使用 LTE-M、NB-IoT 和 DECT NR+ 组合开发套件启动无线物联网设计

如长期演进机器型通信 (LTE-M) 和窄带物联网 (NB-IoT) 等用于物联网 (IoT) 的低功耗广域网 (LPWAN) 蜂窝无线技术，可利用现有的成熟蜂窝基础设施为电池供电设备提供超过一千米的无线连接范围。New Radio+ (DECT NR+) 是一种免许可 LPWAN 替代方案，用于要求采用类似蜂窝技术进行大规模物联网部署的应用。对于开发人员来说，这三种方法实施起来都很复杂，即使是那些具有短距离无线经验的开发人员也不例外。

如果解决方案提供商能够提供集成了 LTE-M、NB-IoT 或 DECT NR+ 协议软件栈和自动调制解调器的预认证产品，那么与他们合作就能避免 LPWAN 设计的复杂性。这些解决方案使开发人员能够更加专注于应用的差异化，并实现产品上市目标。

本文总结了 LTE-M、NB-IoT 和 DECT NR+ 在远距离物联网连接方面的优势，并讨论了实施方面的挑战。然后介绍 Nordic Semiconductor 的蜂窝物联网和 DECT NR+ 组合设备及相关开发套件，并说明如何利用它们来应对这些挑战。

为什么要使用 LTE-M、NB-IoT 或 DECT NR+ 无线技术？

要成为构成互联网的全球网络的基本组成部分，物联网设备必须能够使用互联网协议 (IP) 与云进行通信，且无需昂贵的网关。在如农业、智慧城市和环境监测等某些应用中，通信必须以远距离方式进行并且要求维护工作最少。后者意味着低功耗，从而最大限度延长电池寿命。

LTE-M 和 NB-IoT 提供了应对这些挑战的蜂窝解决方案。它们均基于 3GPP 制定的规范，因此具有 IP 互操作性，可实现千米以上的覆盖范围。LTE-M 和 NB-IoT 的工作频段分别为 698 MHz 至 960 MHz 和 1710 MHz 至 2200 MHz。表 1 所列为 LTE-M 和 NB-IoT 的技术细节。

表 1：LTE-M 和 NB-IoT 的比较。（图片来源：Nordic Semiconductor）

DECT NR+ 为需要远距离连接的应用提供了一种无许可替代方案。这种方案基于 5G 规范，在 1900 MHz 频段下运行，可支持高密度 LPWAN，适用于机器对机器 (M2M) 通信和城市范围内的空气质量监测。

简化射频设计

对于许多开发人员来说，实施射频设计是一项挑战，经常会影响产品的上市时间。不过，一些硬件方面的挑战可以通过选择集成解决方案来克服，因为集成解决方案可以大大减少复杂性。Nordic Semiconductor 的 nRF9161 系统级封装 (SiP) 就是一个例子（图 1）。

SiP 集成了专用于应用软件的 Arm^® Cortex^®-M33 处理器和支持 LTE-M、NB-IoT 和 DECT NR+ 射频接口的调制解调器。这种器件还包括射频前端 (RFFE) 和电源管理系统，全部采用 16.0 x 10.5 x 1.04 mm 接点栅格阵列 (LGA) 封装。调制解调器支持 IPv4/IPv6 和加密固件无线更新 (FOTA) 。应用处理器配备 1 Mb 闪存和 256 Kb 内存。

图 1：nRF9161 SiP 集成了 Arm Cortex-M33 处理器、LTE 调制解调器、RFFE、内存和电源管理功能。（图片来源：Nordic Semiconductor）

SiP 还配备了一个全球导航卫星系统 (GNSS) 接收器，可用于定位跟踪等应用。接口和外设包括 12 位模数转换器 (ADC) 、实时时钟 (RTC) 、串行外设接口 (SPI) 、集成电路总线 (I²C) 、集成电路内置音频总线 (I²S) 、通用异步接收器/发射器 (UART) 、脉冲密度调制 (PDM) 和脉宽调制 (PWM) 。SiP 允许使用单设备、天线、电池、SIM 卡或 eSIM 卡和传感器来开发蜂窝或 DECT NR+ 物联网解决方案（图 2）。

图 2：nRF9161 SiP 是高度集成的蜂窝 (LTE-M、NB-IoT) 和 DECT NR+ 物联网连接解决方案。（图片来源：Nordic Semiconductor）

软件设计挑战

射频物联网设计的挑战还包括软件。蜂窝和 DECT NR+ 协议栈庞大、复杂，从头开始构建这两种协议栈都需要这方面的协议专家。对于 LTE-M 和 NB-IoT，开发人员必须在协议栈构建、测试完成后执行蜂窝专用注意 (AT) 指令。它们是任何蜂窝调制解调器与其主控制器之间通信的基础。它们主要用于配置和调试调制解调器，以及通过移动网络运营商 (MNO) 实现网络连接。

通过向 SiP 调制解调器提供经过预编程的的、成熟稳定的 LTE-M 协议栈，Nordic 缓解了软件编码问题。此外，Nordic 的串行 LTE 调制解调器应用还可处理指示调制解调器发送和接收数据的 AT 指令。

除了工程方面的挑战，蜂窝调制解调器还必须满足严格的特定地区认证和法规要求。这些认证包括全球认证，可确保与 LTE 规范兼容，使终端设备能够通过 LTE-M 或 NB-IoT 网络通信。此外，一些移动网络运营商也有自己的认证要求。

