NB-IoT модули компании Mobiletek.
Общая характеристика и практические аспекты использования

Введение

Рис. 1. Линейка предложений компании Mobiletek

Сегодня Mobiletek предлагает беспроводные технологии и модульные решения, в том числе модули сотовой связи стандартов 2G, 3G и 4G в различных форм-факторах, комбо модули сотовой связи стандарта 2G со встроенным GNSS-функционалом, навигационные модули GPS/GNSS, модули NB-IoT и высокопроизводительные интеллектуальные (SMART) модули, действующие на базе ОС Android 5.1–6.0, поддерживающие LCD-графику с высоким разрешением и встроенный функционал Wi-Fi/GNSS/BT (рис. 1).

Модули LYNQ и их программное обеспечение разрабатываются квалифицированной командой специалистов.

Штаб-квартира компании находится в Шанхае, научно-исследовательский центр в Чэнду, а производственные площадки в Шэньчжэне. Потенциал производства — более 2 млн модулей в месяц. Проекты компании отмечены престижными наградами крупных промышленных форумов и потребительских ассоциаций.

Shanghai Mobiletek Communication Ltd. — это динамично развивающаяся инновационная компания, коллектив высококвалифицированных профессионалов, сумевших в достаточно короткие сроки создать функционально полную линейку высококачественных и высокотехнологичных продуктов для индустрии IoT и достичь впечатляющих объемов производства и внедрения. Это тысячи предприятий, использующих решения от Mobiletek в своих разработках, квалифицированная техническая поддержка, унифицированные отладочные средства для всей линейки, экспертиза клиентского дизайна, регистрация и сопровождение проектов.

Модули NB—IoT

Общая характеристика

Разработка специализированных беспроводных модулей для сетей IoT— одно из преимуществ компании Mobiletek. Прежде всего, это четыре модели модулей формата NB-IoT. Для российского рынка рекомендованы три из них — L700E, L610Eи новинка 2018 года — сверхминиатюрный L620, попиново совместимый с уже хорошо зарекомендовавшим себя 2G-модулем L206D.

Для сложных комплексных решений интересен многофункциональный мультформатный IoT-модуль L700, построенный на платформе Qualcomm MDM9206, обеспечивающий высоконадежный обмен данными и поддерживающий (в своих различных модификациях) форматы LTECAT-M1 и CAT-NB1, а также GSM/GPRS/EDGE и навигационный функционал GPS+GLONASS.

Семейство беспроводных NB-IoT-модулей от Mobiletek управляется через последовательный интерфейс посредством стандартных AT-команд, совместимых со стандартным набором команд Hayes AT, ETSI GSM 07.07 и ETSI GSM 07.05, поддерживающих высокую степень совместимости с существующими прошивками (SW) других модулей производителя. Кроме того, семейство беспроводных модулей Mobiletek поддерживает и собственные прикладные AT-команды для специальных целей.

Технические данные перечисленных выше модулей приведены в таблице 1.

Модуль L700E

В функциональном отношении L700E— это комбомодуль, оптимально отвечающий текущим запросам разработчиков и конечных потребителей, а также тенденциям эволюционного развития сетей сотовой связи в Европе и Российской Федерации. Модуль поддерживает протоколы TCP/UDP/COAP/FTP/HTTP/SMTP.

Рис. 2. Форм-фактор модуля L700E

Размер L700 всего 30×30×2,6 мм, устройство выполнено в 87-пиновом корпус с LCC-контактами (рис. 2, 3), при этом выбранный для его реализации форм-фактор попиново коррелирован с 3G- и 4G-модулями многих известных производителей (внутри линеек Mobiletek речь, прежде всего, о модулях L306Eи L506E соответственно). При всей своей универсальности L700 экономичен по цене, тем не менее, имеет высокую степень интеграции, что делает его максимально удобным для разработки самого широкого спектра клиентских приложений.

Рис. 3. Распиновка модуля L700E (пины, отмеченные символом #, имеют режим мультиплексирования)

Дополнительные «земляные» LGA-площадки под корпусом модуля предназначены для улучшения надежностных характеристик его паяного соединения с печатной платой, обеспечения механической прочности конструкции в целом (в том числе и при воздействии вибрационных и ударных нагрузок), а также равномерного рассеивания тепла работающего модуля по печатной плате.

