Fremskynd LoRaWAN IoT-prosjekter med et ende-til-ende-startsett

Konstruktører av sensor- og aktuatornettverk for tingenes Internett (IoT) ment for fjernovervåking- og styringsinstallasjoner, som spenner fra landbruk og gruvedrift til smarte byer, har behov for trådløse grensesnitt med lang rekkevidde som er sikre, robuste, krever minimalt med vedlikehold og er relativt enkelt å distribuere. Et godt alternativ for slike bruksområder er LoRaWAN, som har en rekkevidde på opptil 15 kilometer (km) med åpne siktlinjeforbindelser og opptil 5 kilometer (km) i byområder – ved å bruke sluttenheter med batterier som kan vare i opptil 10 år.

Selv om LoRaWAN er en moden LPWAN-teknologi (low-power, wide-area network) med lavt energiforbruk, trenger utviklere alltid måter å forenkle distribusjon og koble til skyen på.

Utfordringen for utviklere som ikke har erfaring med LoRaWAN IoT-prosjekter, er kompleksiteten av å konfigurere den trådløse sluttenheten og kommunisere med gatewayen og en IoT-plattform i skyen. Oppgaven gjøres mye enklere med startpakker fra leverandøren, som omfatter alle elementene som skal til for å bygge og drifte en prototype.

Denne artikkelen introduserer LoRaWAN og forklarer hvordan teknologien utfyller trådløse sensornettverk med kort rekkevidde ved å danne et LPWAN-nettverk som videresender sensordata til skyen. Den introduserer og beskriver deretter hvordan du bruker startpakken Digi XON-9-L1-KIT-001 – som omfatter en sluttenhet med flere sensorer, en gateway med flere kanaler og en IoT-plattform for enhet til sky – til å konstruere, utvikle og konfigurere en LoRaWAN IoT-løsning basert på en industriell plattform.

Hva er LoRa og LoRaWAN?

LoRaWAN er en LPWAN-teknologi for IoT-enheter, og karakteriseres ved at den har en rekkevidde på flere titalls kilometer, lav gjennomstrømning (250 bits per sekund (bits/s) til 50 kilobits per sekund (kbits/s) avhengig av bærefrekvensen) og svært lavt strømforbruk (batterilevetid på opptil ti år, avhengig av bruksområdet). Tabell 1 illustrerer hvordan LoRaWAN kan sammenlignes med andre IoT-teknologier.

Tabell 1: LoRaWAN er en LPWAN IoT trådløs protokoll med egenskaper som er egnet for drift med lav gjennomstrømning og lang rekkevidde. Tabellen viser hvordan den kan sammenlignes med andre trådløse IoT-teknologier. (Bildekilde: Semtech)

LoRa-spesifikasjonen definerer det fysiske laget (PHY) og modulasjonsteknikken som er grunnlaget til LoRaWAN. Kontrolladresse for nettverkstilgang (MAC – media access control) i protokollstakken er spesifisert i LoRaWAN-standarden (figur 1).

Figur 1: LoRa fysisk lag (PHY) og modulasjonsteknikk, og LoRaWAN MAC, pluss applikasjonslaget, utgjør LoRaWAN-protokollstakken. (Bildekilde: Semtech)

Den viktigste faktoren til teknologiens rekkevidde er bruken av en modifisert form for DSSS-modulering (DSSS – direct sequence spread spectrum). DSSS sprer signalet over en bredere båndbredde enn båndbredden til den opprinnelige informasjonen, noe som gjør den mindre mottakelig for interferens og øker rekkevidden. En bakside med DSSS er at den krever en svært nøyaktig (og dyr) referanseklokke. LoRa CSS-teknikken (CSS – Chirp Spread Spectrum) tilbyr et billig DSSS-alternativ med lavt energiforbruk som eliminerer klokken. CSS sprer signalets spektrum ved å generere et chirp-signal som kontinuerlig varierer i frekvens (figur 2).

