Accelerați proiectele IoT LoRaWAN cu un kit de pornire complet

Proiectanții de rețele de senzori și mecanisme de acționare din Internetul lucrurilor (IoT) pentru aplicații de monitorizare și control la distanță, ce variază de la agricultură și minerit până la orașele inteligente, au nevoie de o interfață wireless cu rază lungă de acțiune care să fie sigură, robustă, cu întreținere redusă și relativ ușor de implementat. O opțiune bună pentru astfel de aplicații este LoRaWAN, cu o rază de acțiune de până la 15 kilometri (km) prin conexiuni rurale cu linie de vizibilitate directă și de până la 5 kilometri (km) în zonele urbane – folosind dispozitive finale cu baterii care pot funcționa până la 10 ani.

În timp ce LoRaWAN este o tehnologie matură de rețea de mare distanță și cu consum redus de energie (LPWAN), dezvoltatorii au mereu nevoie de modalități de simplificare a implementării și de conectare la cloud.

Provocarea pentru inginerii noi în proiectele IoT LoRaWAN vine din faptul că trebuie să ia în calcul nu numai complexitatea de configurare a dispozitivului final wireless, ci și complexitatea de interfațare cu gateway-ul și cu o platformă IoT în cloud. Sarcina este mult simplificată cu ajutorul kiturilor de pornire ale furnizorilor, care includ toate elementele necesare pentru construirea și operarea unui prototip.

Acest articol prezintă LoRaWAN și explică modul în care această tehnologie completează rețelele de senzori wireless cu rază scurtă de acțiune prin formarea unei rețele LPWAN pentru a transmite datele senzorilor către cloud. Apoi, prezintă și descrie modul de utilizare a kitului de pornire XON-9-L1-KIT-001 al Digi – care include un dispozitiv final cu senzori multipli, un gateway cu mai multe canale și o platformă IoT de la dispozitiv la cloud – pentru a proiecta, dezvolta și configura o soluție IoT LoRaWAN bazată pe o platformă industrială.

Ce sunt LoRa și LoRaWAN?

LoRaWAN este o tehnologie LPWAN pentru dispozitive IoT, caracterizată printr-o rază de acțiune de zeci de kilometri, o capacitate de procesare digitală redusă (de la 250 de biți pe secundă (bit/s) până la 50 de kilobiți pe secundă (Kbit/s), în funcție de frecvența purtătoare) și un consum de energie foarte redus (pentru o durată de viață a bateriei de până la un deceniu, în funcție de aplicație). Tabelul 1 ilustrează modul în care LoRaWAN se compară cu alte tehnologii IoT.

Tabelul 1: LoRaWAN este un protocol wireless IoT LPWAN cu caracteristici adecvate pentru o funcționare cu capacitate de procesare digitală redusă și rază lungă de acțiune. Tabelul arată cum se compară cu alte tehnologii IoT wireless. (Sursa imaginii: Semtech)

Specificația LoRa definește stratul fizic (PHY) și tehnica de modulație care stau la baza LoRaWAN. Stratul de control al accesului la media (MAC) al stivei de protocoale este specificat de standardul LoRaWAN (Figura 1).

Figura 1: stratul fizic LoRa (PHY) și tehnica de modulație și LoRaWAN MAC, plus stratul de aplicație, alcătuiesc stiva de protocoale LoRaWAN. (Sursa imaginii: Semtech)

Cheia pentru raza de acțiune a tehnologiei este utilizarea unei forme modificate de modulație DSSS (spectru larg cu secvență directă). DSSS răspândește semnalul pe o lățime de bandă mai mare decât lățimea de bandă a informației originale, ceea ce îl face mai puțin susceptibil la interferențe, sporind raza de acțiune. Un dezavantaj al DSSS este faptul că necesită un ceas de referință foarte precis (și costisitor). Tehnica LoRa Chirp Spread Spectrum (CSS) oferă o alternativă DSSS puțin costisitoare și cu consum redus de energie care elimină ceasul. CSS răspândește spectrul semnalului prin generarea unui semnal de tip tril care variază continuu în frecvență (Figura 2).