通过对 nRF9161 SiP 进行预先认证，Nordic 再次减轻了开发商的负担，使其能够在最关键的地区、关键网络和这些网络的主要 LTE 频段上运行。

使用 nRF9161 开发套件

虽然 nRF9161 SiP 缓解了与蜂窝物联网和 DECT NR+ 开发相关的一些关键硬件和软件的挑战，但创建工作原型仍需努力。为了加快设计过程，Nordic 提供了 nRF9161 DK 开发套件（图 3）和一套软件工具。该公司的 nRF Connect SDK 是这些工具的先驱，是 Nordic 无线解决方案的统一开发环境。

该开发套件集成了 SiP，且包括了必要的电路，以实现全功能原型开发。该套件配有专用的 LTE-M/NB-IoT 和 DECT NR+ 天线以及用于 GNSS 的集成贴片天线。通过板载 SEGGER J-Link，可以进行编程和调试，该套件还捆绑了一张预装数据的 SIM 卡。该器件还支持使用软件 SIM 卡，以进一步降低功耗。

图 3：nRF9161 DK 包括用于 LTE-M、NB-IoT 和 DECT NR+ 的 nRF9161 SiP，具有 LPWAN 和 GNSS 天线、用于编程和调试的板载 SEGGER J-Link 以及预加载 SIM 卡。（图片来源：Nordic Semiconductor）

初次使用 nRF9161 套件进行开发时，必须插入 SIM 卡（或激活 eSIM），将 PROG/DEBUG SW10 开关设置为“nRF91”，并使用 micro-USB 2.0 电缆将该套件与台式电脑连接。该开发套件需要 Windows、macOS 或 Ubuntu Linux 操作系统 (OS) 。

下一步是安装 Nordic 的 nRF Connect for Desktop 并激活软件。在此可以安装快速启动应用程序，这是一个用于指导设置和安装步骤的工具。该软件简化了更新开发套件固件和激活 SIM 卡的过程。要将数据从该套件传输到云端，开发人员可以建立一个 Nordic nRF 云账户或连接到其他云服务。

然后，快速启动应用程序将引导开发人员访问 Nordic 的 nRF Connect SDK。使用 Nordic 的 nRF Connect for VS Code 扩展，该 SDK 可与常见的集成开发环境 (IDE) Visual Studio Code 结合使用。SDK 用于开发应用程序且包括了一些有用的示例，如使用 GNSS、蜂窝或 Wi-Fi 定位来检索设备位置，以及将 nRF9161 套件中的传感器数据传输到云端。

一旦建立了应用，对板载 nRF9161 SiP 的 Arm 应用处理器进行编程就非常简单。第一步是使用 USB 电缆将套件连接电脑，然后为其供电。在 nRF Connect for VS Code 扩展中，开发人员必须点击“操作视图”中的“Flash”选项。此时会出现各种通知，显示编程进度并确认完成。

该开发套件还允许开发人员检查 LTE-M、NB-IoT 或 DECT NR+ 射频信号。良好的射频性能对于最大限度地扩大物联网设备与基站之间的通信距离至关重要。要进行测量，就需要在该套件的小型同轴连接器 (J1) 和频谱分析仪之间连接一条电缆（图 4）。

图 4：使用同轴电缆将 nRF9161 开发套件与频谱分析仪连接，即可测量其射频信号。（图片来源：Nordic Semiconductor）

nRF9161 DK 的高级开发工具

应用程序编程完成后，Nordic 提供两种工具，方便开发人员观察其性能。第一个是功率分析仪套件 II (PPK2)（图 5）。该独立装置可测量开发套件的电流消耗，范围在 200 nA 至 1 A 之间，分辨率在 100 nA 至 1 mA 之间。PPK2 还可为开发套件提供高达 5 V、1 A 的电压。

图 5：PPK2 可以测量运行应用程序时nRF9161 开发套件的平均和瞬时电流消耗。（图片来源：Nordic Semiconductor）

PPK2 与 nRF Connect for Desktop 软件中的 Power Profiler 应用程序配合使用。开发人员可以使用该应用程序分析 nRF9161 套件在运行应用程序时的平均和瞬时电流消耗。读数持续时间较长，同时可根据需要放大到毫秒级。测量数据可以导出，以便进一步处理。

通过功耗分析，开发人员可以了解在哪些方面可以修改应用代码以节省电能，从而延长电池的设计寿命（图 6）。

图 6：nRF Connect for Desktop 中的 Power Profiler 应用程序会显示程序运行时的电流消耗。（图片来源：Nordic Semiconductor）

Nordic 的蜂窝监视器工具有助于应用开发，并由 nRF Connect for Desktop 软件提供支持。监视器显示 nRF9161 SiP 的调制解调器在开发套件运行应用程序时的的运行情况。这包括网络性能、设备状态和数据传输。依据这些详细信息，开发人员可以分析调制解调器流量并优化应用程序的性能。信息显示在终端显示。

结束语

LTE-M、NB-IoT 和 DECT NR+ LPWAN 技术可为物联网设备提供可靠、安全和可扩展的长距离连接，但开发无线硬件和软件设备却充满挑战。Nordic 的 nRF9161 SiP、嵌入式协议软件以及支持 nRF9161 DK 的开发套件和应用程序大大降低了设计复杂性。