Во многом модуль L700E — это переходное нишевое решение, направленное на заполнение лакун, возникающих в реализованных ранее зонах покрытия 2G-сетей в результате постепенного перераспределения их частот под нужды более продвинутых технологий сотовой связи — речь, прежде всего, идет о диапазоне В8 (900 МГц), передаваемом под развертывание 3G и 4G. В связи с этим в ряде центральных регионов России сегодня наблюдается ухудшение условий покрытия сот 2G, ресурс которых до сих пор используют многочисленные функционирующие беспроводные М2М-решения самых разных производителей (рис. 4). В ряде стран — например, в Норвегии и значительной части Италии — 2G-сети уже отсутствуют как класс, что, собственно, и отмечается российскими компаниями, которые занимаются международными перевозками и на этих территориях начинают «терять» свои транспортные средства, оснащенные 2G-трекерами. В этом смысле комбомодуль L700Eпредставляется более чем удачным решением описанной проблемы.

Рис. 4. Дрейф принадлежности традиционных 2G частот диапазона B8 в подмосковном регионе

Попиновое сравнение модулей L700E, L306E и L506E приведено в таблице 2. Незначительные различия в функциональном назначении некоторых пинов выделены красным цветом.

Рисунок, иллюстрирующий дрейф принадлежности частот, составлен по результатам сканирования базовых станций в подмосковном Жуковском. Правая часть рисунка соответствует текущему положению дел, левая — ситуации с покрытием 2G пять лет назад. Естественно, что для пользователей, регулярно меняющих сотовые телефоны на более современные модели, начавшееся вытеснение стандарта 2Gосталось за кадром. Неудобства испытывают лишь те их друзья и знакомые, кто до сих пор пользуется аппаратами 7–10-летнего возраста (only 2G). Как правило, они интерпретируют свои проблемы как «сигнал стал плохим», а в ответ получают отповедь от владельцев более современных моделей, заявляющих, что сигнал в порядке, и советующих заменить их раритет более современным решением.

Совет действенный. Жаль только, что для еще вчера безупречно функционировавших М2М-устройств он не всегда приемлем. Как правило, в силу их стационарного размещения в местах с ухудшившимися условиями приема и зачастую по причине их гораздо меньшей функциональной универсальности (в сравнении с теми же сотовыми телефонами), определяющейся уникальностью возможностей, реализуемых М2М-устройствами, и большим разнообразием способов их исполнения.

Благодаря своей универсальности переходные решения вполне способны справиться с описанной проблемой, а высокая степень коррелированности дизайна модуля L700Eс подобными устройствами на с 3G- и 4G-модулях позволяет в сжатые сроки выполнить редизайн части таких решений для случаев, где информационный обмен изначально не требует больших скоростей и замена устройства более доступным аналогом вполне рациональна. В новых разработках переходного периода модуль L700E оптимален для использования в трекерах (рис. 5).

Рис. 5. Функциональная схема типового трекера

Тем не менее тема телеметрии, вендинга, фискальных устройств и других сервисов, имеющих встроенный функционал местоопределения, тоже становится все более актуальной. В этом случае аппаратное решение перечисленных устройств приобретает явное сходство с аппаратными решениями наиболее продвинутых трекеров.L700E вполне удобен и для такого применения.

Рассмотрим устройство типовых трекеров. Большинство из них содержит следующие узлы:

• GSM-модуль (в последнее время актуален дрейф в сторону решений на основе 3G- и NB-IoT-модулей);
• GNSS-модуль;
• антенну GSM+LTE;
• антенну GNSS (в большинстве случаев — активную);
• центральный процессор;
• модуль энергонезависимой FLASH-памяти;
• драйвер питания;
• блок входов/выходов;
• порт USB (опционально).

Очевидно, что относительно первых двух пунктов L700E позволяет реализовать дизайн трекера, полностью удовлетворяя потребности пользователей в необходимом функционале. При этом наличие двух форматов беспроводной коммуникации с неким контролирующим центром не только решает проблемы дрейфа частот в период их перезакрепления за обновляемыми технологиями сотовой связи, но и заметно повышает ее качество и надежность с подвижными объектами. Помимо прочего, это решение отличается весьма доступной ценой и компактностью, а потому предпочтительнее варианта, при котором те же задачи решаются разными модулями.

