Digi-Key Electronics
Avtor: Rolf Horn
V mnogih senzorskih aplikacijah velikega obsega, namenjenih kmetijstvu, sledenju virov, orodjem in internetu stvari (IoT), morajo razvijalci zagotoviti varno povezljivost čez razširjena območja delovanja.
Protokol prostranega omrežja dolgega dosega (LoRaWAN) je zasnovan za podpiranje zelo obsežnih omrežij takšnih naprav in je lahko učinkovita rešitev, vendar hitra implementacija optimiziranega komunikacijskega podsistema zahteva ustrezno seznanjenost in strokovno znanje.
Ta članek na kratko opiše tehnologijo LoRaWAN in njene zmogljivosti. Nato predstavi modul s certifikatom LoRaWAN podjetja Murata Electronics, ki razvijalcem nudi rešitev, pripravljeno za uporabo, za doseganje povezljivosti izredno dolgega dosega z uporabo prostranih omrežij nizke porabe (LPWAN). Za pospeševanje izdelave prototipov sta prav tako predstavljeni razvojna plošča in podpora programske opreme modula.
Kaj je LoRaWAN?
Med razpoložljivimi možnostmi brezžične povezljivosti se je LoRaWAN izkazal kot učinkovita rešitev za strežniške aplikacije, ki se morajo povezati s končnimi napravami z nizko porabo, ki so zunaj dosega običajnih možnosti brezžične povezljivosti, kot je Wi-Fi ali Bluetooth. Aplikacijski strežniki v omrežju LoRaWAN komunicirajo prek običajnih omrežij s protokolom za krmiljenje prenosa/internetnim protokolom (TCP/IP) s prehodi LoRaWAN (slika 1).
Prehodi LoRaWAN nato komunicirajo s končnimi napravami z radiofrekvenčno (RF) tehnologijo LoRa, ki uporablja frekvence, manjše od gigahertza, in deluje v brezlicenčnih frekvenčnih pasovih za industrijsko, znanstveno in medicinsko uporabo (ISM). Tehnologija LoRa je namenjena aplikacijam z relativno nizkimi potrebami po bitni hitrosti in nudi bitno hitrost do približno 10 kilobitov na sekundo (kb/s), vendar ima edinstvene prednosti za uporabo na dolge razdalje.
Temelječ na tehnologiji razpršenega spektra, radiofrekvenčna tehnologija LoRa dovoljuje razvijalcem, da bitno hitrost zamenjajo za doseg, s čimer lahko dosežejo zanesljivo dvosmerno komunikacijo na razdalji več kot 15 kilometrov (km) na podeželju ali več kot 5 km v notranjih lokacijah na gosto poseljenih mestnih območjih.
Protokol LoRaWAN varuje komunikacijski promet s svojim varnostnim modelom. LoRaWAN uporablja par varnostnih ključev: enega za zagotavljanje pristnosti in integritete na nivoju paketa, drugega za zagotavljanje celovite varnosti sporočil med končnimi napravami in aplikacijskimi strežniki.
Protokol LoRaWAN nudi nadaljnje prednosti za usklajevanje porabe energije končnih naprav s komunikacijskimi potrebami aplikacije. Omrežje LoRaWAN napravam dovoljuje, da delujejo v enem od treh razredov: razredu A, razredu B ali razredu C. Naprava v katerem koli razredu lahko prenaša sporočila po potrebi, vendar njen razred določa, kdaj lahko prejema sporočila.
Naprave razreda A so energetsko najučinkovitejše in zasnovane za dogodkovno delovanje, na primer ko senzor zazna spremembo v okolju. Naprave razreda A lahko med dogodki ostanejo v stanju pripravljenosti, po pridobitvi podatkov senzorjev se aktivirajo le za čas prenašanja podatkov in po prenosu »uplink« povezave ob določenih zamikih odprejo okna za prejem »downlink« povezave (RX1 in RX2) (slika 2).
Naprave razreda B podpirajo občasno delovanje po načrtu, ki ga zahteva aplikacija. Protokol LoRaWAN omogoča napravam razreda B, da z uporabo oddajnika, povezanega s prehodom, ki končno napravo sinhronizira z omrežjem, odprejo okno za prejem »downlink« povezave (slika 3).
Naprave razreda C so zasnovane za aplikacije, pri katerih morajo končne naprave neprestano poslušati »downlink« sporočila. Ker morajo naprave razreda C ostati aktivne, jih običajno napaja električno omrežje in ne baterije, kot je pri napravah razreda A in celo napravah razreda B (slika 4).
Koncept se sicer zdi enostaven, toda implementacija omrežja LoRaWAN zahteva precej znanja in izkušenj, da najdemo ustrezno ravnotežje med natančnimi parametri delovanja protokola LoRaWAN in tehnologijo LoRa, na kateri temelji.
