Arduino MKR NB 1500 — плата серии MKR со встроенным сотовым модемом для узкополосной связи NB-IoT и LTE-M (LTE Cat M1). В основе — 32-битный микроконтроллер ATSAMD21G18A (Arm Cortex-M0+), модем u-blox SARA-R410M-02B и криптомикросхема ATECC508A. Это не одноплатный компьютер: на плате нет операционной системы, она выполняет загруженный скетч. Производитель — Arduino.
Плата предназначена для маломощных проектов и удалённых устройств, которым нужна связь без Wi-Fi: например, для датчиков и счётчиков. Arduino указывает поддержку LTE-M и NB-IoT, а также отправку и приём SMS. Покрытие NB-IoT и LTE-M есть во многих регионах Европы, Северной и Южной Америки и Азии (актуальную карту можно открыть на странице платы). MKR NB 1500 совместима с Arduino Cloud. Логика платы работает при напряжении 3,3 В; формат MKR несовместим с шилдами Uno.
Для сравнения: MKR GSM 1400 использует сети GSM/3G, а MKR WAN 1310 — LoRa.
Основные характеристики Arduino MKR NB 1500
- Микроконтроллер: Microchip ATSAMD21G18A (Arm Cortex-M0+, 32 бита), частота до 48 МГц
- Flash-память: 256 КБ; SRAM: 32 КБ; EEPROM: отдельной нет
- Модем: u-blox SARA-R410M-02B — LTE Cat M1 (LTE-M) и NB-IoT (NB1); EGPRS не поддерживается
- Сотовая связь: передача данных, отправка и приём SMS
- SIM-карта: слот формата MicroSIM (3FF)
- Криптомикросхема: Microchip ATECC508A
- Зарядное устройство: BQ24195L для одноклеточного Li-Po / Li-Ion аккумулятора; разъём JST на плате
- Рабочее напряжение логики: 3,3 В; подача 5 В на сигнальные выводы не допускается. Сигналы UART модема согласуются с уровнем 1,8 В
- Питание: USB 5 В, вывод VIN 5 В или одноклеточный аккумулятор Li-Po / Li-Ion 3,7 В; минимальная рекомендуемая ёмкость аккумулятора — 1500 мА·ч
- Цифровые выводы: 15 (D0–D14); аналоговые входы: 7 (A0–A6, также доступны как D15–D21); АЦП до 12 бит, ЦАП 10 бит на A0
- ШИМ: 13 выводов — D0–D8, D10, D12, A3 и A4
- Максимальный ток вывода: 7 мА; общий ток источника — до 46 мА, ток стока — до 65 мА на группу выводов
- Интерфейсы: UART (D13/D14), I²C (D11/D12), SPI (D8–D10), I²S; внутренний UART
Serial2(SerialSARA) занят модемом - USB: Micro-USB, встроенный USB Full-Speed (устройство и USB Host)
- Размеры: 67,64 × 25 мм; масса: около 32 г
- Способ программирования: Arduino IDE, пакет Arduino SAMD Boards, библиотека MKRNB
Технические характеристики
Микроконтроллер и память
ATSAMD21G18A — 32-битный микроконтроллер Arm Cortex-M0+ с частотой до 48 МГц, 256 КБ Flash и 32 КБ SRAM. В нём есть 12-битный АЦП, 10-битный ЦАП, шесть блоков SERCOM для настройки последовательных интерфейсов (USART, I²C и SPI), интерфейс I²S и полноскоростной USB-контроллер. Отдельной EEPROM нет: небольшие объёмы пользовательских данных можно хранить во Flash. Часть внутренних линий микроконтроллера используется модемом и схемами питания.
Модем u-blox SARA-R410M-02B
Модем SARA-R410M-02B поддерживает LTE Cat M1 (LTE-M) и NB-IoT (Cat NB1). По документации u-blox, именно версия SARA-R410M-02B не поддерживает EGPRS: эта технология присутствует у некоторых других модулей семейства SARA-R4, в частности у SARA-R412M. Поэтому упоминание EGPRS в общем описании платы на сайте Arduino не следует трактовать как поддержку 2G этим модемом. Для MKR NB 1500 рассчитывайте на сети LTE-M или NB-IoT.