Пиковый ток модуля L700E в режиме 2G при включении GSM-передатчика может достигать 1,8 А (при средних значениях тока ~ 0,9–1,5 А). Таким образом, включение передатчика вызывает падение питающего напряжения, для минимизации которого источник питания должен обеспечивать ток в нагрузке не менее 2 А. При падении напряжения питания модуля ниже 3,4 В его работоспособность не гарантируется.

Основная причина внутрисистемных помех для L700E— функционирование его GSM-части (рис. 6).

Рис. 6. Импульсная диаграмма питающих напряжений и токов при работе GSM/GPRS-части модуля L700E

Заметное влияние на устойчивость работоспособности NB-IoT-модулей оказывает соблюдение рекомендаций производителя в части реализации обвязки сигнальных цепей. Прежде всего, относительно схемных решений цепей питания и дизайна печатной платы. Так, емкости в цепях питания модулей, основное назначение которых — борьба с внутрисистемными помехами, должны устанавливаться в порядке возрастания их номинала (причем самый маленький из конденсаторов замыкает ВЧ-наводку непосредственно на входе VBAT, остальные шунтирующие конденсаторы устанавливаются максимально близко к пинам VBAT), как видно на рис. 7. Игнорирование этих рекомендаций может серьезно сказаться на функционировании разрабатываемого устройства.

Рис. 7. Подключение питающего напряжения к модулю L700E

Использование танталовых конденсаторов большой емкости с низким ESR = 0,7 (номиналом выше 300 мкФ на схеме указаны как C2 доп. и С4 доп.) — лучший способ уменьшить падение напряжения источника питания. Если его ток не превышает 2А с некоторым запасом, то следует использовать конденсатор большей емкости (до 1000 мкФ) для обеспечения хранения необходимого компенсационного заряда. Кроме того, для улучшения характеристик ЭМС системы и обеспечения требуемой стабильности ее функционирования нужно использовать многослойные керамические чипы (MLCC) (номиналы 0,1/1 мкФ на рис. 7) с низкими значениями ESRна высоких частотах.Так, установка дополнительных конденсаторов номиналом 10 и 33 пФ достаточно эффективно устранит высокочастотные наводки и от самого модуля, и от внешних по отношению к нему устройств. При питании устройства от сети также рекомендуется устанавливать на шину питания как можно ближе к модулю стабилитрон (диод Зенера) с рабочим напряжением 5,1 В/500 мВт, предотвращающий его повреждение за счет пульсаций напряжения и тока.

В таблице 3 приведены рекомендуемые защитные стабилитроны.

Трассы питающей шины VBATи «земляной» шины на печатной плате не должны быть уже 2 мм, чтобы минимизировать их сопротивление, а длина питающих проводников — минимальной.

Потребляемый ток в режиме отключения питания power-off (когда выключение модуля выполняется через пин PWRKEYлибо командой AT+CPOF) — не более 7 мкА.

Мониторинг состояния источника питания (контроль напряжения VBAT) и энергосберегающих режимов модуля может осуществляться самим модулем посредством AT-команд.

Модуль L610E

L610E— недорогой компактный высокоинтегрированный модуль NB-IoT, имеющий отличные показатели надежности и построенный на платформе того же самого чипа MDM9206 от Qualcomm. В функциональном отношении это частично урезанный вариант комбомодуля L700E, оптимально отвечающий текущим запросам разработчиков при реализации менее сложных проектов в беспроводном секторе IoT. Модуль поддерживает протоколы TCP/UDP/FTP/HTTP/SMTP, выполнен в 64-пиновом корпусе с LCC-контактами, с размерами 21,5×25×2,6 мм (рис. 8, 9). Выходная мощность встроенного передатчика модуля регулируется в пределах –40…+23 дБм, чувствительность приемника составляет –102…–121,8 дБм в различных режимах работы. Для обеспечения устойчивости модуля L610Eтребуется использовать стабилизированный источник питания с нагрузочной способностью не менее 1A(пиковый потребляемый ток 460 мА). Схема питания модуля аналогична приведенной на рис.7.