Figura 2: tehnica CSS LoRa răspândește spectrul semnalului prin generarea unui semnal de tip tril care variază continuu în frecvență. Tehnica elimină necesitatea de utilizare a ceasurilor de referință costisitoare utilizate în DSSS. (Sursa imaginii: Semtech)

Prin utilizarea CSS, decalajele de sincronizare și de frecvență dintre emițător și receptor sunt echivalente, ceea ce reduce și mai mult complexitatea proiectării receptorului. De asemenea, modularea LoRa include o schemă de corecție variabilă a erorilor care îmbunătățește robustețea semnalului transmis, sporind și mai mult raza de acțiune. Rezultatul este o putere de emisie (Tx) a bugetului de legături și o sensibilitate a receptorului (Rx) în decibeli miliwați (dBm) de aproximativ 154 dBm, ceea ce permite unei singure stații de bază sau unui gateway să acopere orașe întregi.

În America de Nord, LoRaWAN utilizează alocarea spectrului pentru aplicații industriale, științifice și medicale (ISM) între 902 și 928 megahertzi (MHz). Protocolul wireless definește 64 de canale de legătură ascendentă de 125 kilohertzi (kHz), de la 902,3 la 914,9 MHz, în trepte de 200 kHz. Există opt canale suplimentare de 500 kHz pentru legătura ascendentă, în trepte de 1,6 MHz, de la 903 MHz la 914,9 MHz. Cele opt canale de legătură descendentă au o lățime de 500 kHz, începând de la 923,3 MHz până la 927,5 MHz. Puterea TX maximă în America de Nord este de 30 dBm, dar pentru majoritatea aplicațiilor este suficientă o putere TX de 20 dBm. În conformitate cu reglementările FCC din SUA, nu există limitări ale ciclului de funcționare, dar există un timp de așteptare maxim de 400 de milisecunde (ms) pe canal.

Rețeaua de tip mesh este o tehnică de creștere a razei de acțiune prin transmiterea de mesaje între noduri pentru a ajunge la marginile rețelei, dar aceasta adaugă complexitate, reduce capacitatea și scade durata de viață a bateriei. În loc să utilizeze rețele mesh, LoRaWAN folosește o topologie în stea, în care fiecare nod (cu rază lungă de acțiune) se conectează direct la un gateway. Nodurile nu sunt asociate cu un anumit gateway. În schimb, datele transmise de un nod sunt, de obicei, recepționate de mai multe gateway-uri. Fiecare gateway transmite apoi pachetul primit de la nodul final la serverul de rețea bazat pe cloud prin intermediul unei forme de legături backhaul (de obicei, celular, Ethernet, satelit sau Wi-Fi) (Figura 3).

Figura 3: LoRaWAN utilizează o topologie în stea, în care fiecare dispozitiv final se conectează direct cu unul sau mai multe gateway-uri. Fiecare gateway transmite apoi informațiile către serverul de rețea bazat pe cloud prin intermediul unei conexiuni de tip backhaul. (Sursa imaginii: Semtech)

Pentru ca o rețea în stea cu rază lungă de acțiune să fie viabilă, gateway-ul trebuie să fie capabil să primească mesaje de la un număr mare de noduri. LoRaWAN obține această capacitate ridicată prin utilizarea unei viteze de date adaptive și prin utilizarea de gateway-uri care pot primi mesaje simultane pe mai multe canale. Un singur gateway cu opt canale poate accepta câteva sute de mii de mesaje pe zi. Presupunând că fiecare dispozitiv final trimite zece mesaje pe zi, un astfel de gateway poate accepta aproximativ 10.000 de dispozitive. Dacă este necesară o capacitate mai mare, se pot adăuga alte gateway-uri la rețea.

Kit de pornire LPWAN pentru prototipare rapidă

Tehnologiile LPWAN sunt complexe și pot reprezenta o provocare pentru un inginer fără experiență. Dezvoltatorul nu trebuie doar să configureze dispozitivul final wireless cu o conexiune sigură și robustă, ci și să îl interfațeze cu gateway-ul, să îl furnizeze ca parte a rețelei și apoi să realizeze conexiunea cu o platformă IoT în cloud.

Această dezvoltare a unei soluții IoT LoRaWAN complete este simplificată cu ajutorul unui kit de pornire personalizat, cum ar fi kitul de pornire LoRaWAN XON-9-L1-KIT-001 al Digi (Figura 4). Cu un astfel de kit de pornire, un inginer se poate familiariza rapid cu fiecare etapă a procesului, știind că următoarea etapă poate fi apoi încorporată rapid. Prin urmare, un non-expert poate crea rapid un prototip pentru o soluție IoT LoRaWAN completă.

