Urychlení vývoje konektivity na dlouhé vzdálenosti s certifikovaným modulem LoRaWAN

V mnoha velkoobjemových senzorových aplikacích založených pro zemědělství, sledování majetku, veřejné služby a internet věcí (IoT) potřebují konstruktéři zajistit zabezpečenou konektivitu v širokém provozním rozsahu. Protokol LoRaWAN (long-range, wide-area network) navržený na podporu velmi rozsáhlých sítí takových zařízení může poskytnout efektivní řešení, vyžaduje však určité seznámení a odborné znalosti pro rychlou implementaci optimalizovaného komunikačního subsystému.

Tento článek stručně popisuje protokol LoRaWAN a jeho možnosti. Poté představuje modul s certifikací LoRaWAN od společnosti Murata Electronics , který vývojářům nabízí drop-in řešení pro dosažení extrémně dlouhého dosahu prostřednictvím nízkoenergetických, rozlehlých sítí (LPWAN). Pro urychlení prototypování je představena také jeho vývojová deska a softwarová podpora.

Co je protokol LoRaWAN?

Mezi dostupnými možnostmi bezdrátového připojení se protokol LoRaWAN ukázal jako efektivní řešení pro serverové aplikace, které se připojují ke koncovým zařízením s nízkou spotřebou ležícím daleko mimo rozsah známých bezdrátových technologií, jako jsou Wi-Fi nebo Bluetooth. V síti LoRaWAN komunikují aplikační servery prostřednictvím konvenčních sítí TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) s bránami LoRaWAN (obrázek 1).

Obrázek 1: v typické síťové aplikaci LoRaWAN se servery připojují k branám, které následně využívají schopnosti technologie LoRa s dlouhým dosahem a nízkou spotřebou energie k připojení koncových zařízení, která mohou být vzdálená mnoho kilometrů. (Zdroj obrázku: Murata Electronics)

Brány LoRaWAN následně komunikují s koncovými zařízeními pomocí subgigahertzové radiofrekvenční (RF) LoRa technologie pracující v nelicencovaných průmyslových, vědeckých a lékařských (ISM) frekvenčních pásmech. Technologie LoRa, která je určena pro aplikace s relativně nízkou přenosovou rychlostí, nabízí maximální přenosovou rychlost přibližně 10 kilobitů za sekundu (kbits/s), ale má jedinečné výhody pro aplikace s velkým dosahem.

Technologie LoRa RF založená na rozprostřeném spektru umožňuje vývojářům nahrazovat datový tok dosahem a snadno tak vytvořit spolehlivou obousměrnou komunikaci na vzdálenosti přes 15 km ve venkovských oblastech nebo přes 5 km ve vnitřních prostorech hustých městských oblastí.

Protokol LoRaWAN chrání komunikační provoz díky bezpečnostnímu modelu LoRaWAN. Protokol LoRaWAN používá dvojici bezpečnostních klíčů: jeden pro zajištění autenticity a integrity na úrovni paketů a druhý pro zajištění end-to-end zabezpečení zpráv mezi koncovými zařízeními a aplikačními servery.

Protokol LoRaWAN nabízí další výhody pro nalezení rovnováhy mezi spotřebou energie koncových zařízení a komunikačními potřebami aplikace. Síť LoRaWAN umožňuje zařízením pracovat v jedné z následujících tříd: třída A, třída B nebo třída C. Zařízení v jakékoli třídě může přenášet zprávy podle potřeby, jeho třída však určuje, kdy může zprávy přijímat.

Energeticky nejúčinnější zařízení třídy A jsou navržená na provoz řízený událostmi, například pokud senzor zaznamená změnu ve svém prostředí. Zařízení třídy A mohou mezi událostmi setrvávat v režimu spánku, probudit se po získání dat ze senzoru pouze na dobu nutnou k přenosu dat, a po přenosu odchozího připojení následně otevřít okna pro příjem příchozího připojení se specifikovanými zpožděními (RX1 a RX2) (obrázek 2).

