Fremskynde LoRaWAN IoT-projekter med et end-to-end startkit

Designere af IoT-sensor- og aktuatornetværk (Internet of Things) til fjernovervågning og fjernstyring af applikationer, der spænder fra landbrug og minedrift til den intelligente by, har brug for et trådløst interface med lang rækkevidde, som er sikker, robust, kræver lidt vedligeholdelse og er forholdsvis nem at installere. En god mulighed for sådanne anvendelser er LoRaWAN med en rækkevidde på op til 15 km på landområder og op til 5 km i byområder - ved hjælp af slutenheder med batterier, der kan holde i op til 10 år.

LoRaWAN er en moden LPWAN-teknologi (Low Power Wide Area Network), men udviklere har altid brug for måder at forenkle implementeringen og oprette forbindelse til cloud'en på.

Udfordringen for ingeniører, der er nye i LoRaWAN IoT-projekter, består i at håndtere kompleksiteten i ikke blot at opsætte den trådløse endeenhed, men også at skabe interfaces til gatewayen og en IoT-platform i cloud'en. Opgaven bliver meget lettere med leverandørens startkit, der indeholder alle de elementer, der er nødvendige for at bygge og drive en prototype.

I denne artikel introduceres LoRaWAN og forklares det, hvordan teknologien supplerer trådløse sensornetværk med kort rækkevidde ved at danne et LPWAN til at videresende sensordata til cloud'en. Derefter introduceres og beskrives det, hvordan man bruger Digi XON-9-L1-KIT-001 starterkit - som omfatter en multi-sensorende enhed, en multikanal gateway og en enhed-til-cloud IoT-platform - til at designe, udvikle og konfigurere en LoRaWAN IoT-løsning baseret på en industriel platform.

Hvad er LoRa og LoRaWAN?

LoRaWAN er en LPWAN-teknologi til IoT-enheder, der er kendetegnet ved en rækkevidde på flere ti kilometer, lavt gennemløb (250 bits pr. sekund (bits/s) til 50 kilobits pr. sekund (Kbits/s) afhængigt af bærefrekvensen) og meget lavt strømforbrug (til batterilevetid på op til ti år, afhængigt af anvendelsen). Tabel 1 viser, hvordan LoRaWAN sammenlignes med andre IoT-teknologier.

Tabel 1: LoRaWAN er en trådløs LPWAN IoT-protokol med egenskaber, der egner sig til drift med lavt gennemløb og lang rækkevidde. Tabellen viser, hvordan den sammenligner sig med andre trådløse IoT-teknologier. (Billedkilde: Semtech)

LoRa-specifikationen definerer det fysiske lag (PHY) og den modulationsteknik, der ligger til grund for LoRaWAN. MAC-laget (Media Access Control) i protokolstakken er specificeret af LoRaWAN-standarden (figur 1).

Figur 1: LoRa fysisk lag (PHY) og modulationsteknik og LoRaWAN MAC samt applikationslaget udgør LoRaWAN-protokolstacken. (Billedkilde: Semtech)

Nøglen til teknologiens rækkevidde er brugen af en modificeret form for DSSS-modulation (direct sequence spread spectrum). DSSS spreder signalet over en større båndbredde end den oprindelige informations båndbredde, hvilket gør det mindre modtageligt for interferens og øger rækkevidden. En ulempe ved DSSS er, at det kræver et meget nøjagtigt (og dyrt) referenceur. LoRa Chirp Spread Spectrum-teknikken (CSS) er et DSSS-alternativ med lav pris og lav effekt, som eliminerer uret. CSS spreder signalets spektrum ved at generere et chirp-signal, der kontinuerligt varierer i frekvens (figur 2).

Figur 2: LoRa CSS-teknikken spreder signalets spektrum ved at generere et chirp-signal, der kontinuerligt varierer i frekvens. Teknikken eliminerer behovet for de dyre referenceklokker, der anvendes i DSSS. (Billedkilde: Semtech)

Ved hjælp af CSS er tids- og frekvensforskydningerne mellem sender og modtager ækvivalente, hvilket yderligere reducerer kompleksiteten af modtagerdesignet. LoRa-modulation omfatter også en variabel fejlkorrektionsordning, der forbedrer robustheden af det transmitterede signal og dermed øger rækkevidden yderligere. Resultatet er et linkbudget med en sendeeffekt (Tx) og en modtagerfølsomhed (Rx) i decibel milliwatt (dBm) på omkring 154 dBm, hvilket gør det muligt at dække hele byer med en enkelt gateway eller basisstation.

