Kisebb tervezési kockázat, egyszerűbb tervezés

Távoli IoT nagy integráltságú, tanúsított LoRa-modulokkal

Ma már szinte alapkövetelmény, hogy egy terepi végpont vezetékmentesen csatlakozhasson az IoT-hálózathoz. Az RF-kommunikációt tehát mindenképpen ki kell dolgoznunk. De ez a következtetés nem feltétlenül igaz: a vezetékmentes hálózati funkciót egyetlen kompakt modulban, tanúsítványával együtt megvásárolva költséges, kockázatos és időt rabló fejlesztési lépéseket takaríthatunk meg.

A LoRa^® (Long Range – nagy hatótávú) adatkommunikációs technológia oly módon növeli meg az IoT (Internet-of-Things) hatótávolságát, hogy a nagy hatótávolság előnyét az alacsony energiafogyasztáséval kombinálja. Az okos városoktól az okos mezőgazdálkodáson át az ellátási lánc üzemeltetéséig terjedő széles alkalmazási tartományban a LoRa ideális választás a rugalmas felépítésű IoT-hálózatok megvalósítására – városi és vidéki környezetben egyaránt.
De vajon ilyen könnyű-e a valóságban is működőképes új LoRa-megoldást létrehozni – esetleg arra áttérni egy korábbi technológiáról?
Egy új vezetékmentes technológiát megérteni és a feladathoz legjobban illő változatot kiválasztani kemény feladat lehet. A vezetékmentes, rádiófrekvenciás (RF) tervezés rendszerint mély RF-szakértelmet igényelhet, és jelentősen megnövelheti a fejlesztés időszükségletét a tervezőmérnökök számára.
Cikkünk bemutatja a LoRa hálózati architektúra négy fő elemét és a leggyakoribb szakmai kihívásokat, amelyekkel a tervezőknek szembe kell nézniük a LoRa hálózati végpontok fejlesztése során. Áttekintjük azt is, hogyan tudnak a szükséges tanúsítványokkal rendelkező LoRa-modulok megfelelni ezeknek a kihívásoknak, és hogyan csökkentik ezáltal a piacképes végtermék előállításához szükséges időt.

A LoRaWAN hálózati architektúra

A LoRa egyrészt egy vezetékmentes modulációt, másrészt az annak megvalósítására képes fizikai hálózati réteget jelenti, amely lehetővé teszi, hogy kis kimenőteljesítményű végkészülékeket használhassunk nagy hatósugarú kommunikációra. A LoRaWAN egy vezetékmentes hálózati protokoll, amely a LoRa fizikai rétege felett megvalósított közeghozzáférési (Media Access Control – MAC) réteg¹ protokolljaként működik. A LoRaWAN-specifikáció részletesen leírja azt a kommunikációs protokollt és hálózati architektúrát, amely garantálja a végkészülékek biztonságos kommunikációját és azok gyártó- és típusfüggetlen, kölcsönös együttműködési képességét a hálózaton belül.
A LoRa-hálózatnak négy eleme van, amint azt az 1. ábra is mutatja.

• A végkészülékek a LoRa-ökoszisztéma azon elemei, amelyek szenzoradatokat gyűjtenek és továbbítják a gyűjtött adatokat. Ezek általában távolról csatlakoznak a rendszerhez és teleptáplálással működnek.
• A Gateway egy transzparens működésű híd (protokollátalakító – A ford. megj.) a végkészülékek és a hálózati szerver között. Tipikusan a végkészülékek LoRaWAN-protokollal csatlakoznak a gateway-hez, amely ezt illeszti valamilyen nagy sávszélességű hálózathoz, mint a WiFi, az Ethernet vagy a mobilinternetes infrastruktúra.
• A hálózati kiszolgáló több átjáróhoz csatlakozhat. Összegyűjti az átjárókon át érkező adatokat, kiszűri a több példányban létező üzeneteket, eldönti, hogy melyik átjárónak kell végkészülék-üzenetre válaszolnia, és optimalizálja a hálózati adatsebességet a végkészülékek akkumulátor-élettartamának megnövelése érdekében.
• Az alkalmazásszerver gyűjti a végkészülékekből érkező adatokat és irányítja azok tevékenységeit.

1. ábra A LoRa-hálózatok négy eleme (Forrás: LoRa Alliance)

Vizsgáljuk most meg közelebbről, milyen LoRa-végkészülékek léteznek és milyen kihívásokkal szembesülhetünk a tervezésük során.

