Hastighetsutvikling av langdistansetilkobling med en sertifisert LoRaWAN-modul

I mange sensorbaserte utrustninger med høyt volum for landbruk, sporing av eiendeler, verktøy og tingenes internett (IoT) må utviklere sørge for sikker tilkobling på tvers av utvidede driftsområder. LoRaWAN-protokollen (Long Range, Wide Area Network) er utformet for å støtte svært store nettverk av slike enheter, og kan være en effektiv løsning, men den krever passende kjennskap og ekspertise for å implementere et optimalisert kommunikasjonsundersystem raskt.

Denne artikkelen gir en kort beskrivelse av LoRaWAN og dets muligheter. Den introduserer deretter en LoRaWAN-sertifisert modul fra Murata Electronics som tilbyr utviklere en ferdigløsning (drop-in-løsning) for å oppnå LPWAN (long-range connectivity through low-power, wide-area networks). For å akselerere prototyping, introduseres også utviklingskortet og programvarestøtten.

Hva er LoRaWAN?

Blant tilgjengelige trådløse tilkoblingsalternativer har LoRaWAN vist seg å være en effektiv løsning for serverbaserte utrustninger som kobler seg til enheter med lavt energiforbruk (lavenergienheter) som ligger langt utenfor rekkevidden av kjente trådløse alternativer som Wi-Fi eller Bluetooth. I et LoRaWAN-nettverk kommuniserer utrustningsservere via konvensjonelle TCP/IP-nettverk (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) med LoRaWAN-gatewayer (figur 1).

Figur 1: I en typisk LoRaWAN-nettverksutrustning kobles servere til gatewayer som igjen bruker langdistanse, lavstrømsfunksjonene til LoRa-teknologi for å koble til sluttenheter som kan være plassert mange kilometer unna. (Bildekilde: Murata Electronics)

LoRaWAN-gatewayer kommuniserer på sin side med sluttenheter ved hjelp av LoRa sub-gigahertz radiofrekvensteknologi (RF) som opererer i de ulisensierte industrielle, vitenskapelige og medisinske (ISM) frekvensbåndene. LoRa-teknologien er beregnet for utrustninger med relativt lav bithastighet, og tilbyr en maksimal bithastighet på ca. 10 kilobit per sekund (Kbits/s), men den har unike fordeler for utrustninger med lang rekkevidde.

Basert på spredt spektrumteknologi lar LoRa RF utviklere bytte bithastighet for rekkevidde, og enkelt oppnå pålitelig toveiskommunikasjon på avstander på over 15 kilometer (km) i landlige områder eller over 5 km på innendørs steder i tette byområder.

LoRaWAN-protokollen beskytter kommunikasjonstrafikken takket være LoRaWAN sin sikkerhetsmodell. LoRaWAN bruker et par sikkerhetsnøkler: en for å sikre autentisitet og integritet på pakkenivå, og en annen for å gi ende-til-ende-sikkerhet for meldinger mellom sluttenheter og utrustningsservere.

LoRaWAN-protokollen gir ytterligere fordeler for å balansere strømforbruket til sluttenheter med kommunikasjonsbehovene til utrustningen. Et LoRaWAN-nettverk gjør det mulig for enheter å operere i en av tre klasser: klasse A, klasse B eller klasse C. En enhet i en hvilken som helst klasse kan overføre meldinger etter behov, men dens klasse bestemmer når den kan motta meldinger.

Klasse A-enheter er de mest energieffektive, designet for hendelsesdrevet drift, for eksempel når en sensor oppdager en endring i omgivelsene. Klasse A-enheter kan forbli sovende mellom hendelser, våkne etter sensordatainnsamling bare lenge nok til å overføre data, og deretter åpne nedlink-mottaksvinduer ved spesifiserte forsinkelser (RX1 og RX2) etter oppkoblingsoverføringen (figur 2).

