如何使用 Microchip 的 IoT 開發板快速開始行動通訊 IoT 專案及使用原因

行動通訊物聯網 (IoT) 是一種低功率廣域網路 (LPWAN) 技術，為智慧城市、農業乃至遠端基礎架構監控等應用實作安全穩固的 IoT，提供一條清晰且經實證的路徑。不過，行動通訊 IoT 是一項複雜的技術，會讓欠缺經驗的設計人員在開發專案時望而卻步。

但行動通訊 IoT 的設計挑戰可以透過使用行動通訊開發板來開發專案加以緩解，這些開發板採用熟悉的一般微控制器 (MCU) 與整合設計環境 (IDE)。它們提供開源軟體庫與簡易的感測器連線，可讓設計人員更輕鬆開啟行動通訊 IoT 專案，包括硬體佈局以及將資料傳送到雲端等。

本文將簡要介紹行動通訊 IoT 的優勢，然後會介紹此項技術可能帶來的設計複雜度，並說明如何使用行動通訊 IoT 開發板來降低這一複雜度。最後，本文會說明如何設定 Microchip Technology 開發板，將簡易的色彩與溫度資料傳送至雲端。

什麼是行動通訊 IoT？

行動通訊 IoT 採用低功耗行動通訊技術，將 IoT 終端裝置 (例如感測器與致動器) 連線至雲端。這是一種 LPWAN 技術，其特點是覆蓋範圍超過一千公尺、支援高密度終端裝置以及低傳輸量。

雖然還有其他的 LPWAN 技術，尤其是 LoRaWAN 和 Sigfox 等 (請參見《透過端對端入門套件加速進行 LoRaWAN IoT 專案》)，但行動通訊 IoT 具有一些關鍵優勢，包括：

• 因應未來：作為一項標準，行動通訊 IoT 的規範一直處於檢驗與開發之中。
• 可擴充性：行動通訊 IoT 可透過成熟的行動通訊架構快速部署 IoT。
• 服務品質 (QoS)：行動通訊 IoT 已在大量商業應用中經過驗證且具備成熟的基礎架構，因此能夠提供高度可靠性。
• IP 互通性：終端裝置可直接連線至雲端，無需昂貴且複雜的閘道。

設計人員在設計行動通訊 IoT 時需要考量持續產生的資料傳輸相關費用。而對於 LoRaWAN 等採用免許可頻譜的競爭技術而言，則無需考慮這一點。但由於競爭壓力、邊緣運算的日益普及以及網路間傳送尋常資料量的減少，行動通訊 IoT 的資料成本呈下降趨勢。

行動通訊 IoT 由第三代合作計畫 (3GPP) 監管和更新的電信標準所規範。3GPP 第 13 版標準拓展其機器到機器 (M2M) 數據機類別，可實作出適用於 IoT 連線的低成本、低功率以及低傳輸量數據機。此標準的後續版本進一步強化這些 IoT 數據機。

行動通訊 IoT 數據機配備的無線感測器，可在數千公尺內將資料傳送至雲端，而無需昂貴且複雜的閘道，同時還具備行動通訊知名的安全性與 QoS。

LTE-M 與 NB-IoT 的差別

行動通訊 IoT 有兩種形式：LTE M1 類別 (LTE-M) 與窄頻 IoT (NB-IoT)。這兩種類型皆是針對在資源受限情況下的使用所設計，通常是常用於 IoT 與工業 IoT (IIoT) 的電池供電裝置。由於 IoT 數據機會連線至成熟的行動通訊基礎架構，因此每個數據機皆具有專屬的使用者身分模組 (SIM)。

LTE-M 是以簡易 LTE (「4G」) 技術為基礎。其支援安全通訊、無所不在的覆蓋範圍，以及高系統容量。與 NB-IoT 相比，它可透過相對更大的頻寬 (1.4 MHz) 以全雙工系統運作，改善延遲與傳輸量。其下行鏈路的原始資料傳輸量為 300 Kbits/s，上行鏈路則為 375 Kbits/s。此技術適合安全的端對端 IP 連線，且行動性由 LTE 單元交遞技術支援。LTE-M 適用於資產追蹤或醫療保健等行動應用程式領域。

NB-IoT 主要是針對能效，以及進一步深入建築物和其他不方便使用 RF 的區域所設計。與 LTE-M 不同，此技術並非是以 LTE 實體層 (PHY) 為基礎。NB-IoT 使用 200 kHz 頻寬，因此數據機複雜度遠比 LTE-M 裝置低。其原始資料傳輸量僅為 60/30 Kbits/s，但覆蓋範圍優於 LTE-M。NB-IoT 適用於靜態應用領域，如可能受到牆壁阻礙的智慧儀表等。

商用行動通訊 IoT 數據機

市面上已推出眾多的商用 LTE-M/NB-IoT 數據機。其中一個範例為 Sequans 推出的 Monarch 2 GM02S。此裝置支援庫存計量單位 (SKU) RF 前端，適用於 20 個全域 LTE 頻帶。其採用緊湊的 LGA 模組，尺寸為 16.3 x 17 x 1.85 mm。該模組符合 3GPP 第 14/15 版的要求。此數據機由 2.2 至 5.5 V 單一電源供電，能夠以 1 mW 為參考值提供 +23 dB 的最大傳輸功率 (dBm)。

