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通過利用運營商已經到位的蜂窩基礎設施,設計者可以使用這個網絡而不是Wi-Fi或替代的網絡接口來收集數據或提供遠程管理。對于小到中等大小的數據包來說,蜂窩網絡可以減少大型分布式系統的硬件預算,因為對于連接到蜂窩網絡的每個設備都不需要本地Wi-Fi熱點或中繼器。此外,蜂窩調制解調器具有比Wi-Fi或其它無線網絡接口更長的范圍(信號可以進一步)。
根據您需要的數據傳輸速率和需要連接的區域中的可用載波,有多種蜂窩選項。目前使用的各種標準包括GSM/GPRS、CDMA2000、HSPA、EVDO/CDMA、EDGE和LTE。在一些地區,2G蜂窩服務可以提供低達約40 kbs/s的低數據速率連接,對于更快的連接,諸如邊緣和CDMA2000和HSPA+的3G服務可以分別提供高達約3.1兆比特/秒和21兆比特/秒的數據速率,而對于最高數據傳輸速率,4G(LTE)SE。RVICES,EVDO/CDMA,和HSPA+可以提供高達100兆比特/秒的數據傳輸速率,這取決于載波。此外,公司現在正在研究所謂的5G網絡,當它成為現實時,它可能會提供另一個十倍的數據傳輸速度,可能是在2016/2017個時限或更晚。
幸運的是,對于機器到機器(M2M)通信,大多數數據傳輸不涉及大量數據,而是使用幾百到幾千字節的短脈沖串。然而,傳輸速度仍然是重要的——短的高速數據突發往往比慢的、連續的數據流消耗更少的功率。短脈沖串允許基帶處理器在其掉電模式下花費更多的時間,從而大大降低功耗。
在任何蜂窩調制解調器的核心是基帶處理器,由于過去幾年生產的大量手機,基帶處理器已經集成到一個芯片上,從而簡化了調制解調器的設計。Skywire家族中的一個典型的調制解調器模塊從NimbeLink(圖1)被擠壓成XBEE模塊格式(29×33×6.5毫米),由Digi International創建。這樣的模塊也廣泛地應用在開發板上,例如各種ARM的ARDUNO處理器板。
Nimelink和GPS/GONASS收發器的小型插件模塊的圖像
圖1:為3G蜂窩嵌入式調制解調器提供所有基本功能,NimbeLink(左)的一個小型插件模塊為設計者提供3G CDMA蜂窩接口,基于TelIT基帶子系統(Grand)的GPS/GONASS收發器。XBee模塊格式為NimbeLink的Skywire系列模塊提供了標準接口,這些模塊具有不同的蜂窩接口。
然而,除非單位體積超過項目特定的成本交叉點,否則要比從芯片級構建調制解調器模塊更經濟和更快。此外,購買模塊繞過FCC認證的需要,因為模塊通常是預先認證的。構建VS購買的交叉點取決于多個因素-所需數量、所需特征、交付時間線、以及材料清單與模塊成本的成本。畫線的地方將根據具體情況而變化,但一個好的經驗法則將交叉點至少設為10000個單位,甚至可能更高。
現成的嵌入式蜂窩解決方案有兩種基本形式:小型電路板模塊,例如來自Nimelink的SkyWORE 3G CDMA模塊,它可以插入主電路板上的插座(如圖1所示),也可以是更具工業強度的金屬封裝模塊(例如從多個技術系統,如圖2所示的CDMA調制解調器,可以安裝在系統柜中的某個地方,并使用RS-232端口、USB電纜或其他接口連接到主機。來自NimBelink的模塊可在2G(SkyWORE GSM/GPRS)、3G和4G版本中使用,并且都使用XBee形狀因子來提供通用的足跡。對于2G GSM/GPRS模塊,對于2G CDMA2000模塊,數據傳輸速率從40 kBs/s到153.6 kBs/s不等。移動到3G版本,高達3.1兆比特/秒的數據速率與CDMA/GPRS單元是可能的,并且使用HSPA+或UMTS標準跳到21兆比特/秒。4G實現使用LTE和HSPA+標準提供高達100兆比特/秒的數據速率。所有模塊包括一個UART端口、一個USB端口、一個A/D轉換器和幾個通用I/O線路。
CDMA調制解調器的圖像技術
圖2:在一個堅固的金屬外殼中,這個來自多技術的CDMA調制解調器將在工廠的家里或安裝在一個柜子里。
Digi International提供他們自己的4G LTE CAT 1調制解調器,這是M2M連接的理想選擇。由于它是LTE CAT 1,運營成本遠低于傳統CAT 3或CAT 4計劃(專為智能手機設計)。該設備是FCC和Verizon終端設備認證,這導致更快的上市時間和潛在的節省數千美元的產品認證所需的。設計者可以通過使用相關的開發工具包來查看這個調制解調器是否適合于該項目(圖3)。這個工具包包括開始為大多數M2M應用程序開發蜂窩連接接口所需的一切。
Digi國際XKC-V1T-U開發工具包的圖像
圖3:Digi International的這個開發套件提供了評估M2M應用程序使用4G LTE CAT 1連接所需的一切。
諸如NimBelink的SkyW線單元的模塊在活躍時消耗約580毫安,而空閑時消耗約12毫安,而在其省電模式下僅消耗1.2毫安。它們從3.5到4.3 V電源工作,額定溫度為40至+85℃。無論是選擇模塊或金屬外殼的工業級調制解調器,設計者必須確定所需的數據速率和使用的蜂窩標準。在某些情況下,調制解調器可以合并多個蜂窩標準來處理各種應用。
當然,任何蜂窩調制解調器都需要SIM卡來識別并鏈接到特定的載波AT&T、Sprint、Verizon等,并且當系統被激活時,它還必須具有載波的服務計劃。該服務計劃可以根據簡單的文本消息或各種數據計劃來設置,這取決于系統設計者期望系統每月傳輸多少數據。