Accelerați dezvoltarea conectivității cu rază lungă de acțiune cu un modul LoRaWAN certificat

În multe aplicații de volum mare bazate pe senzori, destinate utilizării în agricultură, pentru urmărirea activelor, utilități și Internetul lucrurilor (IoT), dezvoltatorii trebuie să furnizeze o conectivitate sigură pe intervale de funcționare extinse. Conceput pentru a susține rețele foarte mari de astfel de dispozitive, protocolul LoRaWAN (long-range, wide-area network) poate oferi o soluție eficientă, dar necesită o familiaritate și o expertiză corespunzătoare pentru a implementa rapid un subsistem de comunicații optimizat.

Acest articol descrie pe scurt LoRaWAN și capacitățile sale. În continuare, prezintă un modul certificat LoRaWAN de la Murata Electronics , care oferă dezvoltatorilor o soluție directă pentru realizarea unei conectivități cu rază de acțiune extrem de lungă prin intermediul rețelelor de mică putere și de mare distanță (LPWAN). Pentru a accelera crearea de prototipuri, sunt introduse, de asemenea, placa de dezvoltare și suportul software.

Ce este LoRaWAN?

Dintre opțiunile de conectivitate wireless disponibile, LoRaWAN a apărut ca o soluție eficientă pentru aplicațiile bazate pe server care se conectează cu dispozitive finale cu consum redus de energie și care se află mult dincolo de raza de acțiune a opțiunilor wireless cunoscute, cum ar fi Wi-Fi sau Bluetooth. Într-o rețea LoRaWAN, serverele de aplicații comunică prin intermediul rețelelor convenționale Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) cu gateway-urile LoRaWAN (Figura 1).

Figura 1: Într-o aplicație tipică a unei rețele LoRaWAN, serverele se conectează la gateway-uri care, la rândul lor, utilizează capacitățile cu rază lungă de acțiune și cu consum redus de energie ale tehnologiei LoRa pentru a conecta dispozitive finale care ar putea fi situate la mulți kilometri distanță. (Sursa imaginii: Murata Electronics)

La rândul lor, gateway-urile LoRaWAN comunică cu dispozitivele finale folosind tehnologia LoRa de radiofrecvență (RF) sub-gigahertz care funcționează în benzile de frecvență industriale, științifice și medicale (ISM) fără licență. Destinată aplicațiilor cu o rată de biți relativ scăzută, tehnologia LoRa oferă o rată de biți maximă de aproximativ 10 kilobiți pe secundă (Kbit/s), dar are avantaje unice pentru aplicațiile cu rază lungă de acțiune.

Bazată pe tehnologia de spectru extins, LoRa RF permite dezvoltatorilor să schimbe rata de biți cu raza de acțiune, obținând cu ușurință comunicații bidirecționale sigure la distanțe de peste 15 kilometri (km) în zonele rurale sau de peste 5 km în locații interioare din zonele urbane dense.

Protocolul LoRaWAN protejează traficul de comunicații datorită modelului de securitate LoRaWAN. LoRaWAN utilizează o pereche de chei de securitate: una pentru a asigura autenticitatea și integritatea la nivel de pachet și alta pentru a garanta securitatea de la un capăt la altul a mesajelor între dispozitivele finale și serverele de aplicații.

Protocolul LoRaWAN oferă avantaje suplimentare pentru echilibrarea consumului de energie al dispozitivelor finale cu nevoile de comunicare ale aplicației. O rețea LoRaWAN permite dispozitivelor să funcționeze în una din trei clase: clasa A, clasa B sau clasa C. Un dispozitiv din orice clasă poate transmite mesaje în funcție de necesități, dar clasa sa determină când poate primi mesaje.

Dispozitivele din clasa A sunt cele mai eficiente din punct de vedere energetic, fiind concepute pentru funcționarea în funcție de evenimente, cum ar fi atunci când un senzor detectează o schimbare în mediul său. Dispozitivele din clasa A pot rămâne în stare de inactivitate între evenimente, activându-se după achiziția datelor senzorilor doar suficient de mult timp pentru a transmite date, iar apoi deschid ulterior ferestre de recepție downlink la întârzieri specificate (RX1 și RX2) după transmisia uplink (Figura 2).