Figur 2: LoRa CSS-teknikken sprer signalets spektrum ved å generere et chirp-signal som kontinuerlig varierer i frekvens. Teknikken eliminerer behovet for de dyre referanseklokkene som brukes i DSSS. (Bildekilde: Semtech)

Med CSS er tids- og frekvensforskyvninger mellom senderen og mottakeren ekvivalente, noe som ytterligere reduserer kompleksiteten til mottakerens konstruksjon. LoRa-modulasjon inkluderer også et system for variabel feilkorrigering som forbedrer robustheten til det overførte signalet, noe som øker rekkevidden ytterligere. Resultatet er et lenkebudsjett (link budget) for sendereffekt (Tx) og mottakerfølsomhet (Rx) i desibel milliwatt (dBm) på rundt 154 dBm, slik at en enkelt gateway eller basestasjon kan dekke hele byer.

I Nord-Amerika bruker LoRaWAN 902 til 928 megahertz (MHz) ISM-spektrumtildeling (ISM – industriell, vitenskapelig og medisinsk). Den trådløse protokollen definerer opplink-kanaler på 64 x 125 kilohertz (kHz), fra 902,3 til 914,9 MHz i trinn på 200 kHz. Det finnes ytterligere åtte opplink-kanaler på 500 kHz, fra 903 MHz til 914,9 Mhz i trinn på 1,6 MHz. De åtte nedlink-kanalene har en bredde på 500 kHz, som går fra 923,3 Mhz til 927,5 MHz. Maksimal sendeeffekt i Nord-Amerika er 30 dBm, men for de fleste bruksområder er en sendeeffekt på 20 dBm tilstrekkelig. I henhold til amerikanske FCC-forskrifter er det ingen begrensninger i driftssyklusen, men det er en maksimal holdetid på 400 millisekunder (ms) per kanal.

Maskenettverksdrift er en teknikk som brukes til å øke rekkevidden ved å videresende meldinger mellom noder for å nå nettverkets kanter, men dette bidrar til økt kompleksitet, redusert kapasitet og mindre batterilevetid. I stedet for å bruke maskenettverk, benytter LoRaWAN en stjernetopologi der hver (langdistanse) node kobles direkte til en gateway. Noder er ikke tilknyttet en bestemt gateway. I stedet mottas data som sendes av en node vanligvis av flere gatewayer. Hver gateway videresender deretter den mottatte pakken fra sluttnoden til den skybaserte nettverksserveren via en type bakserver (vanligvis mobil, Ethernet, satellitt eller Wi-Fi) (figur 3).

Figur 3: LoRaWAN benytter stjernetopologi, der hver sluttenhet kobles direkte til en eller flere gatewayer. Hver gateway videresender deretter informasjonen til den skybaserte nettverksserveren via en bakserver-tilkobling. (Bildekilde: Semtech)

For å gjøre et stjernenettverk med dekning over lange avstander levedyktig, må gatewayen være i stand til å motta meldinger fra et stort antall noder. LoRaWAN oppnår denne høye kapasiteten ved å bruke adaptiv datahastighet og gatewayer som kan motta meldinger på flere kanaler samtidig. Én enkelt åttekanals gateway kan støtte flere hundre tusen meldinger per dag. Hvis vi forutsetter at hver sluttenhet sender ti meldinger om dagen, kan en slik gateway støtte omtrent 10 000 enheter. Hvis mer kapasitet er nødvendig, kan flere gatewayer legges til i nettverket.

LPWAN-startpakke for rask prototyping

LPWAN-teknologier er komplekse og kan være en utfordring for en uerfaren konstruktør. Ikke bare må utvikleren konfigurere den trådløse sluttenheten med en sikker og robust tilkobling, men også forbinde den med gatewayen, integrere den som en del av nettverket og deretter koble den til en IoT-plattform i skyen.

Denne utbyggingen av en ende-til-ende LoRaWAN IoT-løsning er enklere med en skreddersydd startpakke, for eksempel Digi XON-9-L1-KIT-001 LoRaWAN-startpakke (figur 4). Med et slikt startsett kan en konstruktør raskt gjøre seg kjent med hvert eneste trinn i prosessen, i visshet om at neste trinn da raskt kan innlemmes. Som et resultat kan en ikke-fagperson raskt utføre prototyping på en komplett LoRaWAN IoT-løsning.

