Zrychlete projekty IoT LoRaWAN pomocí startovací sady end-to-end

Konstruktéři senzorových a aktuátorových sítí internetu věcí (IoT) pro vzdálené monitorovací a řídicí aplikace od zemědělství a těžby až po chytré město vyžadují bezdrátové rozhraní s dlouhým dosahem, které je bezpečné, robustní, nenáročné na údržbu a relativně snadno se nasazuje. Dobrou volbou pro takové aplikace je síť LoRaWAN s dosahem až 15 kilometrů ve venkovských oblastech s přímou viditelností a až 5 kilometrů v městských oblastech použitá spolu s koncovými zařízení na baterie, které vydrží až 10 let.

Zatímco LoRaWAN je vyspělá technologie nízkoenergetické sítě pro rozsáhlá území (LPWAN), vývojáři stále potřebují způsoby, jak zjednodušit nasazení a připojit se ke cloudu.

Výzvou pro techniky, kteří se s projekty IoT LoRaWAN teprve seznamují, spočívá v řešení složitosti nejen nastavení bezdrátového koncového zařízení, ale také rozhraní s bránou a cloudovou platformou IoT. Tento úkol je mnohem snazší při využití startovacích sad dodavatele, které obsahují všechny prvky potřebné k sestavení a provozování prototypu.

V tomto článku je představena technologie LoRaWAN a vysvětleno, jak technologie doplňuje bezdrátové senzorové sítě s krátkým dosahem vytvořením sítě LPWAN k předávání dat senzorů do cloudu. Poté je zde představeno a popsáno, jak používat startovací sadu XON-9-L1-KIT-001 společnosti Digi, která obsahuje koncové zařízení s několika senzory, vícekanálovou bránu a platformu IoT typu zařízení-cloud, k návrhu, vývoji a konfiguraci řešení IoT LoRaWAN založeného na průmyslové platformě.

Co je LoRa a LoRaWAN?

LoRaWAN je technologie LPWAN pro zařízení IoT charakteristická dosahem desítek kilometrů, nízkou propustností (250 bit/s až 50 kbit/s v závislosti na frekvenci operátora) a velmi nízkou spotřebou energie (výdrž baterie v závislosti na aplikaci až deset let). V tabulce 1 je uvedeno porovnání LoRaWAN s jinými technologiemi IoT.

Tabulka 1: LoRaWAN je bezdrátový protokol IoT LPWAN s vlastnostmi vhodnými pro provoz s nízkou propustností a dlouhým dosahem. V tabulce je uvedeno, jak si stojí v porovnání s jinými bezdrátovými technologiemi IoT. (Zdroj obrázku: společnost Semtech)

Specifikace LoRa definuje fyzickou vrstvu (PHY) a modulační techniku podporující LoRaWAN. Vrstva řízení přístupu k médiím (MAC) v sadě protokolů je specifikována standardem LoRaWAN (obrázek 1).

Obrázek 1: Fyzická vrstva (PHY) a modulační technika technologie LoRa, LoRaWAN MAC plus vrstva aplikace tvoří sadu protokolů LoRaWAN. (Zdroj obrázku: společnost Semtech)

Klíčové pro dosah této technologie je použití modifikované formy modulace rozprostřeného spektra s přímou posloupností (DSSS). DSSS šíří signál ve větší šířce pásma, než je šířka pásma původních informací, takže je méně náchylné k rušení a má delší dosah. Zápornou stránkou DSSS je, že vyžaduje vysoce přesné (a drahé) referenční hodiny. Technika rozprostřeného spektra s čerpovou modulací (CSS) LoRa nabízí alternativu k DSSS s nízkými náklady a nízkou spotřebou energie, která eliminuje hodiny. CSS šíří spektrum signálu generováním čerpovaného signálu, který neustále mění frekvenci (obrázek 2).