Модем подключён к микроконтроллеру по отдельному последовательному порту Serial2, который также имеет псевдоним SerialSARA, через преобразователи уровней 3,3/1,8 В. В ядре Arduino для него определены линии управления RTS, CTS, сброса и включения питания. На внешние контакты D13/D14 выведен другой порт — Serial1. Работа с модемом из скетча выполняется через библиотеку MKRNB: она обеспечивает подключение к интернету по NB-IoT или LTE Cat M1 и обмен данными. Для работы нужны MicroSIM с тарифом и поддержкой соответствующей технологии у оператора, а также внешняя антенна. Доступные диапазоны и условия подключения зависят от оператора и региона.
Заявленная Arduino скорость передачи данных для LTE Cat M1 составляет до 375 кбит/с на передачу и 300 кбит/с на приём; для NB-IoT — до 62,5 кбит/с на передачу и 27,2 кбит/с на приём. Это предельные значения стандарта/модема, фактическая скорость зависит от сети и условий связи.
⚠ Питание модема. Сотовый модем потребляет значительный ток, особенно во время передачи. Используйте надёжный источник питания и аккумулятор ёмкостью не менее 1500 мА·ч. По спецификации Arduino ток потребления платы указан в диапазонах 100–190 мА для LTE Cat M1 и 60–140 мА для NB-IoT; реальные значения меняются в зависимости от сигнала, активности модема и режима работы. Слабого USB-порта или тонкого кабеля может быть недостаточно.
Цифровые и аналоговые выводы (I/O)
На плате выведены цифровые контакты D0–D14 и аналоговые A0–A6; аналоговые входы также имеют цифровые номера D15–D21. ШИМ доступен на D0–D8, D10, D12, A3 и A4 (D18 и D19). На A0 доступен аналоговый выход ЦАП с разрешением 10 бит.
⚠ Только 3,3 В и малые токи. Все сигнальные выводы работают с логикой 3,3 В и не являются 5-вольт-совместимыми — подача 5 В может повредить плату. Максимальный ток отдельного вывода — 7 мА; дополнительно действуют ограничения по суммарному току: до 46 мА для источника и до 65 мА для стока на группу выводов. Светодиоды подключайте через резистор, а нагрузки — через транзистор или драйвер.
Интерфейсы связи (UART, I²C, SPI)
- UART: D14 (TX) и D13 (RX) —
Serial1; связь с компьютером по USB идёт отдельно черезSerial/SerialUSB. ВнутреннийSerial2(SerialSARA) используется для модема. - I²C: D11 (SDA) и D12 (SCL); те же сигналы выведены на отдельный 5-контактный разъём сверху платы.
- SPI: D8 (COPI, ранее MOSI), D9 (SCK), D10 (CIPO, ранее MISO).
- I²S: интерфейс доступен через выводы D2 (SCK), D3 (FS) и A6 (SD).
USB
Разъём Micro-USB используется для питания, программирования и последовательной связи. USB-контроллер встроен в микроконтроллер (native USB): плата поддерживает режим USB-устройства Full-Speed и USB Host; при соответствующей прошивке может работать как HID-устройство.
Криптомикросхема
ATECC508A (Microchip) — аппаратный криптосопроцессор с защищённым хранением ключей. Он поддерживает криптографию на эллиптических кривых ECDSA/ECDH с P-256, SHA-256 и HMAC; предусмотрена память для ключей, сертификатов и данных, а также хранение до 16 ключей.
Питание и аккумулятор
Питание подаётся по USB, на вывод VIN (5 В) или от одноклеточного аккумулятора Li-Po / Li-Ion 3,7 В. По принципиальной схеме Arduino, управлением питанием и зарядкой занимается микросхема BQ24195L; она обеспечивает зарядку аккумулятора и автоматическое переключение между USB/VIN и батареей. Напряжение 3,3 В формирует стабилизатор AP2112K-3.3 от шины 3,8 В; отдельная шина 3,8 В питает модем. На плате есть светодиоды питания и состояния зарядки.
