Кому это надо?
Когда мы начали разворачивать сеть NB-IoT (почитать больше о сети NB-IoT можно здесь), на нас со всех сторон посыпались различные вопросы. Крупные производители, которые много лет работают на рынке M2M устройств, стартапы, начинающие разработчики и просто любители интересовались режимами работы сети, протоколами передачи данных, даже управлением радиомодулем АТ-командами. Нас спрашивали, какие частоты (band) используются, как работает режим power save mode, как устройство и сеть согласуют соответствующие таймеры, как, используя протокол транспортного уровня UDP, добиться гарантированной доставки сообщения, как задать APN и выбрать определенный band (частотный диапазон). И множество других вопросов.
В ходе тестов мы также обратили внимание, что многие устройства не адаптированы для работы в сети NB-IoT и в результате работают некорректно. Например, использование протокола передачи данных с транспортным уровнем TCP приводит к высокому объему передаваемого трафика, а также к трудностям при работе в сложных радиоусловиях. Другая распространенная проблема использование радиомодуля в режиме по умолчанию, в котором модуль сам включает eDRX: это вводит пользователя в заблуждение, так как он не может принять данные в произвольный момент времени.
К нам стали обращаться ВУЗы, специализирующиеся на телекоммуникациях, которым интересно изучить на реальных устройствах технологии LPWAN, в том числе NB-IoT, и разработчики-любители, которые хотят поэксперементировать и создать собственное IoT-решение для умного дома или даже умного города.
Мы решили, что лучший способ ответить на все эти вопросы создать development kit, на котором можно будет максимально быстро научиться работать с сетью интернета вещей.
Из чего состоит набор?
Мы сделали решение, с которым можно сразу начинать работать, ничего не приобретая дополнительно. Как уже говорилось выше, в комплект входит аппаратная часть, коннективити, то есть доступ к сети NB-IoT, и доступ к IoT-платформам.
В состав аппаратной части входит радиомодуль Ublox SARA-R410, микроконтроллер STM32L152RE, кабели, антенны и программатор. На основной плате установлены акселерометр и температурный датчик. Плата расширения в форм-факторе Arduino-shield содержит GNSS модуль.
Модуль идентификации в сети входит в базовый набор и выполнен в виде SIM-чипа NB-IoT с безлимитным трафиком на год. Пользователю не нужно тратить время на подключение SIM-карты и выбирать тариф, кроме того, SIM-чип обеспечивает большую надежность: он не подвержен перепадам температур, влажности и вибрациям. Также вместе с комплектом пользователь получает готовую учетную запись на платформе IoT с настроенными виджетами и возможностью гибко настраивать виджеты самостоятельно дополнительно получать и оплачивать аккаунт не потребуется.
Также по запросу возможна активация функционала NIDD и возможность работы через узел SCEF (Service Capability Exposure Function) сети NB-IoT МТС. Сервис снимает с разработчика необходимость идентификации и аутентификации устройств и предоставляет возможность клиентским серверам приложений (Application Server) получать данные и управлять устройствами через единый API-интерфейс. В России ни один другой оператор интернета вещей не предоставляет такую возможность.
Возможности демонстрационной прошивки
Демонстрационная прошивка содержит функциональное меню, которое позволяет новичкам сразу приступить к работе. Достаточно лишь подключить плату и получить регистрационные данные. Прошивка реализует функциональное меню, доступ к которому мы получаем, подключившись через любую терминальную программу. Можно воспользоваться знакомой многим PuTTY. Мы также рекомендуем удобную и бесплатную утилиту от Ublox: m-center
Выглядит меню так:
*** Welcome to MTS NB-IoT Development Kit service menu ***
Firmware version: 2.3 beta 2, 28.05.2020
Current settings found in EEPROM:
Target IP: 195.34.49.22
Target port: 6683
Target URL: /api/v1/devkitNIDDtest03/telemetry
NIDD APN: devkit.nidd
Use NIDD for telemetry: 1
Board mode on startup: service menu
Telemetry interval
(in logger mode): 1000 ms
GNSS privacy mode: 0
Type in a function number from a list below and press enter.
