Hurtig udvikling af langtrækkende forbindelser med et certificeret LoRaWAN-modul

I mange store, sensorbaserede applikationer til landbrug, sporing af aktiver, forsyningsselskaber og Internet of Things (IoT) er udviklerne nødt til at levere sikker forbindelse på tværs af udvidede driftsområder. LoRaWAN-protokollen (Long Range Wide Area Network) er designet til at understøtte meget store netværk af sådanne enheder og kan være en effektiv løsning, men det kræver passende kendskab og ekspertise at implementere et optimeret kommunikationsundersystem hurtigt.

Denne artikel beskriver kort LoRaWAN og dets muligheder. Derefter introduceres et LoRaWAN-certificeret modul fra Murata Electronics , der tilbyder udviklere en drop-in-løsning til at opnå ekstremt langtrækkende konnektivitet gennem LPWAN-netværk (low-power, wide-area networks). For at fremskynde prototyping introduceres også dens udviklingskort og softwaresupport.

Hvad er LoRaWAN?

Blandt de tilgængelige trådløse forbindelsesmuligheder har LoRaWAN vist sig at være en effektiv løsning til serverbaserede applikationer, der forbinder sig med slutenheder med lavt strømforbrug, som er placeret langt uden for rækkevidden af velkendte trådløse muligheder som Wi-Fi eller Bluetooth. I et LoRaWAN-netværk kommunikerer applikationsservere via konventionelle TCP/IP-netværk (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) med LoRaWAN-gateways (figur 1).

Figur 1: I en typisk LoRaWAN-netværksapplikation opretter servere forbindelse til gateways, som igen bruger LoRa-teknologiens lange rækkevidde og lave strømforbrug til at forbinde slutenheder, der kan være placeret mange kilometer væk. (Billedkilde: Murata Electronics)

LoRaWAN-gateways kommunikerer til gengæld med slutenheder ved hjælp af LoRa sub-gigahertz-radiofrekvensteknologi (RF), der opererer i de licensfrie industrielle, videnskabelige og medicinske (ISM) frekvensbånd. LoRa-teknologien er beregnet til applikationer med relativt lav bitrate og tilbyder en maksimal bitrate på ca. 10 kilobit pr. sekund (Kbits/s), men den har unikke fordele til applikationer med lang rækkevidde.

Baseret på spredt spektrum-teknologi giver LoRa RF udviklere mulighed for at bytte bitrate for rækkevidde og nemt opnå pålidelig tovejskommunikation på afstande på over 15 kilometer (km) i landområder eller over 5 km indendørs i tætte byområder.

LoRaWAN-protokollen beskytter kommunikationstrafikken takket være LoRaWAN's sikkerhedsmodel. LoRaWAN bruger et par sikkerhedsnøgler: en til at sikre autenticitet og integritet på pakkeniveau og en anden til at give end-to-end-sikkerhed for meddelelser mellem slutenheder og applikationsservere.

LoRaWAN-protokollen giver yderligere fordele ved at afbalancere slutenhedernes strømforbrug med applikationens kommunikationsbehov. Et LoRaWAN-netværk tillader enheder at operere i en af tre klasser: Klasse A, klasse B eller klasse C. En enhed i en hvilken som helst klasse kan sende beskeder efter behov, men dens klasse bestemmer, hvornår den kan modtage beskeder.

Klasse A-enheder er de mest energieffektive og er designet til hændelsesdrevet drift, f.eks. når en sensor registrerer en ændring i sine omgivelser. Klasse A-enheder kan forblive sovende mellem hændelser, kun vågne efter sensordataindsamling længe nok til at sende data, og derefter åbne downlink-modtagevinduer med specificerede forsinkelser (RX1 og RX2) efter uplink-transmissionen (figur 2).

Figur 2: Den mest energieffektive af LoRaWAN-klasserne, klasse A-drift, tillader enheder at sove så længe som muligt og kun blive aktive for at sende (uplink) data til gateways og efterfølgende åbne et første modtagevindue (RX1) og et andet modtagevindue (RX2), når uplinket er færdigt. (Billedkilde: Murata Electronics)

Klasse B-enheder understøtter periodisk drift efter en tidsplan, der kræves af applikationen. For klasse B-enheder giver LoRaWAN-protokollen enhederne mulighed for at åbne et downlink-modtagevindue efter en bestemt tidsplan ved hjælp af en gateway-transmitteret beacon til at synkronisere slutenheden med netværket (figur 3).

Figur 3: LoRaWAN klasse B-enheder muliggør synkroniserede downlinks ved hjælp af et beacon, der udsendes af den tilsluttede gateway for at opretholde timingen. (Billedkilde: Murata Electronics)

Klasse C-enheder er designet til applikationer, der kræver, at slutenhederne lytter kontinuerligt efter downlink-meddelelser. Da klasse C-enheder skal forblive aktive, er de typisk ledningsdrevne i stedet for batteridrevne, som det er tilfældet med klasse A- og endda klasse B-enheder (figur 4).

Figur 4: LoRaWAN klasse C-enheder, der typisk drives af en konstant strømkilde, forbliver altid aktive og lytter konstant efter downlink-meddelelser, når de ikke sender uplink-meddelelser. (Billedkilde: Murata Electronics)

Selvom konceptet virker ligetil, kræver implementering af LoRaWAN-netværk betydelig viden og erfaring for at finde den rette balance mellem de detaljerede driftsparametre i LoRaWAN-protokollen og den underliggende LoRa-teknologi.

