Przyspieszenie opracowywania projektów Internetu rzeczy (IoT) LoRaWAN za pomocą kompleksowego zestawu startowego

Projektanci sieci czujników i aktuatorów Internetu rzeczy (IoT) do zastosowań zdalnego monitorowania i sterowania, począwszy od rolnictwa i górnictwa aż po inteligentne miasta, potrzebują bezprzewodowego interfejsu dalekiego zasięgu, który byłby bezpieczny, solidny, stosunkowo łatwy do wdrożenia i nie wymagałby konserwacji. Dobrą opcją dla takich zastosowań jest protokół LoRaWAN o zasięgu do 15km w przypadku połączeń na obszarach wiejskich i do 5km w obszarach miejskich, z wykorzystaniem urządzeń końcowych z bateriami, które mogą pracować nawet 10 lat.

Chociaż protokół LoRaWAN jest dojrzałą technologią sieci rozległej (LPWAN) niskiej mocy, deweloperzy ciągle potrzebują sposobów na uproszczenie wdrażania i łączenia się z chmurą.

Wyzwaniem dla inżynierów stawiających pierwsze kroki w projektach Internetu rzeczy (IoT) LoRaWAN jest radzenie sobie ze złożonością nie tylko konfigurowania bezprzewodowego urządzenia końcowego, ale także łączenia się z bramą i platformą IoT w chmurze. Zadanie to jest znacznie łatwiejsze dzięki oferowanym przez sprzedawców zestawom startowym, które zawierają wszystkie elementy potrzebne do zbudowania i obsługi prototypu.

W niniejszym artykule przedstawiono protokół LoRaWAN i wyjaśniono, w jaki sposób technologia ta uzupełnia bezprzewodowe sieci czujników bliskiego zasięgu, tworząc sieć LPWAN do przesyłania danych z czujników do chmury. Następnie przedstawiono zestaw startowy XON-9-L1-KIT-001 firmy Digi i opisano sposób jego używania. W skład tego zestawu wchodzą: urządzenie końcowe z wieloma czujnikami, brama wielokanałowa i platforma IoT typu urządzenie-chmura, które pozwalają na projektowanie, rozwój i konfigurowanie rozwiązań LoRaWAN do Internetu rzeczy opartych na platformie przemysłowej.

Czym są technologie LoRa i LoRaWAN?

LoRaWAN jest technologią LPWAN dla urządzeń Internetu rzeczy (IoT) charakteryzująca się zasięgiem kilkudziesięciu kilometrów, niską przepustowością (od 250bit/s do 50kbit/s w zależności od częstotliwości nośnej) oraz bardzo niskim zużyciem energii (zapewniająca czas pracy baterii do dziesięciu lat, w zależności od zastosowania). Tabela 1 ilustruje porównanie technologii LoRaWAN z innymi technologiami IoT.

Tabela 1: LoRaWAN jest protokołem bezprzewodowym LPWAN Internetu rzeczy (IoT) o charakterystyce dostosowanej do niskiej przepustowości i dalekiego zasięgu. Tabela porównuje go z innymi bezprzewodowymi technologiami IoT. (Źródło ilustracji: Semtech)

Warstwę fizyczną (PHY) i technikę modulacji leżące u podstaw protokołu LoRaWAN definiuje specyfikacja LoRa. Standard LoRaWAN określa warstwę kontroli dostępu do mediów (MAC) stosu protokołów (ilustracja 1).