Figur 4: XON-9-L1-KIT-001 LoRaWAN-startpakken inneholder alt som trengs for å gjøre prototyping på en nettverkstilkobling, inkludert HXG3000 Ethernet-gatewayen, opp- og nedlink, et Client Shield-kort, antenne, strømforsyning og et programmeringsgrensesnitt. (Bildekilde: Digi)

LoRa har enhetsklasser som avveier nettverkets latenstid for nedlinkkommunikasjon mot batterilevetiden. Digi-startsettet gir støtte til LoRaWAN klasse A (laveste effekt, toveis sluttenheter) og klasse C (laveste latens, sluttenhetsmottaker alltid på, toveis sluttenheter).

Startpakken kommer med alt som trengs for å konfigurere en LoRaWAN-prototype raskt og sikkert. Nærmere bestemt inkluderer den en opp-/nedlink, et utvidelseskort eller «Client Shield» med en LoRaWAN-modul, en lysdiode, en digital inngang, temperatursensorer, en Digi 8-kanals LoRaWAN HXG3000 Ethernet-gateway, integrert API for integrasjonsutviklere og 30-dagers gratis prøvekonto til en enhet-til-sky-plattform for mobil klargjøring med skanning og drift (scan-and-go).

HXG3000-gatewayen leverer dekning over lange distanser, ikke-siktlinjeforbindelser, toveiskommunikasjon over LoRaWAN, og kan håndtere opptil 1,5 millioner meldinger per dag. Produktet inkluderer en 1,7 dBm rundtstrålende radio, opptil 27 dBm sendeeffekt og –138 dBm mottaksfølsomhet. Driften skjer på det lisensfrie amerikanske 902 til 928 MHz-båndet. Enheten strømsettes fra enten en vekselstrømforsyning eller PoE (Power-over-Ethernet). Ethernet og LTE Cat M1 bakserver-modeller er tilgjengelige.

Digi LoRaWAN Client Shield er den delen av startsettet som støtter konstruktører som ønsker å gjøre prototyping og utvikle LoRaWAN-sensorer. Den gir konnektivitet til utvalgte kompatible Nucleo fra STMicroelectronics (for eksempel NUCLEO-L053R8) og utviklingskort for Cortex®-M-Class-mikrokontroller for klientkonnektivitet via LoRaWAN fra Arduino ARM Keil®. I tillegg til Arduino-kontakter som kan stables, har Client Shield en termistor-temperatursensor med lavt energiforbruk, digital inngangsglidebryter og en digitalt styrt RGB-lysdiode. Skjoldet har en U.FL-kontakt, og den tilknyttede antennen er inkludert som en del av settet. Skjoldet innlemmer også LoRaWAN-modulen som opererer på det lisensfrie amerikanske 902 til 928 MHz-båndet. Sendeeffekten er 14 til 20 dBm (figur 5).

Figur 5: XON-9-L1-KIT-001 Client Shield, som inneholder LoRaWAN-modulen, kan monteres på et STMicroelectronics Nucleo (vist her) eller Arduino-utviklingskort. (Bildekilde: Digi)

Digi X-ON er en komplett enhet-til-sky-plattform for IoT-sluttenheter. Plattformen leverer både en utviklingsløsning og en driftsmessig skyløsning. X-ON innlemmer en integrert LoRaWAN-nettverksserver og kobler seg til serveren for å støtte enheter og gatewayer som kjører den trådløse LoRaWAN-protokollen. Koblingsserveren håndterer koblingsflyt, som omfatter autentisering av nettverk og applikasjonsserver og generering av øktnøkler.

Plattformen gjør det mulig for utvikleren å gjøre følgende:

• Konfigurere, overvåke og diagnostisere enheter eller gatewayer fra Internett- og mobilgrensesnittet
• Automatiser distribusjon av enheter og gatewayer med klargjøringsappen
• Administrer gatewayer for trådløse nettverk
• Samle inn og analysere data direkte fra sluttenheter
• Bruk en intercloud-API for toveis enhetsdata mellom flere skyplattformer i sanntid
• Loggfør og spor sanntidsdatameldinger for interaktive operasjoner og feilsøking med sluttenheter og gatewayer
• Integrer data gjennom åpne API-er for å utvikle mer komplekse applikasjoner med tredjepartsverktøy (figur 6)