⚠ Аккумулятор и VIN. На VIN подавайте только 5 В. Подключайте одноклеточный Li-Po / Li-Ion аккумулятор с номинальным напряжением 3,7 В и ёмкостью не менее 1500 мА·ч, строго соблюдая полярность. Вывод +5V соединён с шиной 5 В, на которую коммутируется питание USB или VIN; это не выход отдельного стабилизатора. Не подавайте на него напряжение, отличающееся от предусмотренного схемой питания.
Указанные Arduino значения потребления относятся к работе с сотовым модемом и не являются универсальным значением для всех режимов. Для автономного устройства отдельно учитывайте время регистрации в сети, качество сигнала, частоту передачи данных и ток остальных компонентов.
Размеры и конструкция
Размеры платы — 67,64 × 25 мм, масса — около 32 г. Используется формат MKR: два ряда по 14 контактов с шагом 2,54 мм и монтажные отверстия по углам. Также на плате есть отдельный 5-контактный разъём с сигналами GND, SDA, SCL, WK и +5V, разъём аккумулятора, слот MicroSIM и разъём внешней антенны.
Интерфейсы и разъёмы
- Micro-USB; разъём аккумулятора JST; слот MicroSIM; разъём внешней антенны модема;
- Два ряда по 14 контактов; 5-контактный разъём сверху платы (GND, SDA, SCL, WK, +5V);
- Кнопка Reset; светодиоды питания и зарядки, а также пользовательский светодиод на D6 (
LED_BUILTIN); - Площадки отладки SWD.
Программирование
Плата программируется в Arduino IDE (в том числе версии 2.x) и Arduino Cloud Editor. Необходимы пакет Arduino SAMD Boards и библиотека MKRNB. Загрузка скетчей выполняется через USB. Если обычная загрузка не запускается, загрузчик можно активировать двойным нажатием кнопки Reset.
Распиновка
Таблицы составлены по официальной схеме выводов Arduino MKR NB 1500 (ABX00019). Все сигнальные выводы работают с логикой 3,3 В. Расположение контактов соответствует формату плат MKR.
Левый ряд (аналоговый, контакты 1–14)
| Контакт | Обозначение | Порт SAMD21 | Функции |
|---|---|---|---|
| 1 | AREF | PA03 | Опорное напряжение АЦП |
| 2 | A0 (D15) | PA02 | АЦП; ЦАП (DAC0) |
| 3 | A1 (D16) | PB02 | АЦП |
| 4 | A2 (D17) | PB03 | АЦП |
| 5 | A3 (D18) | PA04 | АЦП, ШИМ |
| 6 | A4 (D19) | PA05 | АЦП, ШИМ |
| 7 | A5 (D20) | PA06 | АЦП |
| 8 | A6 (D21) | PA07 | АЦП; I²S SD |
| 9 | D0 | PA22 | Цифровой вывод, ШИМ |
| 10 | D1 | PA23 | Цифровой вывод, ШИМ |
| 11 | D2 | PA10 | Цифровой вывод, ШИМ; I²S SCK |
| 12 | D3 | PA11 | Цифровой вывод, ШИМ; I²S FS |
| 13 | D4 | PB10 | Цифровой вывод, ШИМ |
| 14 | D5 | PB11 | Цифровой вывод, ШИМ |
Правый ряд (цифровой и питание, контакты 15–28)
| Контакт | Обозначение | Порт SAMD21 | Функции |
|---|---|---|---|
| 15 | D6 | PA20 | Цифровой вывод, ШИМ; светодиод LED_BUILTIN |
| 16 | D7 | PA21 | Цифровой вывод, ШИМ |
| 17 | D8 | PA16 | SPI COPI (MOSI), ШИМ |
| 18 | D9 | PA17 | SPI SCK |
| 19 | D10 | PA19 | SPI CIPO (MISO), ШИМ |
| 20 | D11 | PA08 | I²C SDA |
| 21 | D12 | PA09 | I²C SCL, ШИМ |
| 22 | D13 | PB23 | UART RX (Serial1) |
| 23 | D14 | PB22 | UART TX (Serial1) |
| 24 | RESET | — | Сброс |
| 25 | GND | — | Общий провод |
| 26 | +3V3 | — | Выход 3,3 В |
| 27 | VIN | — | Вход питания 5 В |
| 28 | +5V | — | Шина 5 В (от USB или VIN) |
Возможности и особенности
- NB-IoT и LTE-M на плате MKR: сотовая связь для устройств, которым не подходит Wi-Fi.