Ilustracja 1: stos protokołu LoRaWAN tworzą warstwa fizyczna (PHY) i technika modulacji LoRa oraz kontrola dostępu do mediów (MAC) protokołu LoRaWAN, plus warstwa aplikacji. (Źródło ilustracji: Semtech)

Kluczowe znaczenie dla zasięgu tej technologii ma zastosowanie zmodyfikowanej formy rozpraszania widma z z bezpośrednią modulacją sekwencją kodową (DSSS). DSSS rozkłada sygnał na szersze pasmo niż pierwotne pasmo informacji, czyniąc go mniej podatnym na zakłócenia i zwiększając zasięg. Wadą modulacji DSSS jest to, że wymaga bardzo dokładnego (i drogiego) zegara referencyjnego. Technika świergotowego rozpraszania widma (CSS) w sieci LoRa ( stanowi tanią i energooszczędną alternatywę dla techniki DSSS, eliminując potrzebę stosowania zegara. W technice CSS widmo sygnału rozprasza się poprzez generowanie sygnałów świergotowych, których częstotliwość stale się zmienia (ilustracja 2).

Ilustracja 2: technika CSS w sieci LoRa rozprasza widmo sygnału poprzez generowanie sygnału świergotowego, którego częstotliwość stale się zmienia. Technika ta eliminuje potrzebę stosowania drogich zegarów referencyjnych używanych w technice DSSS. (Źródło ilustracji: Semtech)

Korzystając z techniki CSS, przesunięcia czasowe i częstotliwościowe między nadajnikiem a odbiornikiem są równoważne, co dodatkowo zmniejsza złożoność konstrukcji odbiornika. Modulacja LoRa obejmuje również zmienny schemat korekcji błędów, który poprawia odporność przesyłanego sygnału, dodatkowo zwiększając zasięg. W rezultacie uzyskuje się moc nadawania (Tx) i czułość odbiornika (Rx) na poziomie około 154dBm, dzięki czemu pojedyncza brama lub stacja bazowa może objąć zasięgiem całe miasta.

W Ameryce Północnej sieć LoRaWAN wykorzystuje przydział widma z pasma przemysłowego, naukowego, medycznego (ISM) od 902 do 928MHz. Protokół bezprzewodowy definiuje kanały nadawcze 64 x 125kHz w zakresie od 902,3 do 914,9MHz w przeskokach co 200kHz. W paśmie od 903MHz do 914,9MHz dostępnych jest dodatkowych osiem kanałów nadawczych o szerokości 500kHz w przeskokach co 1,6MHz. Osiem kanałów odbiorczych ma szerokość 500kHz, w zakresie częstotliwości od 923,3MHz do 927,5MHz. Maksymalna moc nadawania (TX) w Ameryce Północnej wynosi 30dBm, ale dla większości zastosowań wystarcza moc nadawania 20dBm. Zgodnie z amerykańskimi przepisami Federalnej Komisji Łączności (FCC) nie ma ograniczeń dotyczących cyklu pracy, ale maksymalny czas przebywania na kanale wynosi 400ms.

Sieć kratowa to technika zwiększania zasięgu poprzez przekazywanie komunikatów między węzłami w celu dotarcia do krawędzi sieci. Zwiększa ona jednak złożoność, zmniejsza pojemność i skraca żywotność baterii. Zamiast korzystać z sieci kratowej, w sieci LoRaWAN wykorzystuje się topologię gwiazdy, w której każdy węzeł (dalekiego zasięgu) łączy się bezpośrednio z bramą. Węzły nie są powiązane z konkretną bramą. Zamiast tego dane przesyłane przez węzeł są zazwyczaj odbierane przez wiele bram. Każda brama przekazuje następnie odebrany pakiet z węzła końcowego do serwera sieciowego w chmurze za pośrednictwem pewnej formy połączenia dosyłowego (zwykle komórkowego, Ethernet, satelitarnego lub Wi-Fi) (ilustracja 3).

Ilustracja 3: sieć LoRaWAN wykorzystuje topologię gwiazdy, w której każde urządzenie końcowe łączy się bezpośrednio z co najmniej jedną bramą. Każda brama przesyła następnie informacje do serwera sieciowego w chmurze za pośrednictwem połączenia dosyłowego. (Źródło ilustracji: Semtech)

Aby sieć o topologii gwiazdy dalekiego zasięgu była możliwa do zrealizowania, brama musi być w stanie odbierać komunikaty z dużej liczby węzłów. Sieć LoRaWAN osiąga wysoką przepustowość dzięki adaptacyjnej szybkości transmisji danych i bramom, które mogą jednocześnie odbierać komunikaty na wielu kanałach. Pojedyncza ośmiokanałowa brama może obsłużyć kilkaset tysięcy komunikatów dziennie. Zakładając, że każde urządzenie końcowe wysyła dziesięć komunikatów dziennie, taka brama może obsługiwać około 10 tys. urządzeń. Jeśli wymagana jest większa przepustowość, do sieci można dodać kolejne bramy.