Figur 6: Digi X-ON er en enhet-til-sky-plattform for IoT-sluttenheter som gir utvikleren muligheten til å automatisere distribusjon av enheter og gatewayer med smarttelefonappen for klargjøring. Utvikleren kan så konfigurere, overvåke og diagnostisere enheter eller gatewayer fra Internett- og mobilgrensesnittet. (Bildekilde: Digi)

Komme i gang med et LoRaWAN-prosjekt

Fordi Client Shield, STMicroelectronics Nucleo og Arduino-utviklingskortene bruker integrerte ARM Keil-mikrokontrollere, og derfor er «ARM Keil Mbed-aktiverte», er det relativt enkelt å komme i gang med et prosjekt med Digi-startpakken. (ARM Keil Mbed er en plattform og et operativsystem (OS) for IoT-enheter basert på 32-bit ARM Keil Cortex M-Class mikrokontrollere.) Client Shield kommer med et integrert AT-kommandospråk og en forenklet ARM Keil Mbed C++ integrert API som er konstruert for å trekke ut kompleksitetene til konstruksjonen, og dermed forenkle utviklingen.

Digi LoRaWAN-startpakkens Mbed-kompatibilitet muliggjør utviklingsarbeid av applikasjoner ved å bruke ARM Keil Mbed-ressurser på nett. Ressursene omfatter tre alternativer. Med Mbed Online Compiler kan utvikleren umiddelbart starte utvikling av applikasjoner uten å installere noe. Alt som trengs er en Mbed-konto.

For å oppnå mer avansert utvikling av applikasjoner kan Digi LoRaWAN-startpakken kobles til Mbed Studio, et skrivebordsintegrert utviklingsmiljø (IDE – integrated development environment) for å opprette, kompilere og feilsøke Mbed-programmer. Til slutt har vi Mbed CLI, et kommandolinjeverktøy som kan integreres i utviklerens foretrukne IDE.

Den raskeste veien til utvikling er å først konfigurere Digi X-ON-kontoen. Deretter må utvikleren registrere seg for en Mbed Online Compiler-konto. Deretter, etter at Client Shield er montert på utviklingskortet, må enheten kobles til en stasjonær datamaskin ved å bruke en USB-kabel. «PWR»-lysdioden på Client Shield og «COM»-lysdioden på utviklingskortet vil da lyse og gi uttrykk for at elektronikken er slått på.

Mbed Online Compiler veileder deretter utvikleren gjennom et sett med enkle trinn for å legge til maskinvareplattformen i kompilatoren. Når maskinvaren er lagt til, kan koden importeres til kompilatoren fra sensorprogram-eksemplene i Mbed-arkivet (eller andre biblioteker) og lastes ned til utviklingskortet. Kompilatoren kan også brukes til å endre LoRaWAN-konfigurasjonene, for eksempel enhetsklasse og nettverktilkoblingsmodus (figur 7).

Figur 7: Det er enkelt å endre LoRaWAN-konfigurasjonene, for eksempel enhetsklasse og nettverktilkoblingsmodus, ved å bruke ARM Keil Mbed Online Compiler. (Bildekilde: Digi)

Forutsatt at gatewayen kjører, vil Client Shield / utviklingskortet tilkobles nettverket og begynne å sende opplinker hvert 15. sekund (i standardmodus). På X-ON-kontosiden, når «Stream»-knappen trykkes, vil data som sendes fra enheten vises på skjermen.

Konklusjon

LoRaWAN tilbyr konstruktører av IoT-nettverk for sensorer og aktuatorer lisensfri RF-tilgang, flere titalls kilometer rekkevidde, lavt strømforbruk, god sikkerhet og skalerbarhet og robust konnektivitet. I likhet med mange trådløse IoT-protokoller, kan det derimot være utfordrende å håndtere konnektivitet av sluttenheter, klargjøring, gatewayer og strømming av sensordata til skyen.

Som vist adresserer Digi LoRaWAN-startpakken mange av disse problemene. Den har Client Shield med en forenklet ARM Keil Mbed C++ integrert API, en LoRaWAN-gateway med Ethernet-bakserver og en X-ON enhet-til-sky-plattform med mobil klargjøring med skanning og drift. Med startpakken kan utvikleren raskt komme i gang med en LoRaWAN-maskinvareprototype, utvikle og portere applikasjonskode til sensorer og aktuatorer og analysere og presentere data ved hjelp av skyplattformen.