Od nápadu k realizaci NB-IoT čidla
V České republice můžeme jako jedni z mála na světě využívat plného pokrytí nejnovější sítí internetu věcí z rodiny 5G – Narrow Band IoT (NB-IoT). Tuto možnost máme již od roku 2018 a díky tomu se objevila i řada nástrojů, díky nimž si každý může vytvořit čidlo, které vydrží posílat informace celé roky bez nutnosti dobíjení nebo výměny baterie.
V zásadě jsou dvě cesty jak se od prvotního nápadu na LowPower zařízení dostat až k finálnímu řešení.
NB-IoT pro profíky i bastlíře
První z nich je určena specialistům, kteří dokáži zvládnout celý výrobní řetězec od prvotního návrhu, přes design PCB (Printed Circuit Board) a výběr vhodných komponent (komunikační modul, MCU, napájení, baterie, senzory, housing), zajištění výroby PCB a osazení komponent po naprogramování firmware tak, aby vyhovoval požadavkům na funkcionalitu i specifikům NB-IoT sítě.
Zde bych se na chvíli krátce zastavil. NB-IoT je tak trošku jako oheň – „dobrý sluha, ale zlý pán“. Má obrovské možnosti nastavení komunikace. Od extrémně malých paketů v jednotkách bytů až po pakety velikosti 500B – a to oběma směry, ať už ze zařízení na server či naopak. Umí buď extrémně dlouho „spát“ a tím dosahovat výdrže na úrovni fyzikálních možností baterie nebo posílat a přijímat zprávy v minutových intervalech. Můžete zařízení nastavit tak, aby vysílalo s minimálním výkonem, nebo výkon navýšit, pokud je to pro doručení zprávy potřeba, a tak dále. To žádná jiná mobilní LowPower WAN síť neumožňuje.
Zároveň však při špatné konstrukci nebo naprogramování může být celé zařízení během několika hodin odpojeno, protože porušuje pravidla pro využívání zdrojů sítě. Může se také stát, že se zákazník dočká nemilého překvapení, když je vyúčtování díky přílišnému využívání zdrojů sítě o řád vyšší než očekával.
Otevřený svět NB-IoT
Pokud tedy budu k NB-IoT přistupovat s rozumným respektem, možnosti využití jsou takřka neomezené.
Tento článek je určen spíše pro druhou skupinu vývojářů a bastlířů, kteří nemají možnosti nebo nechtějí podstupovat kompletní výrobní proces a místo toho budou chtít použít maximum dostupných hotových komponent, které si poskládají do svého finálního zařízení.
Zde je opět možnost dvojí volby. Je možné využít velmi rozšířený svět Arduino shieldu (NB-IoT shield MKR NB 1500) nebo řešení založené na jednom z nejrozšířenějších MCU pro průmyslové využití – STM32 (pro LowPower ve variantě L4). Ono vlastně i tyto dva světy je možné propojit, protože například development kit pro STM32 – Nucleo umožňuje Arduino shieldy připojit.
Cesta tak může začít třeba i jen spojením development kitu MCU a komunikačního modulu. Je tak možné propojit již zmíněné Nucleo s kitem Quectel BC66-TE-B (obsahuje i anténu) a některým ze senzorických modulů pro Nucleo (třeba měření teploty a akcelerometr). Pak už jen stačí baterie a housing, třeba z 3D tiskárny, naprogramovat STM32 a mám základní NB-IoT zařízení. Bude mít tu výhodu, že jej velmi levně „složím“ za pár minut, pokud umím programovat STM32, tak naprogramuji za pár hodin a budu mít funkční zařízení pro NB-IoT. Pak už jen stačí vložit SIMku (třeba tu od M2MC i s účtem v miotiq.com), aktivovat a nastavit komunikaci do databáze nebo aplikace.