I Nordamerika bruger LoRaWAN spektrumtildelingen 902-928 megahertz (MHz) til ISM-spektret (Industrial, Scientific and Medical). Den trådløse protokol definerer 64 x 125 kilohertz (kHz) uplink-kanaler fra 902,3 til 914,9 MHz i intervaller på 200 kHz. Der er yderligere otte uplink-kanaler på 500 kHz i intervaller på 1,6 MHz fra 903 MHz til 914,9 MHz. De otte downlink-kanaler er 500 kHz brede og starter fra 923,3 MHz til 927,5 MHz. Den maksimale TX-effekt i Nordamerika er 30 dBm, men til de fleste anvendelser er 20 dBm TX-effekt tilstrækkeligt. I henhold til de amerikanske FCC-bestemmelser er der ingen begrænsninger for driftscyklus, men der er en maksimal opholdstid på 400 millisekunder (ms) pr. kanal.

Mesh-netværk er en teknik til at øge rækkevidden ved at videresende meddelelser mellem knudepunkterne for at nå ud til netværkets kanter, men det øger kompleksiteten, reducerer kapaciteten og forkorter batteriets levetid. I stedet for at bruge mesh-netværk anvender LoRaWAN en stjernetopologi, hvor hver enkelt knude (med lang rækkevidde) forbindes direkte med en gateway. Nodes er ikke tilknyttet en specifik gateway. I stedet bliver data, der transmitteres af en knude, typisk modtaget af flere gateways. Hver gateway videresender derefter den modtagne pakke fra slutknuden til den cloud-baserede netværksserver via en form for backhaul (typisk mobiltelefoni, Ethernet, satellit eller Wi-Fi) (Figur 3).

Figur 3: LoRaWAN anvender en stjernetopologi, hvor hver enkelt endeenhed er direkte forbundet med en eller flere gateways. Hver gateway videresender derefter oplysningerne til den cloud-baserede netværksserver via en backhaul-forbindelse. (Billedkilde: Semtech)

For at et stjernenetværk med lang rækkevidde kan fungere, skal gatewayen være i stand til at modtage meddelelser fra et stort antal knudepunkter. LoRaWAN opnår denne høje kapacitet ved at anvende en adaptiv datahastighed og gateways, der kan modtage samtidige meddelelser på flere kanaler. En enkelt gateway med otte kanaler kan håndtere et par hundrede tusinde meddelelser om dagen. Hvis man antager, at hver slutenhed sender ti meddelelser om dagen, kan en sådan gateway understøtte ca. 10.000 enheder. Hvis der er behov for mere kapacitet, kan der tilføjes yderligere gateways til netværket.

LPWAN-startkit til hurtig prototyping

LPWAN-teknologier er komplekse og kan være en udfordring for den uerfarne ingeniør. Udvikleren skal ikke blot konfigurere den trådløse endeenhed med en sikker og robust forbindelse, men også forbinde den med gatewayen, stille den til rådighed som en del af netværket og derefter oprette forbindelsen til en IoT-platform i cloud'en.

Denne opbygning af en end-to-end LoRaWAN IoT-løsning gøres enklere ved hjælp af et skræddersyet startkit f.eks. Digi XON-9-L1-KIT-001 LoRaWAN Starter Kit (Figur 4). Med et sådant startkit kan en ingeniør hurtigt blive fortrolig med hvert enkelt trin i processen og vide, at det næste trin hurtigt kan indarbejdes. Som følge heraf kan en ikke-ekspert hurtigt lave prototyper af en komplet LoRaWAN IoT-løsning.