Figur 2: Den mest energieffektive av LoRaWAN-klasser, Klasse A-drift, lar enheter sove så lenge som mulig, og blir kun aktiv for å overføre (oppkoblings) data til gatewayer og deretter åpne et første mottaksvindu (RX1) og et andre mottaksvindu (RX2) etter at oppkoblingen er fullført. (Bildekilde: Murata Electronics)

Klasse B-enheter støtter periodisk drift på en tidsplan som kreves av utrustningen. For klasse B-enheter tillater LoRaWAN-protokollen enheter å åpne et nedlink-mottaksvindu på en spesifisert tidsplan, ved hjelp av et gateway-overført signal for å synkronisere sluttenheten med nettverket (figur 3).

Figur 3: LoRaWAN klasse B-enheter aktiverer synkroniserte nedlinker ved hjelp av et fyrtårn som overføres av den tilkoblede gatewayen for å opprettholde timing. (Bildekilde: Murata Electronics)

Klasse C-enheter er utformet for utrustninger som krever at sluttenheter lytter kontinuerlig etter nedlink-meldinger. Fordi klasse C-enheter må forbli aktive, er de vanligvis linjedrevne i stedet for batteridrevne, som med klasse A og til og med klasse B-enheter (figur 4).

Figur 4: Vanligvis drevet av en konstant strømkilde, forblir LoRaWAN klasse C-enheter alltid aktive, og lytter konstant etter nedlink-meldinger når de ikke sender oppkoblingsmeldinger. (Bildekilde: Murata Electronics)

Selv om konseptet ser ut til å være enkelt, krever LoRaWAN-nettverksimplementering betydelig kunnskap og erfaring for å finne den rette balansen mellom de detaljerte driftsparametrene til LoRaWAN-protokollen og den underliggende LoRa-teknologien.

Sertifisert LoRaWAN-modul tilbyr en ferdigløsning (drop-in-løsning)

Murata Electronics’ LBAA0QB1SJ-296-modul og tilhørende firmware tilbyr en ferdigløsning (drop-in-løsning) for å akselerere LoRaWAN-nettverkstilkobling, noe som gir en komplett LoRaWAN-sertifisert løsning for sluttenheter. Modulen inneholder Semtechs SX1262-LoRa-transceiver, STMicroelectronics’ STM32L072-mikrokontroller med 192 kilobyte (Kbyte) flashminne, en RF-bryter og en temperaturkompensert krystalloscillator (TCXO). Den leveres i en skjermet harpiksstøpt pakke som kun måler 10 x 8 x 1,6mm (figur 5).

Figur 5: Murata Electronics ’LBAA0QB1SJ-296-modul gir en komplett LoRaWAN-tilkoblingsløsning og integrerer en Semtech SX1262 LoRa-sender/mottaker og en STMicroelectronics STM32L072-mikrokontroller som kjører en forhåndslastet LoRaWAN-stakk. (Bildekilde: Murata Electronics)

Modulen drives fra en enkelt 3,3 volts forsyning, og bruker bare 15,5 milliampere (mA) med en 125 kilohertz (kHz) båndbredde mens den tilbyr en mottakerfølsomhet på -135,5 desibel referert til 1 milliwatt (mW) (dBm) med en pakkefeilrate på 1 % ved samme båndbredde og maksimal spredningsfaktor. Spredningsfaktoren er definert som antall kvitringer per bit i LoRas implementering av CHIRP-spredt spektrumteknologi. For overføring tilbyr modulen opptil +21,5 dBm sendeeffekt mens den bruker 118 mA ved maksimal sendeeffekt.

LBAA0QB1SJ-296-modulen støtter LoRaWAN klasse A, B eller C, og tilbyr flere driftsmoduser med lavt strømforbruk som gjør det mulig for utviklere å balansere ytelse og strømforbruk. For batteridrevne endeenheter (vanligvis i klasse A eller klasse B), kan modulen operere i en modus med ultralavt energiforbruk (ultralav effekt) som kun bruker ca. 1,3 mikroampere (µA) med sanntids klokkeoperasjon, noe som muliggjør drift i årevis.