Obrázek 2: provoz ve třídě A, která ze všech tříd LoRaWAN nabízí nejvyšší energetickou účinnost, umožňuje zařízením setrvat co nejdéle v režimu spánku, aktivovat se pouze pro přenos odchozích dat do bran a po jeho dokončení otevřít první (RX1) a druhé přijímací okno okno (RX2). (Zdroj obrázku: Murata Electronics)

Zařízení třídy B podporují periodický provoz podle plánu vyžadovaného aplikací. U zařízení třídy B umožňuje protokol LoRaWAN otevřít okno příchozího připojení podle určeného plánu pomocí majáku vysílaného bránou pro synchronizaci koncového zařízení se sítí (obrázek 3).

Obrázek 3: zařízení LoRaWAN třídy B umožňují synchronizovaná příchozí připojení pomocí majáku vysílaného připojenou bránou, aby se zachovalo časování. (Zdroj obrázku: Murata Electronics)

Zařízení třídy C jsou navržena pro aplikace, které vyžadují, aby koncová zařízení nepřetržitě naslouchala příchozím zprávám. Vzhledem k tomu, že zařízení třídy C musí zůstat aktivní, jsou obvykle napájena ze sítě, nikoli z baterie, jako u zařízení třídy A a dokonce i třídy B (obrázek 4).

Obrázek 4: zařízení LoRaWAN třídy C, která jsou obvykle napájena konstantním zdrojem energie, zůstávají stále aktivní a trvale naslouchají zprávám příchozího připojení, pokud nevysílají zprávy odchozího připojení. (Zdroj obrázku: Murata Electronics)

Ačkoli je koncepce sítě LoRaWAN zdánlivě jednoduchá, její implementace vyžaduje rozsáhlé znalosti a zkušenosti k nalezení správné rovnováhy mezi podrobnými provozními parametry protokolu LoRaWAN a jeho základní technologií LoRa.

Certifikovaný modul LoRaWAN nabízí řešení drop-in

Modul LBAA0QB1SJ-296 od společnosti Murata Electronics a související firmware nabízejí řešení typu drop-in pro urychlení síťové konektivity LoRaWAN a poskytují kompletní řešení s certifikací LoRaWAN pro koncová zařízení. Modul integruje LoRa transceiver SX1262 od společnosti Semtech, mikrokontrolér STM32L072 s192 kByte paměti flash od společnosti STMicroelectronics, RF přepínačem a teplotně kompenzovaným krystalovým oscilátorem (TCXO). Modul je dodáván v pryskyřicovém lisovaném pouzdru o rozměrech pouze 10,0 x 8,0 x 1,6 mm (obrázek 5).

Obrázek 5: modul LBAA0QB1SJ-296 od společnosti Murata Electronics, který poskytuje kompletní řešení připojení LoRaWAN, integruje transceiver Semtech SX1262 LoRa a mikrokontrolér STMicroelectronics STM32L072 s předinstalovaným zásobníkem LoRaWAN. (Zdroj obrázku: Murata Electronics)

Modul je napájen z jediného zdroje 3,3 V a odebírá proud pouze 15,5  mA se šířkou pásma 125 kHz, přičemž nabízí přijímací citlivost -135,5 dB vztažených na 1 mW (dBm) při chybovosti paketů 1 %, stejné šířce pásma a maximálním činiteli rozprostření. Činitel rozprostření je v implementaci technologie LoRa s rozprostřeným spektrem signálů chirp definován jako počet signálů chirp na jeden bit. Pro přenos nabízí modul vysílací výkon až +21,5 dBm při odběru proudu 118 mA a maximálním vysílacím výkonu.

Modul LBAA0QB1SJ-296 podporuje zařízení LoRaWAN třídy A, B nebo C a nabízí několik provozních režimů s nízkou spotřebou, které umožňují vývojářům vytvořit rovnováhu mezi výstupním výkonem a spotřebou energie. U koncových zařízení napájených z baterií (pracujících typicky ve třídě A nebo třídě B) může modul pracovat v režimu ultra nízké spotřeby, kdy odebírá pouze kolem 1,3 µA při provozu hodin reálného času, což umožňuje mnohaletý provoz.