Figur 4: XON-9-L1-KIT-001 LoRaWAN-startkit indeholder alt, hvad der er nødvendigt for at lave en prototype af en netværksforbindelse, herunder HXG3000 Ethernet-gatewayen, uplink og downlink, et Client Shield-kort, antenne, strømforsyning og en programmeringsinterface. (Billedkilde: Digi)

LoRa har enhedsklasser, der afvejer netværkets downlink-kommunikationslatenstid mod batteriets levetid; supplierid:602-startkittet understøtter LoRaWAN-klasse A (laveste effekt, bidirektionelle endeenheder) og klasse C (laveste latenstid, modtageren af endeenheden er altid tændt, bidirektionelle endeenheder).

Startkittet indeholder alt det, der er nødvendigt for at opsætte en LoRaWAN-prototype hurtigt og sikkert. Specifikt omfatter den en uplink/downlink, et udvidelseskort eller "Client Shield" med et LoRaWAN-modul, en LED, en digital indgang, temperatursensorer, en Digi 8-kanals LoRaWAN HXG3000 Ethernet-gateway, en indbygget API (Application Programming Interface) til udviklere og en 30-dages gratis prøvekonto til en device-to-cloud-platform med scan-and-go mobil tilrådighedsstillelse.

HXG3000-gatewayen leverer tovejskommunikation over LoRaWAN med lang rækkevidde, uden sigtelinje, og kan håndtere op til 1,5 millioner meddelelser om dagen. Produktet omfatter en omnidirektionel radio på 1,7 dBm, op til 27 dBm Tx-effekt og -138 dBm Rx-følsomhed. Operationen foregår i det licensfrie amerikanske 902-928 MHz-bånd. Enheden får strøm fra enten en AC-strømforsyning eller PoE (Power-over-Ethernet). Der findes Ethernet- og LTE Cat M1-backhaul-modeller.

Digi LoRaWAN Client Shield er den del af startkittet, der understøtter ingeniører, der ønsker at lave prototyper og udvikle LoRaWAN-sensorer. Den giver mulighed for tilslutning til udvalgte kompatible STMicroelectronics Nucleo (f.eks. NUCLEO-L053R8) og Arduino supplierid:685® Cortex®-M-klasse mikrocontrollerudviklingskort til LoRaWAN-klientsidetilslutning. Ud over Arduino stabelbare stik er Client Shield udstyret med en termistor-temperatursensor med lav effekt, en digital indgangsskydeskift og en digitalt styret rød, grøn og blå (RGB) LED. Kittet har et U.FL-stik, og den tilhørende antenne er inkluderet i kittet. Skjoldet indeholder også LoRaWAN-modulet, som fungerer i det licensfrie amerikanske 902-928 MHz-bånd. TX-effekten er 14 til 20 dBm (figur 5).

Figur 5: XON-9-L1-KIT-001 Client Shield, der indeholder LoRaWAN-modulet, kan monteres på et STMicroelectronics Nucleo (vist her) eller Arduino udviklingskort. (Billedkilde: Digi)

Digi X-ON er en komplet enhed-til-cloud-platform til IoT-slutenheder. Platformen tilbyder både en udviklings- og en driftsløsning i cloud'en. X-ON indeholder en integreret LoRaWAN-netværksserver og slutter sig til serveren for at understøtte enheder og gateways, der kører den trådløse LoRaWAN-protokol. Join-serveren håndterer join-flowet, herunder netværks- og applikationsservergodkendelse og generering af sessionsnøgler.

Platformen giver udvikleren mulighed for at:

• Konfigurer, overvåg og diagnosticer enheder eller gateways fra web- og mobilinterface
• Automatiser implementering af enheder og gateways med provisioneringsappen
• Administrer trådløse netværksgateways
• Indsamle og analysere data direkte fra enheden
• Brug et inter-cloud API til tovejs data om enheder i realtid mellem flere cloud-platforme
• Log og spor datameddelelser i realtid til interaktive operationer og fejlfinding med enderneheder og gateways
• Integrere data via åbne API'er for at udvikle mere komplekse applikationer med tredjepartsværktøjer (figur 6)

Figur 6: Digi X-ON er en enhed-til-cloud-platform til IoT-slutenheder, som gør det muligt for udvikleren at automatisere implementeringen af enheder og gateways med en smartphone-app til levering af udstyr. Udvikleren kan derefter konfigurere, overvåge og diagnosticere enheder eller gateways fra web- og mobilinterface. (Billedkilde: Digi)