Modul s certifikatom LoRaWAN nudi rešitev, pripravljeno za uporabo
Modul Murata Electronics LBAA0QB1SJ-296 in povezana ugnezdena programska oprema nudita rešitev, pripravljeno za uporabo, s katero lahko pospešite povezljivost omrežja LoRaWAN, saj nudita celovito rešitev za končne naprave s certifikatom LoRaWAN. Modul integrira oddajnik-sprejemnik LoRa SemtechSX1262, mikrokontroler STMicroelectronicsSTM32L072 s 192 kilobajti (kB) Flash pomnilnika, VF stikalo in temperaturno kompenzirani kristalni oscilator (TXCO). Njegovo zaščiteno ohišje je izdelano iz ulite smole in meri le 10,0 x 8,0 x 1,6 milimetra (mm) (slika 5).
Modul deluje pri napetosti 3,3 V, pri čemer porabi le 15,5 miliamperov (mA) pri pasovni širini 125 kilohertzov (kHz), hkrati pa ponuja občutljivost sprejemnika -135,5 decibelov, glede na 1 milivat (mW) (dBm), s stopnjo napake paketa 1 % pri isti pasovni širini in najvišjim faktorjem razpršitve. Faktor razpršitve je opredeljen kot število modulacij frekvence (ang. chirp) na bit v implementaciji tehnologije razpršenega spektra modulacij frekvence LoRa. Za oddajanje nudi modul do +21,5 dBm oddajne moči, pri čemer pri največji oddajni moči porabi 118 mA.
Modul LBAA0QB1SJ-296 podpira razrede A, B ali C protokola LoRaWAN in nudi številne načine delovanja z nizko porabo energije, ki omogoča razvijalcem, da uskladijo učinkovitost in porabo energije. Za končne naprave, ki jih napaja baterija (običajno delujejo v razredu A ali razredu B), lahko modul deluje v načinu z izjemno nizko porabo energije, v katerem se z delovanjem z uro realnega česa porabi le okrog 1,3 mikroampera (µA), kar omogoča več let delovanja.
Hiter razvoj naprav, povezanih z omrežjem LoRaWAN
Uporaba modula LBAA0QB1SJ-296 za dodajanje povezljivosti LoRaWAN sistemu končnih naprav je relativno preprosta. Z vidika strojne opreme se modul poveže z gostiteljskim procesorjem končne naprave prek svojega vmesnika univerzalnega asinhronega sprejemnika/oddajnika (UART). Zraven vmesnika UART za komunikacijo z gostitelji potrebuje modul le zunanjo anteno in nekaj dodatnih komponent, da zagotovi celovit podsistem strojne opreme LoRaWAN (slika 6).
Z vidika programske opreme je modul LBAA0QB1SJ-296 vnaprej konfiguriran s celovitim skladom za delovanje LoRaWAN v 915-megaherčnem (MHz) pasu ISM. Gostiteljski procesor končne naprave med delovanjem upravlja in nadzoruje delovanje modula z AT naborom ukazov.
Čeprav modulov vmesnik strojne opreme in vnaprej naložena ugnezdena programska oprema pospešujeta razvoj po meri, razvojna plošča LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK Murata omogoča razvijalcem, da takoj začnejo s hitro izdelavo prototipa in pospešenim razvojem produkcijskih zasnov (slika 7).
Razvojna plošča podpira vgrajeni modul LBAA0QB1SJ-296 s številnimi napravami uporabniških vmesnikov, vključno z LED-icami, termistorjem in tipkami. Razvijalci lahko funkcionalnost plošče dodatno razširijo tako, da s priključki Arduino Uno V3 priključijo potrebne periferne naprave. Razvijalci morajo za začetek LoRaWAN ocenjevanja za svojo aplikacijo le priključiti primerno majhno 915-MHz anteno RF različice A (SMA), zagotoviti zunanje napajanje in povezati ploščo prek USB z gostiteljskim razvojnim sistemom.
Po vzpostavitvi plošče lahko razvijalci testirajo delovanje modula s terminalskim ali testnim orodjem z grafičnim uporabniškim vmesnikom (GUI), ki je na voljo registriranim uporabnikom plošče. Za razširjeno odpravljanje napak nudi plošča priključek SWD (serial wire debug) in USB priključek za priključitev iskalnika napak/programatorja STMicroelectronics ST-LINK. Za celovito oceno aplikacije in odpravljanje napak programske opreme lahko razvijalci preprosto dodajo prehod LoRaWAN, da zaključijo komunikacijsko povezavo med razvojno ploščo in aplikacijskimi strežniki.
Zaključek
Protokol LoRaWAN in tehnologija LoRa, na kateri protokol temelji, nudita učinkovito rešitev za povezovanje končnih naprav čez večje razdalje, ne da bi posegala v omejeno razpoložljivost energije. Modul Murata Electronics LBAA0QB1SJ-296 je zasnovan za pospeševanje uvajanja prostranih omrežij nizke porabe in nudi rešitev, pripravljeno za uporabo, s certifikatom LoRaWAN. Z uporabo razvojne plošče Murata Electronics LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK, ki temelji na modulu LBAA0QB1SJ-296, lahko razvijalci hitro naredijo prototip in ocenijo svojo uporabo omrežja LoRaWAN.