Rychlý vývoj zařízení připojených k síti LoRaWAN

Použití modulu LBAA0QB1SJ-296 pro přidání konektivity sítím LoRaWAN do systému koncového zařízení je relativně jednoduché. Na straně hardwaru se modul připojuje k hostitelskému procesoru koncového zařízení prostřednictvím rozhraní univerzálního asynchronního přijímače/vysílače (UART). Kromě rozhraní UART pro hostitelskou komunikaci vyžaduje modul pouze externí anténu a několik dalších součástí pro vytvoření kompletního hardwarového subsystému LoRaWAN (obrázek 6).

Obrázek 6: pokud vývojáři chtějí do návrhů koncových zařízení přidat certifikovanou konektivitu LoRaWAN, při použití modulu Murata Electronics LBAA0QB1SJ-296 jim stačí jen několik dalších součástí. (Zdroj obrázku: Murata Electronics)

Po softwarové stránce je modul LBAA0QB1SJ-296 předkonfigurován s kompletním zásobníkem pro provoz LoRaWAN v pásmu 915 MHz ISM. Za provozu hostitelský procesor koncového zařízení řídí a monitoruje činnost modulu pomocí sady příkazů AT.

Ačkoli hardwarové rozhraní modulu a předinstalovaný firmware pomáhají urychlit vlastní vývoj, vyhodnocovací deska LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK od společnosti Murata umožňuje vývojářům ihned zahájit rychlé prototypování a zrychlený vývoj produkčních návrhů (obrázek 7).

Obrázek 7: vyhodnocovací deska LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK od společnosti Murata, navržená na urychlení vyhodnocování a rychlé prototypování konektivity LoRaWAN, spojuje modul LBAA0QB1SJ-296 s periferiemi a konektory. (Zdroj obrázku: Murata Electronics)

Vyhodnocovací deska podporuje vestavěný modul LBAA0QB1SJ-296 s několika zařízeními uživatelského rozhraní, včetně světelných diod (LED), termistoru a tlačítek. Vývojáři mohou dále rozšířit funkčnost desky přidáním potřebných periferií pomocí konektorů platformy Arduino Uno V3 na desce.

Aby mohli vývojáři začít vyhodnocovat zařízení LoRaWAN pro své aplikace, stačí pouze připojit vhodnou subminiaturní RF anténu verze A (SMA) 915 MHz, napájení z externího zdroje a poté připojit desku přes její USB konektor k hostitelskému vývojovému systému.

Jakmile deska přijde na řadu, mohou vývojáři otestovat provoz modulu pomocí programu na emulaci terminálu nebo testovacího nástroje s grafickým uživatelským rozhraním (GUI), který je dostupný registrovaným uživatelům desky. Pro rozšířené ladění poskytuje deska sériové ladicí rozhraní Serial Wire Debug (SWD) a USB konektor pro připojení debuggeru/programátoru ST-LINK od společnosti STMicroelectronics.

Pro komplexní vyhodnocování aplikací a ladění softwaru mohou vývojáři jednoduše přidat snadno dostupnou bránu LoRaWAN pro dokončení komunikačního spojení mezi vyhodnocovací deskou a aplikačními servery.

Závěr

Protokol LoRaWAN a základní technologie LoRa poskytují efektivní řešení pro připojení koncových zařízení na dlouhé vzdálenosti bez kompromisů omezených rozpočtů na energii. Modul LBAA0QB1SJ-296 společnosti Murata Electronics, navržený pro urychlení zavádění nízkoenergetických, rozlehlých sítí, poskytuje drop-in řešení s certifikací LoRaWAN. Pomocí vyhodnocovací desky LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK od společnosti Murata Electronics založené na modulu LBAA0QB1SJ-296 mohou vývojáři rychle prototypovat a vyhodnocovat síťové aplikace LoRaWAN.