Figura 2: Cea mai eficientă din punct de vedere energetic dintre clasele LoRaWAN, funcționarea în clasa A, permite dispozitivelor să fie inactive cât mai mult timp posibil, devenind active doar pentru a transmite (uplink) date către gateway-uri și, ulterior, să deschidă o primă fereastră de recepție (RX1) și o a doua fereastră de recepție (RX2) după finalizarea conexiunii uplink. (Sursa imaginii: Murata Electronics)

Dispozitivele din clasa B susțin funcționarea periodică conform unui program cerut de aplicație. În cazul dispozitivelor de clasă B, protocolul LoRaWAN permite dispozitivelor să deschidă o fereastră de recepție downlink după un program specificat, utilizând un semnalizator transmis de gateway pentru a sincroniza dispozitivul final cu rețeaua (Figura 3).

Figura 3: Dispozitivele LoRaWAN de clasă B permit downlink-uri sincronizate utilizând un semnalizator transmis de gateway-ul conectat pentru a menține sincronizarea. (Sursa imaginii: Murata Electronics)

Dispozitivele din clasa C sunt concepute pentru aplicații care necesită ca dispozitivele finale să asculte în permanență mesajele downlink. Deoarece dispozitivele din clasa C trebuie să rămână active, acestea sunt, de obicei, alimentate de la rețea și nu de la baterie, ca în cazul dispozitivelor din clasa A și chiar din clasa B (Figura 4).

Figura 4: Alimentate în mod obișnuit de la o sursă de energie constantă, dispozitivele LoRaWAN de clasă C rămân întotdeauna active, ascultând în mod constant mesajele downlink atunci când nu transmit mesaje uplink. (Sursa imaginii: Murata Electronics)

Deși aparent simplă în concept, implementarea rețelei LoRaWAN necesită cunoștințe și experiență semnificative pentru a găsi echilibrul corect între parametrii de funcționare detaliați ai protocolului LoRaWAN și tehnologia LoRa care stă la baza acestuia.

Modulul LoRaWAN certificat oferă o soluție de conectare directă

Modulul LBAA0QB1SJ-296 de la Murata Electronics și firmware-ul asociat oferă o soluție directă pentru accelerarea conectivității rețelei LoRaWAN, oferind o soluție completă certificată LoRaWAN pentru dispozitivele finale. Modulul integrează emițătorul-receptorul LoRa SX1262 de la Semtech, microcontrolerul STM32L072 de la STMicroelectronics cu memorie flash de 192 kiloocteți (Kbyte), un comutator RF și un oscilator cu cristal cu compensarea temperaturii (TCXO). Acesta se prezintă într-o capsulă protejată, turnată în rășină, care măsoară doar 10,0 x 8,0 x 1,6 milimetri (mm) (Figura 5).

Figura 5: Oferind o soluție completă de conectivitate LoRaWAN, modulul LBAA0QB1SJ-296 de la Murata Electronics integrează un emițător-receptor SX1262 LoRa de la Semtech și un microcontroler STM32L072 de la STMicroelectronics care rulează o stivă LoRaWAN preîncărcată. (Sursa imaginii: Murata Electronics)

Funcționând de la o singură sursă de alimentare de 3,3 volți, modulul consumă doar 15,5 miliamperi (mA) cu o lățime de bandă de 125 kilohertzi (kHz), oferind în același timp o sensibilitate a receptorului de -135,5 decibeli la 1 miliwatt (mW) (dBm) la o rată de eroare a pachetelor de 1% la aceeași lățime de bandă și același factor de distribuire maxim. Factorul de distribuire este definit ca fiind numărul de modulații de tip „chirp” per bit în implementarea tehnologiei spectrului extins cu modulații „chirp” din cadrul LoRa. Pentru transmisie, modulul oferă o putere de transmisie de până la +21,5 dBm și consumă 118 mA la puterea maximă de transmisie.

Modulul LBAA0QB1SJ-296 acceptă LoRaWAN clasa A, B sau C, oferind mai multe moduri de funcționare cu consum redus de energie, care permit dezvoltatorilor să echilibreze performanța și consumul de energie. Pentru dispozitivele finale alimentate cu baterii (care funcționează în mod obișnuit în clasa A sau B), modulul poate funcționa într-un mod de putere ultra-redus care consumă doar aproximativ 1,3 microamperi (µA) cu funcționarea în timp real a ceasului, permițând funcționarea timp de ani de zile.