- Зарядное устройство Li-Po, криптоэлемент ATECC508A, native USB и ЦАП.
- Совместимость с Arduino Cloud.
Для чего подходит Arduino MKR NB 1500
- Удалённые датчики и счётчики в сетях NB-IoT и LTE-M;
- Передача небольших объёмов данных с низким энергопотреблением;
- Уведомления по SMS при поддержке этой услуги оператором;
- Автономные устройства с аккумуляторным питанием.
Преимущества
- Сотовые стандарты для интернета вещей: NB-IoT и LTE-M.
- Встроенная зарядка аккумулятора, криптоэлемент и компактный формат MKR.
- Библиотека MKRNB и интеграция с Arduino Cloud.
Ограничения
- Зависимость от оператора: нужна поддержка NB-IoT или LTE-M в регионе эксплуатации и совместимый тариф/SIM-карта.
- Нет обычной связи GSM/2G и 3G: модем SARA-R410M-02B поддерживает LTE Cat M1 и NB-IoT, но не EGPRS.
- Логика 3,3 В, ток вывода до 7 мА: необходимо учитывать также суммарные ограничения по току.
- Нужны MicroSIM, внешняя антенна и надёжный источник питания; для аккумулятора Arduino указывает минимум 1500 мА·ч.
- Нет EEPROM; вычислительные ресурсы ограничены микроконтроллером Cortex-M0+ с частотой 48 МГц.
- Отдельного полного datasheet платы нет: характеристики собраны из схемы выводов, принципиальной схемы и документации на компоненты.
Arduino MKR NB 1500 и похожие платы
| Характеристика | MKR NB 1500 | MKR GSM 1400 | MKR WAN 1310 |
|---|---|---|---|
| Связь | NB-IoT, LTE-M (SARA-R410M-02B) | GSM, GPRS, 3G (SARA-U201) | LoRa (CMWX1ZZABZ) |
| SIM-карта | нужна, MicroSIM | нужна | не нужна |
| Крипточип | ATECC508A | ATECC508A | ATECC508A |
| Зарядка Li-Po | есть | есть | есть |
| Статус | нет в наличии в магазине Arduino (на момент проверки) | End of Life | нет в наличии в магазине Arduino (на момент проверки) |
См. также MKR GSM 1400 и MKR WAN 1310.
Заключение
Arduino MKR NB 1500 — плата MKR для связи по NB-IoT и LTE-M. Она подходит для удалённых датчиков, счётчиков и автономных устройств, которым требуется передавать небольшие объёмы данных. Установленный модем не поддерживает обычные сети GSM/2G и 3G.
Перед покупкой проверьте у оператора поддержку NB-IoT или LTE-M в конкретном регионе, совместимость SIM-карты и доступные диапазоны. Для автономной работы предусмотрите аккумулятор ёмкостью не менее 1500 мА·ч и надёжную антенну.
Материалы
- Документация Arduino — MKR NB 1500 — страница платы, описание возможностей и ссылки на файлы.
- Полная распиновка MKR NB 1500 (PDF) — схема выводов с портами и ограничениями по току.
- Принципиальная схема MKR NB 1500 (PDF) — схема платы.
- Библиотека MKRNB (GitHub) — подключение к сетям NB-IoT и LTE Cat M1.
- Файл variant.h платы в ArduinoCore-samd (GitHub) — назначение выводов, Serial1, Serial2 и линий управления SARA.
- ATSAMD21G18A на сайте Microchip — datasheet микроконтроллера.
- SARA-R4 Series — datasheet u-blox (PDF) — характеристики модема и различия версий SARA-R410M и SARA-R412M.
- ATECC508A — краткая документация Microchip (PDF) — функции криптоэлемента.
Иллюстрации (схема выводов и принципиальная схема) взяты из документации Arduino к MKR NB 1500 (SKU ABX00019); схемы выводов и платы распространяются под лицензией CC BY-SA 4.0. Фотографии платы взяты с сайта Arduino, права на них принадлежат Arduino.