Zestaw startowy LPWAN do szybkiego prototypowania

Technologie LPWAN są złożone i mogą stanowić wyzwanie dla niedoświadczonego inżyniera. Deweloper musi nie tylko skonfigurować bezpieczne i niezawodne połączenie bezprzewodowego urządzenia końcowego, ale także połączyć je z bramą, udostępnić jako część sieci, a następnie nawiązać połączenie z platformą IoT w chmurze.

Budowa kompleksowego rozwiązania Internetu rzeczy w sieci LoRaWAN będzie prostsza dzięki specjalnemu zestawowi startowemu LoRaWAN, jak na przykład XON-9-L1-KIT-001 firmy Digi (ilustracja 4). Dzięki takiemu zestawowi startowemu inżynier może szybko zapoznać się z poszczególnymi etapami procesu, mając pewność, że może szybko zrealizować kolejny etap. W rezultacie osoba niebędąca ekspertem może szybko stworzyć prototyp kompletnego rozwiązania LoRaWAN do Internetu rzeczy.

Ilustracja 4: zestaw startowy LoRaWAN XON-9-L1-KIT-001 zawiera wszystko, co jest potrzebne do prototypowania połączenia sieciowego, w tym bramę Ethernet HXG3000, łącze nadawcze i odbiorcze, płytkę nakładkową klienta, antenę, zasilacz i interfejs programowania. (Źródło ilustracji: Digi)

W sieci LoRa stosowane są klasy urządzeń, które wykazują się kompromisem między opóźnieniami komunikacji w sieci odbiorczej a czasem pracy baterii. Zestaw startowy firmy Digi zapewnia obsługę sieci LoRaWAN klasy A (najniższa moc, dwukierunkowe urządzenia końcowe) i klasy C (najniższe opóźnienie, zawsze włączony odbiornik urządzenia końcowego, dwukierunkowe urządzenia końcowe).

Zestaw startowy zawiera wszystko, co jest potrzebne do szybkiego i bezpiecznego skonfigurowania prototypu LoRaWAN. W szczególności zawiera łącze nadawczo-odbiorcze, kartę rozszerzeń lub „nakładkę klienta” z modułem LoRaWAN, diodę LED, wejście cyfrowe, czujniki temperatury, 8-kanałową bramę Ethernet LoRaWAN HXG3000 firmy Digi, wbudowany interfejs rozwojowy aplikacji dla deweloperów (API) oraz 30-dniowe bezpłatne konto próbne dla platformy typu urządzenie-chmura z obsługą mobilnej aprowizacji „scan-and-go”.

Brama HXG3000 zapewnia dwukierunkową komunikację dalekiego zasięgu w warunkach braku bezpośredniej widoczności (NLOS), za pośrednictwem sieci LoRaWAN i może obsługiwać do 1,5 miliona komunikatów dziennie. Produkt zawiera radio dookólne 1,7dBm, o mocy nadawania (Tx) do 27dBm i czułości odbioru (Rx) -138dBm. Praca odbywa się w nielicencjonowanym paśmie USA od 902 do 928MHz. Urządzenie jest zasilane z zasilacza prądu zmiennego lub w trybie Power-over-Ethernet (PoE). Dostępne są modele dosyłowe Ethernet i LTE Cat M1.