Obrázek 2: Technika CSS LoRa šíří spektrum signálu generováním čerpovaného signálu, který neustále mění frekvenci. Tato technika eliminuje potřebu drahých referenčních hodin používaných při technice DSSS. (Zdroj obrázku: společnost Semtech)

Při využití CSS jsou časové a frekvenční posuny mezi vysílačem a přijímačem ekvivalentní, což složitost konstrukce přijímače dále snižuje. Modulace LoRa také obsahuje variabilní schéma korekce chyb, které zlepšuje robustnost vysílaného signálu a dále zvětšuje dosah. Výsledkem je vysílací výkon (Tx) a citlivost přijímače (Rx) v decibel miliwattech (dBm) kolem 154 dBm, což umožňuje, aby celá města pokryla jediná brána nebo základnová stanice.

V Severní Americe používá LoRaWAN alokaci spektra ISM („Industrial, Scientific, and Medical“) 902 až 928 MHz. Bezdrátový protokol definuje uplink kanály 64 × 125 kHz od 902,3 do 914,9 MHz v krocích po 200 kHz. K dispozici je dalších osm 500kHz uplink kanálů v krocích po 1,6 MHz od 903 MHz do 914,9 MHz. Osm downlink kanálů je širokých 500 kHz, od 923,3 MHz do 927,5 MHz. Maximální výkon TX v Severní Americe je 30 dBm, ale pro většinu aplikací je výkon TX 20 dBm dostačující. Podle amerických předpisů FCC neexistují žádná omezení pracovního cyklu, ale na kanál je maximální doba setrvání 400 ms.

Sítě se síťovou topologií jsou technikou pro zvětšení dosahu přesměrováním zpráv mezi uzly k dosažení okrajů sítě, ale zvyšují složitost, snižují kapacitu a snižují životnost baterie. Místo použití sítí se síťovou topologií využívá LoRaWAN hvězdicovou topologii, kde se každý uzel (s dlouhým dosahem) připojuje přímo k bráně. Uzly nejsou přiřazeny ke konkrétní bráně. Místo toho jsou data přenášená uzlem obvykle přijímána více branami. Každá brána poté předá přijatý paket z koncového uzlu na cloudový síťový server prostřednictvím nějaké formy páteřního připojení (obvykle mobilního, ethernetového, satelitního nebo Wi-Fi) (obrázek 3).

Obrázek 3: LoRaWAN využívá hvězdicovou topologii, kde se každé koncové zařízení připojuje přímo k jedné nebo více branám. Jednotlivé brány pak předávají informace na cloudový síťový server prostřednictvím páteřního připojení. (Zdroj obrázku: společnost Semtech)

K tomu, aby byla hvězdicová síť s dlouhým dosahem životaschopná, musí být brána schopna přijímat zprávy z vysokého počtu uzlů. LoRaWAN dosahuje této vysoké kapacity nasazením adaptivní datové rychlosti a využíváním bran, které mohou přijímat simultánní zprávy na více kanálech. Jedna osmikanálová brána může podporovat několik stovek tisíc zpráv za den. Za předpokladu, že každé koncové zařízení odešle deset zpráv denně, může taková brána podporovat asi 10 000 zařízení. Pokud je požadována větší kapacita, lze do sítě přidat další brány.

Startovací sada LPWAN pro rychlé prototypování

Technologie LPWAN jsou složité a mohou být pro nezkušeného technika náročné. Vývojář musí nejen nastavit bezdrátové koncové zařízení zabezpečeným a robustním připojením, ale také jej propojit s bránou, zřídit jej jako součást sítě a poté nastavit připojení ke cloudové platformě IoT.

Toto vybudování řešení end-to-end IoT LoRaWAN je jednodušší pomocí startovací sady na míru, jako je např. startovací sada LoRaWAN XON-9-L1-KIT-001 společnosti Digi (obrázek 4). S takovou startovací sadou se technik může rychle seznámit s jednotlivými kroky procesu, bezpečně a s vědomím, že další fázi lze pak rychle začlenit. Výsledkem je, že rychle prototypovat kompletní řešení IoT LoRaWAN může i člověk, který není odborníkem.

Obrázek 4: Startovací sada XON-9-L1-KIT-001 LoRaWAN obsahuje vše potřebné k vytvoření prototypu síťového připojení, včetně ethernetové brány HXG3000, uplinku a downlinku, desky Client Shield, antény, napájecího zdroje a programovacího rozhraní. (Zdroj obrázku: společnost Digi)

LoRa nabízí třídy zařízení, které vyměňují latenci síťové downlink komunikace za životnost baterie. Startovací sada společnosti Digi poskytuje podporu pro třídu A LoRaWAN (nejnižší výkon, obousměrná koncová zařízení) a třídu C (nejnižší latence, přijímač koncového zařízení vždy zapnutý, obousměrná koncová zařízení).