GM02S 支援外部 SIM 和 eSIM 以及整合的 SIM，且內含 50 ohm (Ω) 天線介面。此裝置配有 LTE-M/NB-IoT 軟體堆疊以及 Sequan 的雲端連接器軟體，可輕鬆連線至商用雲端平台 (圖 1)。

圖 1：Sequan 的 GM02S LTE-M/NB-IoT 數據機採用緊湊型封裝，且配備成熟的軟體堆疊。(圖片來源：Sequans)

行動通訊 IoT 設計挑戰

雖然 GM02S 數據機是一個高度整合的裝置，提供有軟體堆疊與雲端連線，但其與所有商用數據機一樣，必須完成大量的開發工作，方可讓 IoT 應用在數千公尺內將資料順暢傳送至雲端。

這款數據機專為處理終端裝置與基地台間的通訊所設計。設計人員需要使用獨立的監控與應用處理器來控制數據機，並執行感測器應用軟體。此外，設計人員還需要考量天線電路、電源供應器，並為終端裝置裝配 SIM，確保與行動網路順暢連線 (請參見《如何使用多頻段內嵌式天線，節省 IoT 設計的空間、複雜度和成本》)。

除了設計硬體外，設計人員還需要具備程式碼編寫能力，方可將行動通訊模組連線至網路並接收／傳輸資料。若設計時採用了外部應用 MCU，則通常會使用 UART 序列鏈路 (亦可使用其他 I/O 介面) 與行動通訊模組進行通訊。AT (「注意」) 命令是控制行動通訊數據機的標準方法。這些命令由一系列簡短文字字串組成，可組合產生撥號、掛斷以及變更連線參數等操作。

AT 命令有兩種類型：不以「+」開頭的基本命令，例如「D」(撥號)、「A」(接聽)、「H」(掛接控制) 和「O」(返回線上資料狀態) 等；以「+」開頭的擴展命令，例如，「+CMGS」(傳送 SMS 訊息)、「+CMGL」(列出 SMS 訊息) 和「+CMGR」(讀取 SMS 訊息) (請參見《使用行動通訊模組將廠商專案連線至 IoT》)。

這些硬體與軟體考量為行動通訊 IoT 帶來複雜度，且可能讓經驗欠缺的設計人員拖慢工作進度。所幸應用 MCU 與行動通訊 IoT 數據機廠商現已攜手提供硬體與軟體設計工具，可讓設計人員更輕鬆利用這一重要的 LPWAN 技術。

使用 IoT 開發板消除複雜度

以專用型開發板為基礎開發原型，可大幅降低行動通訊 IoT 的設計難度。開發板硬體通常包括天線、電源、具有部分免費數據額度的 SIM、應用處理器，以及可確保良好 RF 效能的微調網路。這可讓設計人員在開發專案時取得先機，將心力著重在應用開發方面。若能選擇適當的開發板，甚至可在熟悉的 IDE 中進行應用開發。

Microchip 的 EV70N78A AVR-IoT 行動通訊迷你開發板即是一個熱門的行動通訊 IoT 開發板。此硬體平台以熱門的 Microchip AVR128DB48 MCU 以及上述 Sequans Monarch 2 GM02S 行動通訊模組為基礎。該 MCU 是一個 8 位元、24 MHz 裝置。其具有 128 KB 快閃記憶體、16 KB SRAM、512 位元組 EEPROM，並採用 48 引腳封裝。

這款開發板還整合 ATECC608B 安全元件；只要連接至 LTE-M 或 NB-IoT 網路，即可使用 ATECC608B 透過雲端對硬體進行驗證，辨識出每塊唯一的板件。

為了讓設計人員更輕鬆，Microchip 開發板還包含一個提供 150 MB 資料的啟用即就緒 Truphone SIM 卡。

此開發板配備五個使用者 LED、兩個機械按鈕、一個 32.768 kHz 晶體、多個顏色和溫度感測器，一個與 Adafruit Feather 相容的邊緣連接器、一個 Qwiic I²C 連接器、一個板載除錯器、一個 USB 連接埠、多個電池與外部輸入電源選項，以及一個具備充電狀態 LED 的 MCP73830 鋰／鋰聚合物電池充電器 (圖 2)。

圖 2：AVR-IoT Cellular 迷你開發板是 AVR128DB48 MCU 為基礎，且隨附 SIM 卡和 150 MB 資料。(圖片來源：Microchip Technology)

開始行動通訊 IoT 專案

行動通訊 IoT 的用途，在於透過無線方式連接感測器和致動器等 IoT 終端裝置，在數千公尺內將資料傳送至雲端。在 Microchip 開發板上，MCU 預載有韌體映像，其示範應用可讓使用者快速連線，並將板載溫度與顏色感測器的資料傳送至雲端型沙盒 (由 AWS 托管)。