Certificeret LoRaWAN-modul tilbyder en drop-in-løsning

Murata Electronics' LBAA0QB1SJ-296-modul og tilhørende firmware tilbyder en drop-in-løsning til at fremskynde LoRaWAN-netværksforbindelse, hvilket giver en komplet LoRaWAN-certificeret løsning til slutenheder. Modulet integrerer Semtechs SX1262 LoRa-transceiver, STMicroelectronics' STM32L072 mikrocontroller med 192 kilobyte (Kbyte) flashhukommelse, en RF-switch og en temperaturkompenseret krystaloscillator (TCXO). Den leveres i en afskærmet harpiksstøbt pakke, der kun måler 10,0 x 8,0 x 1,6 millimeter (mm) (figur 5).

Figur 5: Murata Electronics' LBAA0QB1SJ-296-modul giver en komplet LoRaWAN-forbindelsesløsning og integrerer en Semtech SX1262 LoRa-transceiver og en STMicroelectronics STM32L072 mikrocontroller, der kører en forudindlæst LoRaWAN-stack. (Billedkilde: Murata Electronics)

Modulet fungerer med en enkelt 3,3 volt forsyning og bruger kun 15,5 milliampere (mA) med en båndbredde på 125 kilohertz (kHz), mens det tilbyder en modtagerfølsomhed på -135,5 decibel refereret til 1 milliwatt (mW) (dBm) ved en pakkefejlrate på 1 % ved samme båndbredde og maksimale spredningsfaktor. Spredningsfaktoren er defineret som antallet af chirps pr. bit i LoRa's implementering af chirp spredt spektrum-teknologi. Til transmission tilbyder modulet op til +21,5 dBm sendeeffekt, mens det bruger 118 mA ved maksimal sendeeffekt.

LBAA0QB1SJ-296-modulet understøtter LoRaWAN klasse A, B eller C og tilbyder flere strømbesparende driftstilstande, der gør det muligt for udviklere at balancere ydeevne og strømforbrug. Til batteridrevne slutenheder (typisk i klasse A eller klasse B) kan modulet fungere i en ultralav effekttilstand, der kun bruger ca. 1,3 mikroampere (µA) ved drift med realtids-clock, hvilket muliggør drift i årevis.

Hurtig udvikling af LoRaWAN-forbundne enheder

Det er relativt ligetil at bruge LBAA0QB1SJ-296-modulet til at tilføje LoRaWAN-forbindelse til et slutenhedssystem. På hardwaresiden forbindes modulet til en slutenheds værtsprocessor via modulets UART-interface (universal asynchronous receiver/transmitter). Ud over UART-grænsefladen til værtskommunikation kræver modulet kun en ekstern antenne og et par ekstra komponenter for at udgøre et komplet LoRaWAN-hardwareundersystem (figur 6).

Figur 6: Ved hjælp af Murata Electronics LBAA0QB1SJ-296-modulet behøver udviklere kun nogle få ekstra komponenter for at tilføje certificeret LoRaWAN-forbindelse til deres slutenhedsdesign. (Billedkilde: Murata Electronics)

På softwaresiden leveres LBAA0QB1SJ-296-modulet prækonfigureret med en komplet stack til LoRaWAN-drift på 915 megahertz (MHz) ISM-båndet. Ved drift administrerer og overvåger slutenhedens værtsprocessor modulets drift ved hjælp af et AT-kommandosæt.

Selvom modulets hardwareinterface og forudindlæste firmware hjælper med at fremskynde brugerdefineret udvikling, lader Muratas LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK-evalueringskort udviklere komme i gang med det samme med hurtig prototyping og accelereret udvikling af produktionsdesign (figur 7).

Figur 7: Muratas LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK-evalueringskort er designet til at fremskynde evaluering og hurtig prototyping af LoRaWAN-forbindelse og kombinerer et LBAA0QB1SJ-296-modul med perifere enheder og stik. (Billedkilde: Murata Electronics)

Evalueringskortet understøtter det indbyggede LBAA0QB1SJ-296-modul med flere brugerinterfaceenheder, herunder lysdioder (LED'er), en termistor og trykknapper. Udviklere kan yderligere udvide kortets funktionalitet ved at tilføje nødvendige perifere enheder ved hjælp af kortets Arduino Uno V3-stik.

For at begynde at evaluere LoRaWAN til deres applikation behøver udviklere kun at tilslutte en passende 915 MHz RF subminiature version A (SMA) antenne, levere strøm fra en ekstern kilde og tilslutte kortet via USB-stikket til et værtsudviklingssystem.

Når kortet er startet op, kan udviklere teste modulets funktion ved hjælp af et terminalemuleringsprogram eller et testværktøj med grafisk brugerinterface (GUI), som er tilgængeligt for registrerede kortbrugere. Til udvidet debugging har kortet et SWD-stik (Serial Wire Debug) og et USB-stik til tilslutning af en STMicroelectronics ST-LINK debugger/programmer.

Til end-to-end applikationsevaluering og softwarefejlfinding kan udviklere blot tilføje en lettilgængelig LoRaWAN-gateway for at fuldføre kommunikationsforbindelsen mellem evalueringskortet og applikationsserverne.

Konklusion

LoRaWAN-protokollen og den underliggende LoRa-teknologi giver en effektiv løsning til at forbinde slutenheder over længere afstande uden at gå på kompromis med begrænsede strømbudgetter. Murata Electronics' LBAA0QB1SJ-296-modul er designet til at fremskynde udrulningen af bredbåndsnetværk med lavt strømforbrug og er en LoRaWAN-certificeret drop-in-løsning. Ved hjælp af Murata Electronics' LBAA0QB1SJ-296-baserede LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK-evalueringskort kan udviklere hurtigt lave prototyper og evaluere deres LoRaWAN-netværksapplikationer.