Przyspieszenie prac rozwojowych nad łącznością dalekiego zasięgu dzięki certyfikowanemu modułowi LoRaWAN

W wielu opartych na czujnikach zastosowaniach wielkoskalowych dla rolnictwa, śledzenia zasobów, usług użyteczności publicznej i Internetu rzeczy (IoT), deweloperzy muszą zapewnić bezpieczną łączność o zwiększonym zasięgu. Protokół sieci rozległej dalekiego zasięgu (LoRaWAN) został zaprojektowany do obsługi bardzo dużych sieci tego typu urządzeń i pozwala uzyskać skuteczne rozwiązania, jednak wymaga odpowiedniej wiedzy i doświadczenia, aby szybko wdrożyć zoptymalizowany podsystem komunikacyjny.

W tym artykule krótko opisano sieć rozległą dalekiego zasięgu (LoRaWAN) i jej możliwości. Następnie przedstawiono moduł z certyfikatem LoRaWAN firmy Murata Electronics, który oferuje deweloperom gotowe rozwiązanie umożliwiające osiągnięcie łączności o wyjątkowo dużym zasięgu za pośrednictwem sieci rozległych niskiej mocy (LPWAN). Aby przyspieszyć prototypowanie, wprowadzono także płytkę rozwojową i wsparcie dla oprogramowania.

Czym jest LoRaWAN?

Wśród dostępnych opcji łączności bezprzewodowej, sieć rozległa dalekiego zasięgu (LoRaWAN) okazała się skutecznym rozwiązaniem dla zastosowań serwerowych, które łączą się z urządzeniami końcowymi o niskim poborze mocy, zlokalizowanymi daleko poza zasięgiem znanych opcji bezprzewodowych, takich jak Wi-Fi, czy Bluetooth. W sieci rozległej dalekiego zasięgu (LoRaWAN) serwery aplikacji komunikują się za pośrednictwem konwencjonalnych sieci wykorzystujących protokół kontroli transmisji/protokół internetowy (TCP/IP) z bramami LoRaWAN (ilustracja 1).

Ilustracja 1: w typowym zastosowaniu sieci LoRaWAN serwery łączą się z bramami, które z kolei wykorzystują możliwości technologii rozległej sieci dalekiego zasięgu (LoRa) niskiej mocy do łączenia się z urządzeniami końcowymi, które mogą znajdować się w odległości wielu kilometrów. (Źródło ilustracji: Murata Electronics)

Bramy LoRaWAN z kolei komunikują się z urządzeniami końcowymi za pomocą technologii dalekiego zasięgu (LoRa) na sub-gigahercowej częstotliwości radiowej (RF) działającej w nielicencjonowanym paśmie częstotliwości przemysłowych, naukowych i medycznych (ISM). Technologia dalekiego zasięgu (LoRa), przeznaczona do zastosowań o stosunkowo niskiej przepływności, oferuje maksymalną przepływność około 10kbit/s), ale ma wyjątkowe zalety w zastosowaniach, do których jest przeznaczona.

Opierając się na technologii widma rozproszonego, technologia LoRa RF pozwala deweloperom zrezygnować z przepływności na rzecz zasięgu, zapewniając łatwą i niezawodną dwukierunkową komunikację na odległości ponad 15km na obszarach wiejskich lub ponad 5km w lokalizacjach zamkniętych w gęsto zabudowanych obszarach miejskich.

Protokół sieci rozległej dalekiego zasięgu (LoRaWAN) chroni ruch komunikacyjny dzięki modelowi bezpieczeństwa LoRaWAN. Sieć rozległa dalekiego zasięgu wykorzystuje parę kluczy zabezpieczeń: jeden w celu zapewnienia autentyczności i integralności na poziomie pakietów, a drugi w celu zapewnienia pełnego zabezpieczenia komunikatów przesyłanych między urządzeniami końcowymi a serwerami aplikacji.

Protokół sieci rozległej dalekiego zasięgu (LoRaWAN) zapewnia dodatkowe korzyści w zakresie równoważenia poboru mocy przez urządzenia końcowe z potrzebami komunikacyjnymi zastosowania. Sieć rozległa dalekiego zasięgu (LoRaWAN) umożliwia pracę urządzeń w jednej z trzech klas: A, B lub C. Urządzenie dowolnej klasy może przesyłać komunikaty odpowiednio do potrzeb, ale jego klasa określa, kiedy może je odbierać.

Urządzenia klasy A mają najwyższą sprawność energetyczną i są przeznaczone do działania sterowanego zdarzeniami, na przykład, gdy czujnik wykryje zmianę w swoim otoczeniu. Urządzenia klasy A mogą pozostawać w stanie uśpienia pomiędzy zdarzeniami, wybudzać się po zebraniu danych z czujnika tylko na czas potrzebny do przesłania danych, a następnie otwierać okna pobierania danych z określonymi opóźnieniami (RX1 i RX2) po przesłaniu swoich danych (ilustracja 2).

