Бездротовий зв'язок у системах IoT з використанням модулів Arduino MKR
Бездротовий зв'язок у системах IoT з використанням модулів Arduino MKRДата публікації: 11-06-2021 Дата оновлення: 24-03-2026 🕒 7 час читання
Однією з найбільших проблем, з якими стикається наразі ринок пристроїв Інтернету Речей (IoT), є його велика фрагментація. Різноманітність пристроїв та протоколів зв'язку значно ускладнює створення єдиної та функціональної системи, якщо ми вирішимо використовувати елементи від різних виробників. Причин цього поділу багато, і не завжди вони пов'язані виключно з бажанням проектувальників просунути власні, ліцензовані рішення. Поняття IoT охоплює багато типів пристроїв. Це можуть бути, наприклад, невеликі вимірювальні датчики, що живляться від альтернативних джерел енергії і потребують обміну невеликою кількістю даних на великі відстані, а також віддалені камери, що передають зображення високої роздільної здатності в реальному часі. Таким чином, специфіка проектованого пристрою змушує конструкторів вибирати відповідну технологію бездротового зв'язку, адекватну вимогам, що висуваються до проектованого пристрою. Потрібно враховувати, зокрема, час життя батареї, дальність зв'язку чи кількість переданих даних. Відповідаючи на потреби ринку, виробники комплектів для розробки (включаючи платформу Arduino) подбали про те, щоб їхній асортимент максимально покривав потреби конструкторів пристроїв IoT. У статті ми представляємо коротку характеристику обраних комплектів для розробки Arduino з родини MKR, підготовлених для швидкого прототипування пристроїв IoT, що використовують бездротовий зв'язок у таких стандартах, як WiFi/Bluetooth, LoRaWAN/Sigfox, GSM/3G чи NB-IoT.
Комунікація WiFi/Bluetooth з Arduino MKR 1000/1010
Комунікація в діапазоні частот ISM 2,4 ГГц з використанням стандартів WiFi та Bluetooth вже кілька років функціонує на ринку пристроїв IoT. Для швидкої реалізації апаратно-програмних прототипів, що використовують комунікацію WiFi, компанія Arduino розробила комплекти для розробки Arduino MKR WiFi 1000 та MKR WiFi 1010. Перший з перелічених комплектів базується на модулі ATSAMW25, що містить мікроконтролер SAMD21, радіочастотний тракт WINC1500 та чіп авторизації ECC508. Комплект у версії MKR 1010 оснащений радіомодулем NINA-W102 компанії u-blox, який пропонує комунікацію Bluetooth/BLE.
Фото 1 і 2. Модулі Arduino MKR WAN 1000 (зліва) та MKR WAN 1010 (справа).
З боку програмного забезпечення, компанія Arduino для модулів MKR WiFi 1000 надає бібліотеку WiFi101, що підтримує шифрування WEP та WPA2 Personal. Для модуля MKR WiFi 1010 (та інших комплектів, що базуються на модулі u-blox NINA-W102, включаючи Arduino NANO 33 IoT) виробник підготував бібліотеку WiFiNINA, а також ряд прикладних додатків, що демонструють інтеграцію з хмарою Android IoT Cloud та Azure, AWS IoT Core, Google Firebase чи Blynk.
Комунікація LoRaWAN та Sigfox – модулі Arduino MKR WAN 13x0 та FOX 1200
Динамічний розвиток систем IoT призвів до зростання інтересу до тематики розумних міст. На жаль, зв'язок з використанням стандартів WiFi/Bluetooth/BLE має локальний характер і не відповідає всім вимогам, що висуваються до проектів з групи «Smart City» (до яких належать, зокрема, розгалужені мережі датчиків забруднення, моніторингу рівня води чи зайнятості паркувальних місць). Рішенням проблем може бути використання одного з двох найпопулярніших на сьогодні стандартів комунікації в області мереж LPWAN (англ. Low Power Wide Area Network) – LoRaWAN або Sigfox, що дозволяють передавати невелику кількість даних на великі відстані. Для швидкого прототипування пристроїв, що використовують комунікацію LoRa/LoRaWAN, проектувальники Arduino підготували комплекти для розробки MKR WAN 1300, та його наступника MKR WAN 1310. Обидва модулі базуються на мікроконтролері Atmel SAMD21, що використовується в інших модулях серії Arduino MKR, а також на радіомодулі Murata CMWX1ZZABZ. Нова версія модуля додатково оснащена 2MB пам'яті Flash, новим чіпом зарядки батареї та - оптимізованими для низького споживання енергії - схемами живлення.
Фото 3 і 4. Модулі Arduino MKR WAN 1300 (зліва) та MKR WAN 1310 (справа).