Nakładka klienta LoRaWAN firmy Digi jest częścią zestawu startowego, który stanowi pomoc dla inżynierów chcących prototypować i rozwijać czujniki LoRaWAN. Zapewnia łączność umożliwiającą wybór kompatybilnych mikrokontrolerowych płytek rozwojowych Nucleo firmy STMicroelectronics (na przykład NUCLEO-L053R8) i ARM Keil® Cortex®-M firmy Arduino w celu zapewnienia łączności LoRaWAN po stronie klienta. Oprócz piętrowych złączy firmy Arduino nakładka klienta jest wyposażona w termistorowy czujnik temperatury małej mocy, przełącznik suwakowy wejścia cyfrowego i cyfrowo sterowaną diodę LED RGB (czerwono-zielono-niebieską). Ekran posiada złącze U.FL, a połączona z nim antena wchodzi w skład zestawu. Nakładka zawiera również moduł LoRaWAN, który działa w nielicencjonowanym paśmie US o częstotliwości od 902 do 928MHz. Moc nadawania (TX) wynosi od 14 do 20dBm (ilustracja 5).

Ilustracja 5: nakładkę klienta XON-9-L1-KIT-001 zawierającą moduł LoRaWAN można montować na płytce rozwojowej Nucleo firmy STMicroelectronics (pokazane tutaj) lub Arduino. (Źródło ilustracji: Digi)

Platforma X-ON firmy Digi jest kompletną platformą typu „urządzenie-chmura” dla urządzeń końcowych Internetu rzeczy. Platforma ta stanowi zarówno rozwojowe, jak i operacyjne rozwiązanie chmurowe. Platforma X-ON zawiera zintegrowany serwer sieciowy LoRaWAN i wykorzystuje serwer do obsługi urządzeń i bram obsługujących protokół bezprzewodowy LoRaWAN. Wspólny serwer obsługuje przepływ łączenia, w tym uwierzytelnianie serwera sieciowego i aplikacji oraz generowanie kluczy sesji.

Przedstawiona platforma umożliwia deweloperowi:

• Konfigurowanie, monitorowanie i diagnozowanie urządzeń lub bram z interfejsu internetowego i mobilnego
• Automatyzację wdrażania urządzeń i bram za pomocą aplikacji do aprowizacji
• Zarządzanie bramami sieci bezprzewodowej
• Zbieranie i analizę danych bezpośrednio z urządzeń końcowych
• Używanie interfejsu API między chmurami, aby w czasie rzeczywistym przesyłać dwukierunkowo dane z urządzeń między wieloma platformami w chmurze
• Rejestrację i śledzenie komunikatów z danymi w czasie rzeczywistym w celu przeprowadzania interaktywnych operacji i rozwiązywania problemów z urządzeniami końcowymi i bramami
• Integrację danych za pomocą otwartych interfejsów API w celu tworzenia bardziej złożonych aplikacji za pomocą narzędzi innych firm (ilustracja 6)

Ilustracja 6: platforma urządzenie-chmura X-ON firmy Digi dla urządzeń końcowych Internetu rzeczy (IoT), która pozwala deweloperowi zautomatyzować wdrażanie urządzeń i bram za pomocą mobilnej aplikacji do aprowizacji. Deweloper może następnie konfigurować, monitorować i diagnozować urządzenia lub bramy z interfejsu internetowego i mobilnego. (Źródło ilustracji: Digi)

Rozpoczęcie pracy nad projektem LoRaWAN

Ponieważ nakładka klienta, płytki rozwojowe Nucleo firmy STMicroelectronics i firmy Arduino wykorzystują wbudowane mikrokontrolery firmy ARM Keil, dzięki czemu są przystosowane do pracy z ARM Keil Mbed, rozpoczęcie projektu z zestawem startowym firmy Digi jest stosunkowo proste. (Platforma Mbed firmy ARM Keil z systemem operacyjnym (OS) dla urządzeń Internetu rzeczy (IoT) opartych na 32-bitowych mikrokontrolerach Cortex klasy M firmy ARM Keil). Nakładka klienta zawiera wbudowany język poleceń AT i uproszczony wbudowany interfejs API Mbed C++ firmy ARM Keil, zaprojektowane w celu wyeliminowania nadmiernej złożoności projektu i jednoczesnego uproszczenia programowania.