Target server setup:
1 set the URL of the resource JSON data will be transmitted to
2 set the IP address
3 set the port
4 set an APN for NIDD access or turn NIDD mode ON or OFF
System functions:
5 force send telemetry packet
6 wait for incoming NIDD data during specified timeout
7 enter direct AT-command mode
8 enter true direct mode to access the RF module
CAUTION: to exit this mode you will have to reboot the board physically
9 show ICCID, IMEI, IMSI and MCU serial number
10 show network information
11 set telemetry transmission interval
12 set GNSS privacy mode
(hide actual location data when transmitting on server)
13 set firmware startup mode (setup or logger)
14 read on-board sensors and try to acquire GNSS data
15 reboot MCU
16 reboot RF module
17 factory setup & test
(do not use this unless you really know what you want)
Первые четыре пункта меню позволяют настроить параметры соединения с платформой (URI-path, IP, порт, параметры NIDD). Пятый пункт позволяет отправить пакет, содержащий данные с датчиков на плате.
Пример того, как выглядит результат отправки пакета по протоколу CoAP:
Using IP method.
Sending data to iotsandbox.mts.ru:6683/api/v1/devkitNIDDtest03/telemetry
Telemetry:
{'interface':'telemetry', 'ICCID':'89701012417915117807', 'Tamb_degC':24, 'aX':-14, 'aY':23, 'aZ':244, 'RSSI_dBm':-81, 'latitude':55.768848, 'longitude':37.715088, 'GNSS_data_valid':1}
(184 bytes)
Raw CoAP data (225 bytes):
5102000000B36170690276310D036465766B69744E4944447465737430330974656C656D65747279FF7B27696E74657266616365273A2774656C656D65747279272C20274943434944273A273839373031303132343137393135313137383037272C202754616D625F64656743273A32342C20276158273A2D31342C20276159273A32332C2027615A273A3234342C2027525353495F64426D273A2D38312C20276C61746974756465273A35352E3736383834382C20276C6F6E676974756465273A33372E3731353038382C2027474E53535F646174615F76616C6964273A317D
Server response code: 2.03, response time = 664 ms.
Server response dump:
5143067000
Переданные данные мы видим на платформе:
Пункт меню 14 позволяет считать данные с датчиков на основной плате и на плате расширения, вот пример того, что мы увидим:
On-board sensors data:
temperature: 23
accelerometer: X = -3 Y = 4 Z = 249
Accelerometer signature value is correct.
Testing GNSS option
GNSS string:
$GNGLL,5546.12120,N,03742.89412,E,133220.00,A,D*75
Parsed data:
latitude = 55.768687
longitude = 37.714902
Можно прочитать идентификаторы радиомодуля и микроконтроллера, используя пункт 7 меню. В таком случае ответ будет:
Board identification data
SIM card ICCID: 89701012417915117807
AT+CCID
+CCID: 89701012417915117807
OK
RF module IMEI: 359215103260015
AT+CGSN
359215103260015
OK
IMSI:
AT+CIMI
250011791511780
OK
MCU serial number:
0x393533307473832200
Используя пункт 10 меню можно считать сетевые параметры NB-IoT, вот пример вывода:
RSSI = -75 dBm (valid range is -111 to -51 dBm)
SNR = 22 dB
RSRP = -83 dBm (valid range is -141 to -44 dBm)
Cell ID = 753621
EARFCN = 1711
Также можно перейти в режим прямого управления радиомодулем посредством АТ-команд, используя пункт меню 8. Эта функция переводит Development kit в режим отладочной платы радиомодуля. Ниже пример прямого управления радиомодулем с командами обмена данными между устройством и сервером в режиме NIDD:
Entering true direct mode.
From now on everything you type into a terminal will be transferred to the RF module as is
(and similarly in reverse direction).