Модулі MKR WAN 13x0 співпрацюють з наданою виробником хмарою Arduino IoT Cloud. Комплексність наданих рішень доповнює оптимізована для модулів MKR WAN 1310 шлюзова станція Arduino Pro Gateway LoRa Connectivity.
Цікавою альтернативою для комунікації LoRa/LoRaWAN є стандарт Sigfox, що приділяє особливу увагу комунікації від вузлів до шлюзової станції. З пропозиції компанії Arduino для конструкторів доступний модуль MKR FOX 1200, побудований на основі мікроконтролера Atmel SAMD21. За радіозв'язок відповідає чіп Microchip Smart RF ATA8520, радіочастотний тракт якого налаштований на частоту ISM 868 МГц, що діє в Європі.
Фото 5. Модуль Arduino MKR FOX 1200 для реалізації комунікації в мережі Sigfox.
Комунікація GSM/3G – модуль Arduino MKR GSM 1400
Навіть розгалужена сітчаста мережа (Mesh), що працює в стандарті LoRa/LoRaWAN, наразі не здатна забезпечити глобальне покриття. У випадку проектів IoT, що вимагають майже необмеженої територіально комунікації, найкращим рішенням є використання стандарту GSM/3G. Для потреб комунікації GSM/3G компанія Arduino підготувала модуль MKR GSM 1400, оснащений модемом SARA-U210 компанії u-blox та чіпом авторизації Microchip ECC508 для реалізації механізмів безпеки комунікації. Вбудований у комплект модем GSM забезпечує покриття комунікації в діапазонах GSM 850 МГц, E-GSM 1900 МГц, DCS 1800 МГц та PCS 1900 МГц.
Для полегшення процесу підготовки програмного забезпечення, виробник надає бібліотеку MKRGSM (звільняючи програміста від обробки модуля за допомогою низькорівневих команд AT), разом з багатим набором прикладів (включаючи, зокрема: зв'язок GPRS, прийом/відправку текстових повідомлень, обробку голосових дзвінків). Модуль MKR GSM 1400 може працювати як з програмним забезпеченням Arduino IoT Cloud, так і з альтернативними хмарними рішеннями: Google IoT Cloud, Blynk чи SORACOM Air IoT, для яких виробник підготував набір прикладних реалізацій.
Фото 6. Модуль Arduino MKR GSM 1400 для реалізації комунікації в мережі GSM/3G.
Комунікація в мережі Narrowband IoT – модуль Arduino MKR NB 1500:
Здійснюючи коротку характеристику обраних стандартів комунікації в рамках пристроїв Інтернету Речей, не можна оминути рішення, що базуються на стандарті Narrowband IoT (NB-IoT), які використовують для комунікації ліцензований діапазон LTE 800 МГц. Подібно до рішень LoRaWAN і Sigfox, NB-IoT входить до групи мереж LPWAN, а отже, забезпечує стабільну комунікацію на великих територіях, використовуючи енергоефективні радіомодулі, що забезпечують багаторічну роботу пристрою при живленні від батареї. Таким чином, це є ще однією альтернативою для комунікації LoRaWAN і Sigfox у рішеннях з сегменту «Smart City».
Для швидкого прототипування кінцевих вузлів, що працюють у стандарті NB-IoT, компанія Arduino підготувала комплект MKR NB 1500, оснащений модулем u-blox SARA-R410M-02B, що дозволяє отримати зв'язок LTE Cat M1/NB1 у діапазонах 1, 2, 3, 4, 5, 8, 12, 13, 18, 19, 20, 25, 26 та 28. Додатково комплект MKR NB 1500 оснащений чіпом авторизації ECC508 компанії Microchip, роз'ємом для карти MicroSIM, контролером зарядки батареї Li-Po та роз'ємом для зовнішньої антени.
Фото 7. Модуль Arduino MKR NB 15 для реалізації комунікації в мережах Narrowband IoT.
Transfer Multisort Elektronik (TME) є одним із найбільших світових дистриб’юторів електронних компонентів, електротехнічних виробів, обладнання для майстерень та промислової автоматизації. Каталог містить понад 1 300 000 товарів від 1 300 провідних виробників. Сучасні логістичні центри TME у Лодзі та Рзгові (Польща), загальною площею понад 40 000 м², щодня відправляють майже 6 000 посилок клієнтам у більш ніж 150 країнах.
TME також інвестує у розвиток знань та навичок молодих інженерів і любителів електроніки через проєкт TME Education, а також підтримує технологічну спільноту, організовуючи серію заходів TechMasterEvent, що сприяють інноваціям та обміну досвідом.