Startovací sada poskytuje vše potřebné k rychlému a bezpečnému nastavení prototypu LoRaWAN. Konkrétně sada obsahuje uplink/downlink, rozšiřující desku nebo „Client Shield“ s modulem LoRaWAN, LED, digitální vstup, snímače teploty, 8kanálovou ethernetovou bránu LoRaWAN HXG3000 společnosti Digi, integrované aplikační programovací rozhraní (API) pro vývojáře a 30denní bezplatný zkušební účet pro platformu zařízení-cloud s mobilním zřizováním typu „naskenovat a vyrazit“.

Brána HXG3000 poskytuje obousměrnou komunikaci s dlouhým dosahem bez přímé viditelnosti přes LoRaWAN a dokáže zpracovat až 1,5 milionu zpráv denně. Produkt obsahuje všesměrové rádio 1,7 dBm, výkon Tx až 27 dBm a citlivost Rx −138 dBm. Provoz je v bezlicenčním pásmu USA 902 až 928 MHz. Zařízení je napájeno buď ze sítě, nebo pomocí technologie PoE (Power-over-Ethernet). K dispozici jsou modely páteřního připojení Ethernet a LTE Cat M1.

Client Shield LoRaWAN společnosti Digi je součástí startovací sady, která podporuje techniky, kteří chtějí prototypovat a vyvíjet senzory LoRaWAN. Poskytuje konektivitu pro výběr kompatibilních vývojových desek mikrokontrolérů Nucleo společnosti STMicroelectronics (například NUCLEO-L053R8) a Arduino ARM Keil® Cortex® třídy M pro konektivitu na straně klienta LoRaWAN. Deska Client Shield je kromě stohovatelných konektorů Arduino vybavena snímačem teploty-termistorem s nízkou spotřebou energie, posuvným přepínačem digitálního vstupu a digitálně řízenou červenou, zelenou, modrou (RGB) LED. Deska má konektor U.FL a příslušná anténa je součástí sady. Deska také obsahuje modul LoRaWAN, který pracuje v bezlicenčním pásmu USA 902 až 928 MHz. Výkon TX je 14 až 20 dBm (obrázek 5).

Obrázek 5: Desku Client Shield XON-9-L1-KIT-001, která obsahuje modul LoRaWAN, lze namontovat na vývojovou desku Nucleo společnosti STMicroelectronics (zde zobrazená) nebo společnosti Arduino. (Zdroj obrázku: společnost Digi)

X-ON společnosti Digi je kompletní platforma typu zařízení-cloud pro koncová zařízení IoT. Platforma poskytuje vývojové i provozní cloudové řešení. Platforma X-ON obsahuje integrovaný síťový server LoRaWAN a připojuje se k serveru, aby podporovala zařízení a brány s bezdrátovým protokolem LoRaWAN. Připojovací server zpracovává tok připojení, včetně ověřování sítě a aplikačního serveru a generování klíče relace.

Platforma umožňuje vývojáři:

• Konfigurovat, monitorovat a diagnostikovat zařízení nebo brány z webového a mobilního rozhraní
• Automatizovat nasazení zařízení a bran pomocí zřizovací aplikace
• Spravovat brány bezdrátové sítě
• Shromažďovat a analyzovat data přímo z koncových zařízení
• Používat mezicloudové API pro obousměrná data zařízení v reálném čase mezi více cloudovými platformami
• Zaznamenávat a sledovat datové zprávy v reálném čase pro interaktivní operace a řešení potíží s koncovými zařízeními a branami
• Integrovat data prostřednictvím otevřených API a vyvíjet složitější aplikace pomocí nástrojů třetích stran (obrázek 6)

Obrázek 6: X-ON společnosti Digi je platforma typu zařízení-cloud pro koncová zařízení IoT, která umožňuje vývojářům automatizovat nasazení zařízení a bran pomocí zřizovací aplikace pro chytré telefony. Vývojář pak může konfigurovat, monitorovat a diagnostikovat zařízení nebo brány z webového a mobilního rozhraní. (Zdroj obrázku: společnost Digi)