Рис. 8. NB-IoT модуль L610E

Потребляемый ток в режиме глубокого сна power-save (Deepsleep) mode (когда выключение модуля выполняется через пин PWRKEY либо командой AT+CPOF) — не более 7 мкА.

Рис. 9. Распиновка модуля L610E (пины, отмеченные символом #, имеют режим мультиплексирования)

Модули L700E и L610E поддерживают функционирование высокоскоростного интерфейса USB2.0.

Допустимый интервал питающих напряжений (VBAT) для L700E и L610E составляет 3,4–4,2 В, тем не менее производитель настоятельно рекомендует использовать значение 3,8 В как наиболее оптимальное. При выходе величины питающего напряжения за указанные границы срабатывает схема защиты модулей, и они автоматически отключаются. То же самое происходит при их перегреве или переохлаждении сверх границ установленного эксплуатационного температурного диапазона.

Модуль L620

L620 реализован на чипсете MT2526 от компании MediaTek. Естественно, это обстоятельство определяет его основные отличия от модулей L700E и L610E в функциональном отношении, созданных на MDM9206 от Qualcomm.Но, прежде всего, L620 — самый бюджетный и компактный из NB-IoT-модулей компании Mobiletek, имеющий набор возможностей, оптимально отвечающих решению сравнительно простых, но тем не менее наиболее востребованных задач беспроводного сегмента сетей IoT: реализованная скорость обмена 25/20 (single-tone) или 60 кбит/с (multi-tone) (DL/UL).

Рис. 10. NB-IoT модуль L620

Модуль выполнен в миниатюрном 45-пиновом форм-факторе (рис.10 и 11) с LCC-контактами и имеет размеры 15,8×17,6×2,3 мм. Диапазон питающих напряжений L620 составляет 2,1–3,6 В (рекомендуемое значение 3,3 В). Для обеспечения устойчивой работы модуля L620 требуется стабилизированный источник питания с нагрузочной способностью не менее 1A. В режиме глубокого сна модуль потребляет 3,5 мкА (при питании от источника 3,3 В).

Рис. 11. Распиновка модуля L620

Форм-фактор модуля L620 совместим с наиболее массовым 2G-модулем компании Mobiletek— L206D(создан на платформе MT6261D). Отметим, что L206 — это унифицированная линейка из шести 2G-модулей, различающихся программно и аппаратно, реализованных на базе процессора ARM7EJ-S 260 МГц и использующих чипсеты MT6261M и MT6261D в разных аппаратных исполнениях.

Попиновое сравнение модулей L620 и L206D приведено в таблице 4. Малосущественные с точки зрения дизайна печатной платы различия в функциональном назначении отдельных пинов этих модулей выделены красным цветом.

Модуль L620 поддерживает протоколы UDP/TCP/SNTP/MQTT/HTTP/CoAP/TLS/LwM2M/OneNet. Выходная мощность его встроенного передатчика регулируется автоматически в пределах –40…+23 дБм, чувствительность приемника составляет –107…–139 дБм в различных режимах работы.

Обновление прошивки модуля выполняется через UART.

Нестандартное использование модулей NB—IoT

По скоростным показателям модули L700E и L610E вполне сопоставимы с современными 2G-модулями. Вместе с тем они не имеют на борту аудиокодека, что, несмотря на наличие PCM-интерфейса, заметно сужает сферу их практического использования. При этом решение вопроса с аудиоканалом может быть довольно как простым —с помощью стандартных кодеков от различных производителей (к примеру, TDA7801 или TDA7802 от компании ST), так и достаточно продвинутым — с удаленным управлением функционированием аудиоканала, реализованного в точке размещения радиомодуля (рис. 12).

Рис. 12. Вариант реализации аудиоканала с использованием модулей NB-IoT

Заключение

Линейка модулей NB-IoT компании Mobiletek обеспечивает реализацию основных потребностей рынка в беспроводном сегменте решений IoT, предоставляя разработчикам достаточно широкий выбор не только в части поддерживаемого функционала, но и в отношении миниатюризации клиентских решений, а также различных вариантов исполнения автономно работающих устройств с батарейным питанием.