步接收器／發射器 (UART)、脈衝密度調變 (PDM) 和脈寬調變 (PWM)。此 SiP 可採用單一裝置、天線、電池、SIM 或 eSIM 以及感測器，即可開發蜂巢或 DECT NR+ IoT 解決方案 (圖 2)。

圖 2：nRF9161 SiP 是一款高度整合的蜂巢 (LTE-M、NB-IoT) 和 DECT NR+ IoT 連線解決方案。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

軟體設計難題

RF IoT 在設計上的難題會延伸到軟體。蜂巢和 DECT NR+ 堆疊不僅龐大且相當複雜；無論是何者，若要從頭開始構建，都需要對通訊協定有相當專業的經驗。若採用 LTE-M 和 NB-IoT，開發人員就務必在堆疊開始構建和測試後，就實作蜂巢網路專屬的 Attention (AT) 命令。這些命令是任何蜂巢數據機與其主機控制器進行通訊的基礎。主要用來對數據機進行配置和除錯，並可透過行動網路業者 (MNO) 達成網路連線。

Nordic 可提供經過實證且穩定的 LTE-M 堆疊，並預先編程到 SiP 數據機中，就可減輕軟體編碼上的麻煩。此外，Nordic 的 Serial LTE Modem 應用程式可處理 AT 命令，指示數據機進行數據的傳送與接收。

除了工程挑戰之外，蜂巢數據機還必須符合嚴格的區域專屬認證和法規要求。甚至包括全球認證，以確保相容於 LTE 規範，以便終端裝置在 LTE-M 或 NB-IoT 網路上進行通訊。此外，有些 MNO 更有其專屬的認證要求。

同樣地，Nordic 也針對 RF9161 SiP進行預先認證，藉此減輕開發人員的負擔，即可在最嚴格規範的區域、關鍵網路以及這些網路的主要 LTE 頻段上運作。

使用 nRF9161 開發套件

雖然 nRF9161 SiP 可針對蜂巢 IoT 和 DECT NR+ 的開發作業減輕一些關鍵的軟硬體難題，但要打造有效的原型仍需耗費心力。為了加快設計過程，Nordic 提供 nRF9161 DK 開發套件 (圖3) 和一套軟體工具。在此工具陣容中帶頭的是 Nordic 的 nRF Connect SDK，是一套用於 Nordic 無線解決方案的統一開發環境。

此開發套件結合了 SiP，並含有必要的電路，可促成功能齊全的原型。此套件更具有專用的 LTE-M/NB-IoT 和 DECT NR+ 天線，以及 GNSS 用的整合式塊狀天線。可通過板載的 SEGGER J-Link 進行編程與除錯，此外套件更隨附 SIM 卡及預載的數據方案。也支援使用 Software SIM，可進一步降低功耗。

圖 3：nRF9161 DK 含有用於 LTE-M、NB-IoT 和 DECT NR+ 的 nRF9161 SiP，並具有 LPWAN 和 GNSS 天線、用於編程和除錯的板載 SEGGER J-Link 以及預載的 SIM 卡。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

要開始使用 nRF9161 套件進行開發，必須插入 SIM 卡 (或啟動 eSIM)，將 PROG/DEBUG SW10 開關設置為「nRF91」，並且必須使用micro-USB 2.0 纜線將套件連接到桌上型電腦。開發套件需使用 Windows、macOS 或 Ubuntu Linux 作業系統 (OS)。

下一步是安裝 Nordic 的 nRF Connect for Desktop 並且啟用軟體。如此便可安裝快速入門應用程式，這個工具程式會引導進行設定與安裝程序。此軟體可簡化開發套件韌體更新以及 SIM 卡啟用的過程。要將資料從套件傳輸到雲端，開發人員可以設定 Nordic nRF Cloud 帳戶，或連線到其他雲端服務。

快速入門應用程式接著就會引導開發人員使用 Nordic 的 nRF Connect SDK。此 SDK 會搭配 Visual Studio Code 一起執行，這是一種採用 Nordic nRF Connect for VS Code 擴充程式的常見整合式開發環境 (IDE)。此 SDK 可用於開發應用，並含有實用的範例，例如透過 GNSS、蜂巢或 Wi-Fi 取得裝置的定位，以及將感測器資料從 nRF9161 套件傳送到雲端。

應用建立後，要對板載 nRF9161 SiP 的 Arm 應用程式處理器進行編程就不難了。首先是使用 USB 纜線將套件連接到 PC 並通電。開發人員必須在 nRF Connect for VS Code 擴充程式中，點選「Actions View」中的「Flash」選項。此時會出現通知，顯示編程進度並確認完成。

此開發套件還可讓開發人員查看 LTE-M、NB-IoT 或 DECT NR+ RF 訊號。良好的 RF 效能對於在物聯網裝置和基地台之間達到最大的通訊範圍來說相當重要。為了進行測量，會在套件上的小型同軸連接器 (J1) 和頻譜分析儀之間接上一條纜線 (圖 4)。

圖 4：nRF9161 開發套件的 RF 訊號可透過同軸電纜連接到頻譜分析儀來加以測量。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

nRF9161 DK 的進階開發工具

應用編程後，開發人員可透過 Nordic 提供的兩個工具觀察效能。第一個是 Power Profiler Kit II (PPK2) (圖 5)。此獨立單元可以測量開發套件的電流消耗量，測量範圍介於 200 nA 至 1 A，解析度為 100 nA 至 1 mA 之間。PPK2 還可以為開發套件提供高達 5 V、1 A 的電力。

圖 5：PPK2 可以測量 nRF9161 開發套件在執行應用時的平均和暫態電流消耗量。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

PPK2 會搭配 nRF Connect for Desktop 軟體其中的 Power Profiler 應用程式一起使用。開發人員可以使用此應用程式來分析 nRF9161 套件在執行應用時的平均和暫態電流消耗量。不僅可取得長時間的讀數，若有必要，還可同時放大一毫秒時間內的數據。測量資料可以匯出以進一步處理。

功耗分析能讓開發人員瞭解為了省電而需修改的應用程式碼位置，以便延長設計的電池續航力 (圖 6)。

圖 6：nRF Connect for Desktop 中的 Power Profiler 應用程式可顯示應用執行時的電流消耗量。(圖片來源：Nordic Semiconductor)

Nordic 的 Cellular Monitor 工具有助於應用開發，並具有 nRF Connect for Desktop 軟體的支援。此監測器可在開發套件執行應用時，顯示出 nRF9161 SiP 數據機正在執行的操作。包括網路效能、裝置狀態和數據傳輸。這些詳細資訊能讓開發人員分析數據機流量並將應用效能最佳化。此資訊會在序列終端機上顯示。

結論

LTE-M、NB-IoT 和 DECT NR+ LPWAN 技術可支援 IoT 裝置達到安全可靠且可擴充的遠距連線，但要開發無線硬體、軟體與裝置並不容易。Nordic 的 nRF9161 SiP、嵌入式協定軟體以及支援的 nRF9161 DK 開發套件和應用程式，皆可減輕設計的複雜性。