Ilustracja 2: najbardziej energooszczędna z klas LoRaWAN, klasa A, pozwala urządzeniom pozostawać w uśpieniu tak długo, jak to możliwe, uaktywniając je jedynie w celu wysłania danych (uplink) do bram, a następnie w celu otwarcia pierwszego okna odbioru (RX1) i drugiego okna odbioru (RX2) po zakończeniu przesyłania. (Źródło ilustracji: Murata Electronics)

Urządzenia klasy B umożliwiają pracę okresową według harmonogramu wymaganego przez zastosowanie. W przypadku urządzeń klasy B protokół sieci rozległej dalekiego zasięgu (LoRaWAN) umożliwia urządzeniom otwieranie okna odbioru zgodnie z określonym harmonogramem przy użyciu sygnału transmitowanego przez bramę w celu synchronizacji urządzenia końcowego z siecią (ilustracja 3).

Ilustracja 3: urządzenia LoRaWAN klasy B umożliwiają zsynchronizowany odbiór przy użyciu sygnału przesyłanego przez połączoną bramę w celu utrzymania synchronizacji. (Źródło ilustracji: Murata Electronics)

Urządzenia klasy C są przeznaczone do zastosowań, które wymagają od urządzeń końcowych ciągłego nasłuchiwania w celu odbierania komunikatów. Ponieważ urządzenia klasy C muszą pozostawać aktywne, zazwyczaj są zasilane z sieci, a nie z baterii, jak ma to miejsce w przypadku urządzeń klasy A, a nawet klasy B (ilustracja 4).

Ilustracja 4: urządzenia LoRaWAN klasy C zazwyczaj są zasilane ze stałego źródła zasilania i zawsze pozostają aktywne, stale nasłuchując nadsyłanych komunikatów, gdy same ich nie wysyłają. (Źródło ilustracji: Murata Electronics)

Choć sama koncepcja wydaje się prosta, wdrożenie sieci LoRaWAN wymaga znacznej wiedzy i doświadczenia, aby znaleźć właściwą równowagę pomiędzy szczegółowymi parametrami operacyjnymi protokołu sieci rozległej dalekiego zasięgu (LoRaWAN) i leżącą u jego podstaw technologii LoRa.

Certyfikowany moduł LoRaWAN stanowi gotowe rozwiązanie

Moduł LBAA0QB1SJ-296 firmy Murata Electronics i powiązane z nim oprogramowanie układowe stanowi gotowe rozwiązanie przyspieszające wdrożenie łączności sieciowej LoRaWAN, zapewniając kompletne rozwiązanie z certyfikatem LoRaWAN dla urządzeń końcowych. W module zintegrowano nadajniko-odbiornik dalekiego zasięgu (LoRa) firmy Semtech - model SX1262, mikrokontroler firmy STMicroelectronics - model STM32L072 ze 192kB pamięci flash, przełącznik częstotliwości radiowych (RF) oraz oscylator krystaliczny z kompensacją temperatury (TCXO). Moduł jest dostępny w ekranowanej, formowanej z żywicy obudowie o wymiarach zaledwie 10,0 x 8,0 x 1,6mm (ilustracja 5).

Ilustracja 5 moduł LBAA0QB1SJ-296 firmy Murata Electronics stanowi kompletne rozwiązanie łączności w sieci rozległej dalekiego zasięgu (LoRaWAN) i zawiera zintegrowany nadajniko-odbiornik LoRa Semtech SX1262 oraz mikrokontroler STMicroelectronics STM32L072, obsługujący fabrycznie wczytany stos LoRaWAN. (Źródło ilustracji: Murata Electronics)

Korzystając z pojedynczego źródła zasilania 3,3V, moduł pobiera tylko 15,5mA przy szerokości pasma 125kHz, oferując jednocześnie czułość odbiornika na poziomie -135,5dBm w odniesieniu do 1mW przy współczynniku błędów pakietów wynoszącym 1% przy tej samej szerokości pasma i maksymalnym współczynniku rozprzestrzeniania. Współczynnik rozprzestrzeniania definiuje się jako liczbę świergotów na bit w implementacji technologii świergotowego rozpraszania widma LoRa. W przypadku transmisji moduł zapewnia moc nadawania do +21,5dBm, pobierając 118mA przy maksymalnej mocy nadawania.

Moduł LBAA0QB1SJ-296 obsługuje urządzenia LoRaWAN klasy A, B lub C, oferując kilka trybów pracy niskiej mocy, które pozwalają deweloperom zrównoważyć wydajność i zużycie energii. W przypadku urządzeń końcowych z zasilaniem bateryjnym (zwykle pracujących w klasie A lub klasie B), moduł może pracować w trybie ultraniskiej mocy, w którym pobiera zaledwie 1,3µA przy pracy zegara czasu rzeczywistego, co umożliwia pracę urządzenia przez wiele lat.