Figura 4: kitul de pornire LoRaWAN XON-9-L1-KIT-001 include toate elementele necesare pentru a realiza prototipul unei conexiuni de rețea, inclusiv gateway-ul Ethernet HXG3000, legătura ascendentă și legătura descendentă, o placă Client Shield, antenă, sursă de alimentare și o interfață de programare. (Sursa imaginii: Digi)

LoRa dispune de clase de dispozitive care compensează latența de comunicare prin legătură descendentă a rețelei în raport cu durata de viață a bateriei; kitul de pornire Digi oferă suport pentru dispozitive LoRaWAN din clasa A (cea mai mică putere, dispozitive finale bidirecționale) și din clasa C (cea mai mică latență, receptorul dispozitivului final mereu activ, dispozitive finale bidirecționale).

Kitul de pornire oferă tot ce este necesar pentru a configura rapid și sigur un prototip LoRaWAN. Mai exact, acesta include o legătură ascendentă/descendentă, o placă de expansiune sau „Client Shield” cu un modul LoRaWAN, un led, o intrare digitală, senzori de temperatură, un gateway Ethernet LoRaWAN HXG3000 cu 8 canale de la Digi, o interfață de programare a aplicațiilor (API) încorporată pentru dezvoltatori și un cont de încercare gratuită de 30 de zile pentru o platformă de conectare a dispozitivelor în cloud cu aprovizionare mobilă de tip „scan-and-go”.

Gateway-ul HXG3000 oferă comunicații bidirecționale pe rază lungă de acțiune, fără linie de vizibilitate directă, prin LoRaWAN, și poate gestiona până la 1,5 milioane de mesaje pe zi. Produsul include un radio omnidirecțional de 1,7 dBm, o putere Tx de până la 27 dBm și o sensibilitate Rx de -138 dBm. Funcționarea se face în banda de 902-928 MHz, fără licență, din SUA. Dispozitivul este alimentat fie de la o sursă de curent alternativ, fie de la Power-over-Ethernet (PoE). Sunt disponibile modele de tip backhaul Ethernet și LTE Cat M1.

LoRaWAN Client Shield de la Digi este o parte a kitului de pornire care îi ajută pe inginerii care doresc să creeze prototipuri și să dezvolte senzori LoRaWAN. Aceasta oferă conectivitate cu anumite plăci de dezvoltare cu microcontroler din clasa Cortex®-M compatibile STMicroelectronics Nucleo (de exemplu, NUCLEO-L053R8) și Arduino ARM Keil® pentru conectivitate LoRaWAN pe partea clientului. Pe lângă conectorii superpozabili Arduino, Client Shield dispune de un senzor de temperatură cu termistor cu consum redus de energie, un comutator glisant de intrare digitală și un led roșu, verde, albastru (RGB) controlat digital. Ecranul are un conector U.FL, iar antena asociată este inclusă în kit. Scutul încorporează și modulul LoRaWAN, care funcționează în banda de 902-928 MHz din SUA, fără licență. Puterea TX este de la 14 până la 20 dBm (Figura 5).

Figura 5: Client Shield XON-9-L1-KIT-001, care găzduiește modulul LoRaWAN, poate fi montat pe o placă de dezvoltare STMicroelectronics Nucleo (prezentată aici) sau Arduino. (Sursa imaginii: Digi)

X-ON de la Digi este o platformă completă de la dispozitiv la cloud pentru dispozitive finale IoT. Platforma oferă atât o soluție cloud de dezvoltare, cât și una operațională. X-ON încorporează un server de rețea LoRaWAN integrat și se conectează la server pentru a sprijini dispozitivele și gateway-urile care utilizează protocolul wireless LoRaWAN. Serverul de conectare gestionează fluxul de conectare, inclusiv autentificarea rețelei și a serverului de aplicații și generarea cheii de sesiune.

Platforma permite dezvoltatorului să:

• Configureze, monitorizeze și diagnosticheze dispozitivele sau gateway-urile din interfața web și mobilă
• Automatizeze implementarea dispozitivelor și a gateway-urilor cu aplicația de aprovizionare
• Gestioneze gateway-urile de rețea wireless
• Colecteze și să analizeze datele direct de la dispozitivele finale
• Utilizeze un API inter-cloud pentru date de dispozitiv în timp real și bidirecționale între mai multe platforme cloud
• Înregistreze și să urmărească mesajele de date în timp real pentru operațiuni interactive și depanare cu dispozitive finale și gateway-uri
• Integreze datele prin intermediul API-urilor deschise pentru a dezvolta aplicații mai complexe cu utilități terțe (Figura 6)

Figura 6: X-ON Digi este o platformă de la dispozitiv la cloud pentru dispozitive finale IoT care permite dezvoltatorului să automatizeze implementarea dispozitivelor și a gateway-urilor cu ajutorul aplicației de aprovizionare pentru smartphone. Apoi, dezvoltatorul poate configura, monitoriza și diagnostica dispozitivele sau gateway-urile din interfața web și mobilă. (Sursa imaginii: Digi)