Senzory s bižuterií
Nevýhodou tohoto řešení je to, že development kity nejsou optimalizovány pro low power řešení a Nucleo tak obsahuje spoustu bižuterie, která zvyšuje spotřebu zařízení.
Druhou možností je použití komponent kompletně založených na Arduinu. Z nepřeberné nabídky senzorických shieldů, které doplním o zmíněný MKR NB 1500, může vzniknout velmi povedené zařízení. Programování firmware pro Arduino bude jednodušší než pro STM32, spotřebu budu moci optimalizovat o něco lépe než u Development kitů. Nevýhodou je nutnost vyřešit optimalizaci antény pro B20 a B8, pásma, která se pro NB-IoT používají v Evropě.
Nevýhodou bude také vyšší cena takového zařízení, kdy součet nákladů na základní desku a různé shieldy bude vyšší než u Development kitů.
Prototyping kity pro nejsnazší NB-IoT
Třetí možností je použití prototyping kitu. Na trh je jako první uvedla česká společnost M2M Communication jako reakci na nedostatek vhodného hardware pro rychlé prototypování. Prototyping board (PGBoard) je přirozeně optimalizován pro LowPower řešení a již v základní variantě je osazen MCU, anténou, chip sim a mnoha čidly včetně GPS. Přes sériové, analogové a digitální rozhraní je navíc možné připojit mnoho externích senzorů.
Výhodou je, že si kit můžete objednat kompletní včetně housingu z průmyslového plastu a akumulátoru. Pokud si tedy vystačíte s integrovanými čidly, je zprovoznění jen otázkou naprogramování MCU. Finální produkt pak může být použit v budově i venku.
Velkou výhodou je také cena, kdy získáte kompletní zařízení za cenu několika komponent.
Všechny tři možnosti pak mají společné to, že si výsledné zařízení mohu vložit do jakéhokoli housingu, který bude vyhovovat určení zařízení a osadit optimální baterií. I zde je několik různých možností, jak napájení a ochranu vyřešit. Svět (NB-)IoT je fascinující a rychle se vyvíjí, zkuste si nějaký senzor naprogramovat, ať už s využitím Arduino, PGBoardu nebo dalších, a přesvědčte se, jak vám může ulehčit život.
O tom třeba zase v dalším článku na téma NB-IoT zařízení.
Autorem článku je Karel Krčmář. Ten je zakladatelem společnosti M2MC, která vyvinula unikátní prototypovací zařízení PGBoard. Do světa komunikací vstoupil počátkem milénia jako obchodní ředitel českého zastoupení nadnárodního operátora Telia International Carrier. Byl zodpovědný za obchodní aktivity, které zahájil podpisem první smlouvy TIC se zákazníkem v Čechách a po pěti letech končil jako Country Manager společnosti s tržním podílem 50 % zahraničních internetových linek pro operátory.
V následujících letech se podílel na mezinárodních projektech, jako bylo založení a rozvoj společnosti pro sledování objektů pomocí mobilních technologií. Cenné zkušenosti získal i u největších hráčů IT světa Hewlett-Packard a IBM. Právě v IBM, kde byl zodpovědný za divizi technologických služeb, se na základě výzkumu LowPower IoT sítí v centru v Curychu rozhodl přivést tuto technologii i do České republiky. Tato snaha byla nakonec naplněna založením vlastní společnosti, která v České republice vybudovala první mobilní IoT síť s technologií Sigfox.
Po prodeji svého podílu ve firmě v roce 2017 se rozhodl pokračovat v rozvoji IoT spoluprací s mobilními operátory. Dnes jeho společnost M2M Communication (M2MC) umožňuje zájemcům o nejmodernější IoT komunikaci nejrychlejší cestu k propojení jejich zařízení a aplikací. Unikátní integrační platforma miotiq.com, kterou M2MC využívá, je nástrojem jak zařízení zprovoznit v řádu minut s velmi malými náklady – typicky v řádu jednotek EUR ročně.