Začínáme s projektem LoRaWAN

Protože Client Shield, vývojové desky Nucleo společností STMicroelectronics a Arduino používají vestavěné mikrokontroléry společnosti ARM Keil a proto mají „podporu ARM Keil Mbed“, začít na projektu se startovací sadou Digi je poměrně jednoduché. (Mbed společnosti ARM Keil je platforma a operační systém (OS) pro zařízení IoT založený na 32bitových mikrokontrolérech třídy M Cortex společnosti ARM Keil.) Deska Client Shield obsahuje vestavěný příkazový jazyk AT a zjednodušené vestavěné API Mbed C++ společnosti ARM Keil, které je navrženo tak, aby odstranilo složitosti návrhu a zjednodušilo vývoj.

Kompatibilita startovací sady LoRaWAN společnosti Digi s platformou Mbed umožňuje vývoj aplikací pomocí online zdrojů společnosti ARM Keil. Zdroje obsahují tři možnosti. Mbed Online Compiler umožňuje vývojáři okamžitě zahájit vývoj aplikací bez instalace čehokoli. Vše, co potřebujete, je účet Mbed.

Pro pokročilejší vývoj aplikací lze startovací sadu LoRaWAN společnosti Digi připojit k integrovanému vývojovému prostředí (IDE) Mbed Studio a vytvářet, kompilovat a ladit programy Mbed. A konečně je tu Mbed CLI, nástroj příkazového řádku, který lze integrovat do vývojářem preferovaného IDE.

Nejrychlejší cestou k vývoji je nejprve nastavit účet X-ON společnosti Digi. Dále se vývojář musí zaregistrovat k účtu Mbed Online Compiler. Po montáži desky Client Shield na vývojovou desku je třeba sestavu připojit ke stolnímu počítači pomocí kabelu USB. Poté se na desce Client Shield rozsvítí LED „PWR“ a na vývojové desce LED „COM“, což indikuje, že je elektronika napájena.

Mbed Online Compiler poté provede vývojáře sadou jednoduchých kroků, jak přidat hardwarovou platformu do kompilátoru. Jakmile je hardware přidán, kód lze importovat do kompilátoru z příkladů senzorových aplikací v úložišti Mbed (nebo jiných knihovnách) a stáhnout do vývojové desky. Kompilátor lze také použít ke změně konfigurací LoRaWAN, jako je třída zařízení a režim připojení k síti (obrázek 7).

Obrázek 7: Pomocí nástroje Mbed Online Compiler společnosti ARM Keil je snadné změnit konfigurace LoRaWAN, jako je třída zařízení a režim připojení k síti. (Zdroj obrázku: společnost Digi)

Za předpokladu, že je brána spuštěna, se deska Client Shield / vývojová deska připojí k síti a začne každých 15 s odesílat uplinky (ve výchozím režimu). Na stránce účtu X-ON se po stisknutí tlačítka „Stream“ na obrazovce zobrazí data přenesená ze zařízení.

Závěr

Pro konstruktéry senzorových a aktuátorových sítí IoT nabízí technologie LoRaWAN bezplatný RF přístup, dosah desítky kilometrů, nízkou spotřebu energie, dobré zabezpečení a škálovatelnost a robustní konektivitu. Stejně jako mnoho jiných bezdrátových protokolů IoT však může být náročné se vypořádat s konektivitou koncových zařízení, zřizováním, branami a streamováním dat snímačů do cloudu.

Jak je uvedeno v článku, startovací sada LoRaWAN společnosti Digi mnoho z těchto problémů řeší. Je vybavena deskou Client Shield se zjednodušeným integrovaným API Mbed C++ společnosti ARM Keil, bránou LoRaWAN s ethernetovým páteřním připojením a platformou X-ON zařízení-cloud s mobilním zřizováním typu „naskenovat a vyrazit“. Pomocí startovací sady může vývojář rychle začít pracovat s prototypem hardwaru LoRaWAN, vyvíjet a přenášet senzorový a aktuátorový kód aplikace a analyzovat a prezentovat data pomocí cloudové platformy.