Kompatybilność zestawu startowego LoRaWAN firmy Digi z systemem Mbed umożliwia tworzenie aplikacji przy użyciu zasobów internetowych Mbed firmy ARM Keil. Zasoby dostępne są w trzech różnych formach. Internetowy kompilator Mbed umożliwia deweloperom natychmiastowe rozpoczęcie tworzenia aplikacji bez konieczności instalowania czegokolwiek. Wystarczy jedynie konto Mbed.

W celu bardziej zaawansowanego tworzenia aplikacji zestaw startowy LoRaWAN firmy Digi można podłączyć do zintegrowanego środowiska programistycznego (IDE) Studio Mbed do tworzenia, kompilowania i debugowania programów Mbed. Ostatni zasób to narzędzie wiersza poleceń Mbed CLI, które można zintegrować z preferowanym przez dewelopera środowiskiem IDE.

Pierwszym etapem najszybszej drogi rozwojowej jest założenie konta X-ON Digi. Następnie deweloper musi zarejestrować konto internetowego kompilatora Mbed. W dalszej kolejności, po zamontowaniu nakładki klienta na płytce rozwojowej, cały zespół należy podłączyć do komputera stacjonarnego za pomocą kabla USB. Dioda „PWR” na nakładce klienta i dioda „COM” na płytce rozwojowej zaczną świecić, sygnalizując zasilanie układów elektronicznych.

Internetowy kompilator Mbed następnie prowadzi dewelopera przez zestaw prostych kroków, których celem jest dodanie do kompilatora platformy sprzętowej. Po dodaniu sprzętu do kompilatora można zaimportować kod z przykładów aplikacji czujników z repozytorium Mbed (lub innych bibliotek) i pobrać na płytkę rozwojową. Kompilator może być również wykorzystany do zmiany konfiguracji LoRaWAN, np. klasy urządzenia i trybu łączenia się z siecią (ilustracja 7).

Ilustracja 7: zmiana konfiguracji LoRaWAN, np. klasy urządzenia i trybu łączenia się z siecią za pomocą internetowego kompilatora Mbed ARM Keil jest łatwa. (Źródło ilustracji: Digi)

Jeżeli brama jest uruchomiona, nakładka klienta lub płytka rozwojowa dołączy do sieci i zacznie wysyłać pakiety co 15s (w trybie domyślnym). Na stronie konta X-ON po naciśnięciu przycisku „Stream” na ekranie zostaną wyświetlone dane przesyłane z urządzenia.

Podsumowanie

Projektantom sieci z czujnikami i aktuatorami Internetu rzeczy (IoT) protokół LoRaWAN oferuje dostęp do nielicencjonowanych częstotliwości radiowych, zasięg dziesiątek kilometrów, niskie zużycie energii, dobre bezpieczeństwo i skalowalność oraz niezawodną łączność. Jednak, podobnie jak w przypadku wielu protokołów bezprzewodowych Internetu rzeczy (IoT), radzenie sobie z łącznością urządzeń końcowych, udostępnianiem, bramami i przesyłaniem strumieniowym danych z czujników do chmury może być trudne.

Zestaw startowy LoRaWAN firmy Digi rozwiązuje wiele z tych problemów. Zawiera nakładkę klienta z uproszczonym wbudowanym interfejsem API Mbed C++ firmy ARM Keil, bramę LoRaWAN z połączeniem dosyłowym Ethernet oraz platformę X-ON typu urządzenie-chmura z mobilną aprowizacją formuły „scan-and-go”. Korzystając z zestawu startowego, deweloper może szybko rozpocząć pracę z prototypowaniem sprzętu LoRaWAN, opracować i przenieść kod aplikacji czujnika lub aktuatora oraz analizować i prezentować dane za pomocą platformy w chmurze.