Rask utvikling av LoRaWAN-tilkoblede enheter

Det er relativt enkelt å bruke LBAA0QB1SJ-296-modulen til å legge til LoRaWAN-tilkobling til et endeenhetssystem. På maskinvaresiden kobles modulen til en endeenhetens vertsprosessor gjennom modulens universelle asynkrone mottaker/sender-grensesnitt (UART). I tillegg til UART-grensesnittet for vertskommunikasjon krever modulen bare en ekstern antenne og noen få tilleggskomponenter for å gi et komplett LoRaWAN-maskinvareundersystem (figur 6).

Figur 6: Ved hjelp av Murata Electronics LBAA0QB1SJ-296-modulen trenger utviklere bare noen få tilleggskomponenter for å legge til sertifisert LoRaWAN-tilkobling til utformingen av sluttenheten. (Bildekilde: Murata Electronics)

På programvaresiden leveres LBAA0QB1SJ-296-modulen forhåndskonfigurert med en komplett stabel for LoRaWAN-operasjon i 915 megahertz (MHz) ISM-båndet. Under drift administrerer og overvåker endeenhetens vertsprosessor moduldriften ved hjelp av et AT-kommandosett.

Selv om modulens maskinvaregrensesnitt og forhåndslastede firmware bidrar til å øke hastigheten på egendefinert utvikling, lar evalueringskortet LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK utviklere komme i gang umiddelbart med rask prototyping og akselerert utvikling av produksjonsdesign (figur/bilde 7).

Figur/bilde 7: MURATAs LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK-evalueringskort, som er designet for å fremskynde evaluering og rask prototyping av LoRaWAN-tilkobling, kombinerer en LBAA0QB1SJ-296-modul med eksterne enheter og kontakter. (Bildekilde: Murata Electronics)

Evalueringskortet støtter den innebygde LBAA0QB1SJ-296-modulen med flere brukergrensesnittenheter, inkludert lysdioder (LED), en termistor og trykknapper. Utviklere kan utvide kortfunksjonaliteten ytterligere ved å legge til nødvendig tilleggsutstyr ved hjelp av kortets Arduino Uno V3-kontakter.

For å begynne å evaluere LoRaWAN for deres utrustning, trenger utviklere bare å koble til en passende 915 MHz RF subminiature versjon A (SMA)-antenne, levere strøm fra en ekstern kilde og koble kortet gjennom USB-kontakten til et vertsutviklingssystem.

Etter at kortet kommer opp, kan utviklere teste moduloperasjon ved hjelp av et terminalemuleringsprogram eller et grafisk brukergrensesnitt (GUI)-testverktøy tilgjengelig for registrerte kortbrukere. For utvidet feilsøking har kortet en seriell wire-debug (SWD) og USB-kontakt for tilkobling av en STMicroelectronics ST-LINK-debugger/-programmerer.

For ende-mot-ende-utrustningsevaluering og programvarefeilsøking kan utviklere ganske enkelt legge til en lett tilgjengelig LoRaWAN-gateway for å fullføre kommunikasjonskoblingen mellom evalueringskortet og utrustningsserverne.

Konklusjon

LoRaWAN-protokollen og den underliggende LoRa-teknologien gir en effektiv løsning for tilkobling av endeenheter over lengre avstander uten å gå på akkord med begrensede strømbudsjetter. Murata Electronics sin LBAA0QB1SJ-296-modul er konstruert for å fremskynde implementeringen av fjernnett (WAN) med lavt energiforbruk og er en LoRaWAN-sertifisert ferdigløsning (drop-in-løsning). Ved å bruke Murata Electronics' LBAA0QB1SJ-296-baserte LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK evalueringskort, kan utviklere raskt prototype og evaluere LoRaWAN-nettverksutrustningene sine.