Szybkie opracowywanie urządzeń połączonych z siecią LoRaWAN

Użycie modułu LBAA0QB1SJ-296 w celu dodania łączności w sieci rozległej dalekiego zasięgu (LoRaWAN) do systemu urządzenia końcowego jest stosunkowo proste. Po stronie sprzętowej moduł łączy się z procesorem hosta urządzenia końcowego za pośrednictwem interfejsu uniwersalnego asynchronicznego odbiornika/nadajnika (UART). Oprócz interfejsu UART do komunikacji z hostem moduł wymaga jedynie anteny zewnętrznej i kilku dodatkowych komponentów, w celu stworzenia kompletnego podsystemu sprzętowego sieci LoRaWAN (ilustracja 6).

Ilustracja 6: korzystając z modułu Murata Electronics LBAA0QB1SJ-296, deweloperzy potrzebują tylko kilku dodatkowych komponentów, aby dodać certyfikowaną łączność LoRaWAN do swoich projektów urządzeń końcowych. (Źródło ilustracji: Murata Electronics)

Po stronie oprogramowania moduł LBAA0QB1SJ-296 jest skonfigurowany fabrycznie z kompletnym stosem do pracy w sieci LoRaWAN w paśmie ISM 915MHz. Podczas pracy procesor hosta urządzenia końcowego zarządza i monitoruje działanie modułu za pomocą zestawu poleceń AT.

Chociaż interfejs sprzętowy modułu i fabrycznie załadowane oprogramowanie układowe pomaga przyspieszyć tworzenie niestandardowych rozwiązań, płytka ewaluacyjna LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK firmy Murata umożliwia deweloperom natychmiastowe rozpoczęcie prac od szybkiego prototypowania i przyspieszonego opracowywania projektów produkcyjnych (ilustracja 7).

Ilustracja 7: płytka ewaluacyjna LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK firmy Murata, zaprojektowana z myślą o przyspieszeniu ewaluacji i szybkiego prototypowania łączności w sieci rozległej dalekiego zasięgu (LoRaWAN), łączy w sobie moduł LBAA0QB1SJ-296 z urządzeniami peryferyjnymi i złączami. (Źródło ilustracji: Murata Electronics)

Płytka ewaluacyjna obsługuje wbudowany moduł LBAA0QB1SJ-296 z kilkoma urządzeniami interfejsu użytkownika, takimi jak diody elektroluminescencyjne (LED), termistor i przyciski. Deweloperzy mogą ponadto rozszerzyć funkcjonalność płytki, dodając potrzebne urządzenia peryferyjne za pomocą złączy Arduino Uno V3.

Aby rozpocząć ewaluację sieci rozległej dalekiego zasięgu (LoRaWAN) pod kątem swojego zastosowania, deweloperzy muszą jedynie podłączyć odpowiednią antenę subminiaturową RF w wersji A (SMA) na częstotliwość 915MHz, zapewnić zasilanie z zewnętrznego źródła i podłączyć płytkę poprzez złącze USB do głównego systemu programistycznego.

Po uruchomieniu płytki, deweloperzy mogą przetestować działanie modułu za pomocą programu emulującego terminal lub narzędzia testowego graficznego interfejsu użytkownika (GUI) dostępnego dla zarejestrowanych użytkowników płytki. Na potrzeby rozszerzonego debugowania płytka zapewnia złącze szeregowego debugowania przewodowego (SWD) i USB do podłączenia debugera/programatora ST-LINK firmy STMicroelectronics.

W celu kompleksowej ewaluacji aplikacji i debugowania oprogramowania deweloperzy mogą po prostu dodać dostępną bramę LoRaWAN, aby stworzyć łącze komunikacyjne pomiędzy płytą ewaluacyjną a serwerami aplikacji.

Podsumowanie

Protokół sieci rozległej dalekiego zasięgu (LoRaWAN) i leżąca u jego podstaw technologia dalekiego zasięgu LoRa zapewniają skuteczne rozwiązanie do łączenia urządzeń końcowych na duże odległości bez uszczerbku na ograniczonych budżetach mocy. Moduł LBAA0QB1SJ-296 firmy Murata Electronics, zaprojektowany z myślą o przyspieszeniu wdrażania sieci rozległych niskiej mocy, zapewnia gotowe rozwiązanie z certyfikatem LoRaWAN. Korzystając z płytki ewaluacyjnej LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK opartej na module LBAA0QB1SJ-296 firmy Murata Electronics, deweloperzy mogą przyspieszyć prototypowanie i ewaluację swoich zastosowań sieci rozległych dalekiego zasięgu (LoRaWAN).