NOTICE: No special commands supported here, for nothing is between you and the RF module.
YOU NEED TO REBOOT THE BOARD PHYSICALLY TO EXIT THIS MODE.
at+cereg?
+CEREG: 0,1
OK
AT+COPS?
+COPS: 0,0,MTS RUS MTS RUS,9
OK
at+cgdcont?
+CGDCONT: 1,NONIP,devkit.nidd,0.0.0.0,0,0,0,0
OK
AT+CRTDCP=1
OK
AT+CSODCP=1,16,"{'test':'hello'}"
OK
+CRTDCP:1,5,Hi hi
Меню демонстрационной прошивки позволяет также включить режим постоянной отправки данных с датчиков с заданной периодичностью, реализует обратный канал передачи данных и другие функции.
Для продвинутых пользователей открыты исходные коды прошивки, можно оценить логику работы устройства на уровне кода, внести изменения и экспериментировать. Со стороны облачной платформы доступны инструменты для обработки данных: виджеты, панели управления, инструменты Интеграции, позволяющие принять данные в любом формате в протоколах UDP, TCP и Non-IP. Инструмент Конвертер данных позволяют привести получаемый поток данных к виду понятному платформе.
DevKit и Ардуино
Несмотря на критическое отношение части профессионалов к Ардуино, которые указывают на неоптимальный код и на то, что библиотеки написаны не профессиональными разработчиками, мы изначально хотели сделать DevKit совместимым с Ардуино. Arduino IDE пользуется популярностью среди разработчиковлюбителей, а также может применяться в учебных программах ВУЗами.
DevKit полностью совместим с Ардуино R3 по своему духу, архитектуре, и разьемам. Для устройства были разработаны все сопутствующие файлы поддержки, так что оно устанавливается в Arduino IDE штатным образом.
В состав пакета для Arduino IDE включены необходимые инструменты и библиотеки, а также ряд примеров с исходными текстами. Программная совместимость с другими платами Arduino на основе STM32 позволяет использовать написанные для них библиотеки, а также загружать рабочие скетчи практически без изменений. Для программирования DevKit из Arduino IDE необходимо установить ПО STMCubeProgrammer, которое можно скачать с сайта компании STM. Наши разработчики продолжают наполнять пакет для Arduino новыми библиотеками и примерами.
В качестве простейшего примера работы с Arduino IDE рассмотрим загрузку примера Blink (мигание светодиодом). На изображении ниже можно увидеть результат загрузки и компиляции данного скетча из меню Файл Примеры 01.Basics
Поддерживаемые интегрированные среды разработки
Разработка демонстрационной прошивки производилась в интегрированной среде Em::Bitz. Программный код примера рассчитан на компиляцию с помощью GCC. Для разработки пользовательского кода пригодны любые IDE, поддерживающие семейство микроконтроллеров STM32L15x. Например, Arduino IDE, IAR Embedded Workbench, Keil uVision MDK ARM и другие.
Расширение функциональности
Функциональность можно расширять как с помощью шилдов, так и подключая любые дискретные датчики.
Установка GNSS-шилда превращает DevKit в GPS/GLONASS трекер.
Добавляем еще один шилд и получаем дополнительную возможность записи данных на карточку памяти и часы реального времени.
Можно подключить специальный шилд и добавить функциональность Ethernet и карту памяти.
Подключая датчики скорости и направления ветра получаем NB-IoT метеостанцию
Подключаем ультразвуковой датчик и реле управления насосом получаем автомат контроля уровня жидкости в емкости.
В следующем материале покажем на практике, как собрать на основе NB-IoT DevKit устройство интернета вещей. Заказать NB-IoT Development Kit можно уже сейчас на нашем сайте.
Авторы:
старший менеджер группы планирования сети IoT Виталий Бачук
ведущий эксперт направления МТС Виктор Лучанский
руководитель группы планирования сети IoT Андрей Плавич