Kom godt i gang med et LoRaWAN-projekt

Fordi Client Shield-, STMicroelectronics Nucleo- og supplierid:1050-udviklingskortet bruger indbyggede supplierid:685-mikrocontrollere og derfor er "ARM Keil Mbed enabled", er det relativt nemt at komme i gang med et projekt med supplierid:602-startkittet. (supplierid:685 Mbed er en platform og et operativsystem (OS) til IoT-enheder baseret på 32-bit ARM Keil Cortex M-klasse mikrocontrollere.) Client Shield indeholder et indbygget AT-kommandosprog og et forenklet ARM Keil Mbed C++ Embedded API, som er designet til at abstrahere designkompleksiteten og forenkle udviklingen.

Digi LoRaWAN Starter Kit's Mbed-kompatibilitet gør det muligt at udvikle applikationer ved hjælp af ARM Keil Mbed online ressourcer. Ressourcerne omfatter tre muligheder. Med Mbed Online Compiler kan udvikleren straks begynde at udvikle applikationer uden at installere noget som helst. Det eneste, der er nødvendigt, er en Mbed-konto.

For mere avanceret applikationsudvikling kan Digi LoRaWAN Starter Kit tilsluttes Mbed Studio, et integreret udviklingsmiljø (IDE) på skrivebordet til oprettelse, kompilering og fejlfinding af Mbed-programmer. Endelig er der Mbed CLI, et kommandolinjeværktøj, som kan integreres i udviklerens foretrukne IDE.

Den hurtigste vej til udvikling er først at oprette en X-ON-konto Digi. Derefter skal udvikleren tilmelde sig en Mbed Online Compiler-konto. Når du har monteret Client Shield på udviklingskortet, skal samlingen tilsluttes til en stationær computer ved hjælp af et USB-kabel. LED'en "PWR" på Client Shield og LED'en "COM" på udviklingskortet lyser derefter, hvilket indikerer, at elektronikken er tændt.

Mbed Online Compiler guider derefter udvikleren gennem et sæt enkle trin for at tilføje hardwareplatformen til compileren. Når hardwaren er tilføjet, kan koden importeres til compileren fra eksemplerne på sensorapplikationer i Mbed-repositoriet (eller andre biblioteker) og downloades til udviklingskortet. Compileren kan også bruges til at ændre LoRaWAN-konfigurationer som f.eks. enhedsklasse og netværkstilslutningstilstand (figur 7).

Figur 7: Det er nemt at ændre LoRaWAN-konfigurationer som f.eks. enhedsklasse og netværkstilslutningstilstand ved hjælp af ARM Keil Mbed Online Compiler. (Billedkilde: Digi)

Forudsat at gatewayen kører, vil Client Shield/udviklingskortet tilslutte sig netværket og begynde at sende uplinks hver 15. sekund (i standardtilstand). Når du trykker på "Stream"-knappen på X-ON-kontosiden, vises de data, der er sendt fra enheden, på skærmen, når du trykker på den.

Konklusion

LoRaWAN tilbyder designere af IoT-følings- og aktuatornetværk licensfri RF-adgang, en rækkevidde på flere ti kilometer, lavt strømforbrug, god sikkerhed og skalerbarhed samt robust tilslutning. Som mange andre trådløse IoT-protokoller kan det imidlertid være en udfordring at håndtere tilslutning af slutenheder, provisionering, gateways og streaming af sensordata til cloud'en.

Som det fremgår, løser Digi LoRaWAN Starter Kit mange af disse problemer. Den indeholder en Client Shield med en forenklet ARM Keil Mbed C++ Embedded API, en LoRaWAN-gateway med Ethernet-backhaul og en X-ON device-to-cloud-platform med scan-and-go mobile provisioning. Ved hjælp af startkittet kan udvikleren hurtigt komme i gang med en LoRaWAN-hardwareprototype, udvikle og portere sensor- og aktuatorapplikationskode samt analysere og præsentere data ved hjælp af cloud-platformen.