如要準備好硬體進行開發，僅需啟動並插入 SIM 卡、將外部天線連接至板件、將板上的除錯 USB-C 連接埠連接至電腦、掃描板件底部的 QR 碼或開啟大容量儲存設備，並跟隨 CLICK-ME.HTM 至套件網頁。

Github 的 Microchip IoT 佈建工具提供易於使用的解決方案，可用於配置 AVR-IoT 行動通訊迷你板連線至選定的雲端供應商、設定網路供應商，以及選擇行動通訊頻段。(若想讓沙盒示範韌體順利工作，開發人員必須針對 AWS Microchip 沙盒佈建開發板。)

開發人員透過示範應用取得信心後，即可使用開發板支援的完整 Arduino IDE 開始建立自己的應用。此支援是以 Github 上託管的 AVR IoT 行動通訊 Arduino 程式庫為基礎。該程式庫則建立在開源 DxCore 之上 (圖 3)。

圖 3：AVR IoT 行動通訊 IoT 程式庫 (橘色) 包含用於編程和控制開發板的軟體模組 (以綠色簡化形式顯示)。(圖片來源：Microchip Technology)

板載除錯器 (PKOB nano) 可為 Arduino IDE 提供全面的編程支援。此外，它還可存取序列埠介面 (序列至 USB 橋接元件) 以及兩個邏輯分析器通道 (除錯 GPIO)，而無需任何外部工具。AVR IoT 行動通訊迷你板件上的板載除錯器會在主機電腦的 USB 子系統上顯示為人性化介面裝置 (HID)。針對更具企圖心的專案，開發板與 Qwiic 和 Feather 相容的邊緣連接器可讓開發人員輕鬆地對 Sparkfun 和 Adafruit 提供的各種附加板件進行擴充 (圖 4)。

圖 4：此 AVR IoT 開發板方塊圖顯示主機電腦透過除錯器的 USB 鏈路進行連線，而應用 MCU 則透過除錯器的 UART 鏈路進行編程。請注意，應用 MCU 與行動通訊數據機間的連線亦是透過 UART。(圖片來源：Microchip Technology)

在開始進行應用程式編程前，需下載和安裝 Arduino IDE 及 DxCore。然後，需將 Arduino IDE 配置為允許執行 AVR IoT 行動通訊 Arduino 程式庫 (清單 1)。

清單 1：允許執行 AVR IoT 行動通訊 Arduino 程式庫的 Arduino IDE 組態。(程式碼來源：Microchip Technology)

配置 IDE 後，即可安裝程式庫。然後就可存取多個開發板程式庫範例了。熟悉 Visual Studio Code IDE 的設計人員，可將這些範例用於 AVR IoT 開發工作 (若已安裝 Arduino 外掛程式)。採用任一 IDE 開發的 Arduino 應用程式碼，皆可透過板載除錯器移植至開發板的 MCU。

測量功率

行動通訊 IoT 旨在以低功率執行來延長電池供電 IoT 終端裝置的使用壽命。因此，對應用程式碼進行最佳化，以最大程度降低功耗非常重要。

Microchip 開發板會透過五個切割線來連接所有開發板零件的電源。這些亦可用於測量電流。如需測量所需電路的功率，可切斷條帶並在孔位之間連接電流計 (圖 5)。

圖 5：AVR IoT 開發板上的切割條可用於測量關鍵電路的功耗。(圖片來源：Microchip Technology)

此開發板亦可透過其 MIC94163 開關和一個連接至 MCU 上 ADC 引腳的分壓器來提供系統電壓測量電路，繼而進行按需測量並防止分壓器漏電。如要測量系統電壓，請遵循以下步驟：

1. 配置 ADC 的參考電壓。
2. 將 MCU GPIO 系統電壓測量致能引腳 (PB3) 設為高，以啟用分壓器。
3. 將 MCU ADCO 系統電壓測量引腳 (PE0) 設為 ADC 的輸入。
4. 執行單端類比數位轉換 (ADC)。
5. 使用方程式計算電壓：V = ADC 結果 x V_REF x 4/ADC 解析度。

最後，亦可遵循以下步驟輕鬆測量電源電壓：

1. 配置 ADC 的參考電壓。
2. 選擇 V_DD 或 _VDDIO2 作為 ADC 正極輸入。(V_DD 與 V_DDIO2 為 MCU 上 ADC 的可用內部輸入通道。)
3. 執行單端 ADC 轉換。
4. 使用方程式計算電壓：V = ADC 結果 x V_REF x 10/ADC 解析度。

結論

行動通訊 IoT 是商業潛力看漲的熱門 LPWAN。但設計由行動通訊 IoT 提供支援的終端元件，需要同時具備硬體與軟體專業知識。為了支持設計人員，新型行動通訊 IoT 開發板，如 Microchip 的 EV70N78A AVR-IoT 行動通訊迷你開發板，提供快捷的原型開發途徑。

該開發板使用了高階 LTE-M/NB-IoT 數據機以及熱門的 Microchip MCU。應用程式碼開發工作可透過 Arduino 或 Visual Studio Code IDE 進行簡化。