Cum să începeți un proiect LoRaWAN

Deoarece plăcile de dezvoltare Client Shield, STMicroelectronics Nucleo și Arduino utilizează microcontrolere încorporate ARM Keil și, prin urmare, sunt „compatibile cu ARM Keil Mbed”, începerea unui proiect cu kitul de pornire Digi este relativ simplă. (ARM Keil Mbed este o platformă și un sistem de operare (OS) pentru dispozitive IoT bazate pe microcontrolere de 32 de biți ARM Keil Cortex din clasa M.) Client Shield include un limbaj de comenzi AT încorporat și un API încorporat simplificat pentru ARM Keil Mbed C++, care este conceput pentru a elimina complexitatea proiectării, simplificând dezvoltarea.

Compatibilitatea Mbed a kitului de pornire LoRaWAN supplierid :602 permite lucrul la dezvoltarea de aplicații utilizând resursele online Mbed ARM Keil. Resursele includ trei opțiuni. Compilatorul online Mbed permite dezvoltatorului să înceapă instantaneu dezvoltarea aplicației fără a instala nimic. Tot ceea ce vă trebuie este un cont Mbed.

Pentru dezvoltarea de aplicații mai avansate, kitul de pornire LoRaWAN Digi poate fi conectat la Mbed Studio, un mediu de dezvoltare integrat (IDE) desktop pentru crearea, compilarea și depanarea programelor Mbed. În cele din urmă, există Mbed CLI, un instrument de linie de comandă care poate fi integrat în IDE-ul preferat al dezvoltatorului.

Cea mai rapidă cale spre dezvoltare este să configurați mai întâi contul X-ON Digi. În continuare, dezvoltatorul trebuie să se înregistreze pentru un cont de compilator online Mbed. Apoi, după montarea Client Shield pe placa de dezvoltare, ansamblul trebuie să fie conectat la un computer desktop cu ajutorul unui cablu USB. Ledul „PWR” de pe Client Shield și ledul „COM” de pe placa de dezvoltare se vor aprinde atunci, indicând faptul că dispozitivele electronice sunt alimentate.

Compilatorul online Mbed ghidează apoi dezvoltatorul printr-un set de pași simpli pentru a adăuga platforma hardware la compilator. Odată ce hardware-ul este adăugat, codul poate fi importat în compilator din exemplele de aplicații pentru senzori din depozitul Mbed (sau din alte biblioteci) și descărcat în placa de dezvoltare. Compilatorul poate fi utilizat și pentru modificarea configurațiilor LoRaWAN, cum ar fi clasa dispozitivului și modul de conectare la rețea (Figura 7).

Figura 7: este simplu să modificați configurațiile LoRaWAN, cum ar fi clasa dispozitivului și modul de conectare la rețea, utilizând compilatorul online Mbed ARM Keil. (Sursa imaginii: Digi)

Cu condiția ca gateway-ul să funcționeze, placa de dezvoltare/Client Shield se va conecta la rețea și va începe să trimită legături ascendente la fiecare 15 s (în modul implicit). Pe pagina contului X-ON, odată ce apăsați butonul „Stream” (Transmitere), datele transmise de la dispozitiv vor fi afișate pe ecran.

Concluzie

Pentru proiectanții de rețele de detecție și mecanisme de acționare IoT, LoRaWAN oferă acces RF fără licență, o rază de acțiune de zeci de kilometri, consum redus de energie, securitate și capacitate de scalare bune și conectivitate robustă. Cu toate acestea, la fel ca multe protocoale wireless IoT, gestionarea conectivității dispozitivelor finale, aprovizionarea, gateway-urile și transmiterea datelor senzorilor către cloud pot fi dificile.

După cum s-a arătat, kitul de pornire LoRaWAN Digi abordează multe dintre aceste probleme. Acesta dispune de un Client Shield cu un API încorporat simplificat pentru ARM Keil Mbed C++, un gateway LoRaWAN tip backhaul Ethernet și o platformă X-ON de la dispozitiv la cloud cu aprovizionare mobilă de tip „scan-and-go”. Cu ajutorul kitului de pornire, dezvoltatorul poate pune rapid în funcțiune un prototip hardware LoRaWAN, poate dezvolta și porta codul aplicației pentru senzori și mecanisme de acționare, și poate analiza și prezenta datele utilizând platforma cloud.