Dezvoltarea rapidă a dispozitivelor conectate la LoRaWAN

Utilizarea modulului LBAA0QB1SJ-296 pentru a adăuga conectivitate LoRaWAN la un sistem de dispozitive finale este relativ simplă. Pe partea hardware, modulul se conectează la un procesor gazdă al dispozitivului final prin intermediul interfeței UART (transmițător universal de emisie/recepție asincronă) a modulului. În afară de interfața UART pentru comunicațiile cu gazda, modulul necesită doar o antenă externă și câteva componente suplimentare pentru a oferi un subsistem hardware LoRaWAN complet (Figura 6).

Figura 6: Utilizând modulul LBAA0QB1SJ-296 de la Murata Electronics, dezvoltatorii au nevoie doar de câteva componente suplimentare pentru a adăuga conectivitate LoRaWAN certificată la proiectele lor de dispozitive finale. (Sursa imaginii: Murata Electronics)

În ceea ce privește software-ul, modulul LBAA0QB1SJ-296 vine preconfigurat cu o stivă completă pentru funcționarea LoRaWAN în banda ISM de 915 megahertzi (MHz). În timpul funcționării, procesorul gazdă al dispozitivului final gestionează și monitorizează funcționarea modulului utilizând un set de comenzi AT.

Deși interfața hardware a modulului și firmware-ul preîncărcat contribuie la accelerarea dezvoltării personalizate, placa de evaluare LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK de la Murata permite dezvoltatorilor să înceapă imediat cu prototiparea rapidă și dezvoltarea accelerată a proiectelor de producție (Figura 7).

Figura 7: Concepută pentru a accelera evaluarea și prototiparea rapidă a conectivității LoRaWAN, placa de evaluare LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK de la Murata combină un modul LBAA0QB1SJ-296 cu periferice și conectori. (Sursa imaginii: Murata Electronics)

Placa de evaluare susține modulul LBAA0QB1SJ-296 integrat cu mai multe dispozitive de interfață cu utilizatorul, inclusiv diode emițătoare de lumină (leduri), un termistor și butoane. Dezvoltatorii pot extinde și mai mult funcționalitatea plăcii prin adăugarea perifericelor necesare folosind conectorii Arduino Uno V3 ai plăcii.

Pentru a începe să evalueze LoRaWAN pentru aplicația lor, dezvoltatorii trebuie doar să atașeze o antenă subminiaturală A (SMA) RF de 915 MHz, să alimenteze cu energie de la o sursă externă și să conecteze placa prin conectorul USB la un sistem de dezvoltare gazdă.

După ce se pornește placa, dezvoltatorii pot testa funcționarea modulului folosind un program de emulare a terminalului sau un instrument de testare a interfeței grafice cu utilizatorul (GUI) disponibil pentru utilizatorii înregistrați ai plăcii. Pentru o depanare extinsă, placa oferă un conector de depanare prin cablu serial (SWD) și USB pentru conectarea unui depanator/programator ST-LINK de la STMicroelectronics.

Pentru evaluarea aplicațiilor de la un capăt la altul și pentru depanarea software-ului, dezvoltatorii pot adăuga pur și simplu un gateway LoRaWAN ușor de găsit pentru a completa legătura de comunicații dintre placa de evaluare și serverele de aplicații.

Concluzie

Protocolul LoRaWAN și tehnologia LoRa care stă la baza acestuia oferă o soluție eficientă pentru conectarea dispozitivelor finale pe distanțe extinse, fără a compromite bugetele de energie limitate. Proiectat pentru a accelera implementarea rețelelor de mică putere și de mare distanță, modulul LBAA0QB1SJ-296 de la Murata Electronics oferă o soluție de instalare directă certificată LoRaWAN. Utilizând placa de evaluare LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK bazată pe LBAA0QB1SJ-296 de la Murata Electronics, dezvoltatorii pot realiza rapid prototipuri și pot evalua aplicațiile de rețea LoRaWAN.