Általános kihívások a LoRa-végkészülékek tervezésénél

A végkészülékek olyan egyszerű rendszerelemek, mint az érzékelők és a beavatkozók. Tipikusan ezekre gondolunk „dolgokként” a „Dolgok Internete” (Internet of Things – IoT) kifejezésben. A LoRaWAN-ökoszisztémában egy végkészülék egy vagy több átjáró közbeiktatásával kommunikál a hálózati kiszolgálóval.
Leggyakrabban a LoRa-végkészülékek kis költségű, teleptáplálású alkalmazások, amelyeknek értelemszerűen olcsóknak és energiahatékonyaknak kell lenniük. A fejlesztéshez rendelkezésre álló időtől, a tervezett költségektől, az energiafogyasztás megengedett legfelső határértékétől és a rendelkezésre álló RF-szakértelem mértékétől függően van néhány lehetséges megközelítés a LoRa-vég­készülékek kidolgozásakor. Mielőtt azonban ezeket a lehetséges megközelítéseket áttekintenénk, vegyük sorra a leggyakoribb kihívásokat, amelyekkel a végkészülékek tervezőinek szembe kell nézniük. Ezek ismerete segítségünkre lehet a legalkalmasabb termékek kiválasztásában.
A leggyakoribb problémák, amelyekkel a végkészülék-architektúrák kidolgozásánál találkozhatunk, a következők:

RF-tervezés
Éppúgy, mint bármilyen más vezetékmentes tervezési feladatnál, jelentős RF-tervezési szakismeretre van szükség a LoRa-végkészülékek tervezésénél is. Amennyiben LoRa rendszercsipeket (System on a Chip – SoC) vagy egybetokozott áramköröket (System in a Package – SiP) használunk, a végkészüléket fejlesztő mérnök a felelős a teljes RF-tervezésért, a kapcsolási rajzot, az anyagjegyzéket, a NyÁK-vonalvezetést, az antennabehangolást és más szükséges RF-alkatrészeket is beleértve. Még ha a legjobb dokumentációk és alkalmazástervezési útmutatók állnak is rendelkezésre, az RF-tervezés nem mindig könnyű feladat; nemcsak mély RF-ismereteket igényel, de jelentősen megnöveli a tervezőre háruló fejlesztési időszükségletet is. Az RF-prototípusok élesztése, bemérése és hibakeresése a leggyakrabban ugyancsak speciális felszereltséget igényel, amelyek tovább növelik a fejlesztés költségeit. Hogy ezeken a nehézségeken sikerrel juthassunk túl, néhány beszállító olyan SoC/SiP megoldásokat kínál, amelyekhez kiváló minőségű dokumentáció, hatóságilag tanúsított referenciatervek és részletes, csipszintig kidolgozott tervezési csomagok is elérhetők. Ezzel szemben a legrövidebb fejlesztési időt és a csökkentett tervezési kockázatot a bevizsgált és tanúsított LoRa modulok kínálják: majdnem mindig ezek jelentik a legjobb választást. Ezek a modulok a teljes megoldást egyetlen alkatrész felhasználására egyszerűsítik le, és ezzel érhető el a minimális tervezési kockázat és a legkisebb fejlesztési időigény.

Hatósági megfelelés és tanúsítás
A LoRa/szubgigahertzes rádióegységek tipikusan az egyedi engedélyezést nem igénylő ISM² frekvenciasávokat használják. Ezek a sávok országoktól vagy azok csoportjaitól függően különbözők lehetnek, amely sajátos kihívásokat támaszt a hardver- és szoftver- alkalmazásfejlesztőkkel szemben. Alapos odafigyelést igényel tehát egy, a felhasználási szabályoknak mindenben megfelelő – és egyben minimális anyagköltségű – megoldás kidolgozása. Emellett a rádiófrekvenciás szabályozási követelmények is folyamatosan változnak; a szabályozási változások követése, az eszközök újratesztelése és a megfelelőség újratanúsítása több ezer dollárba és számos mérnökórába kerülhet a végpontot fejlesztő cégeknek, amit egyébként új projektek kidolgozására is fordíthatnának.
A tanúsított LoRa-modul használata viszont egyszerűen megoldja ezt a problémát, mivel a modul gyártója gondoskodik a szabályozási követelmények betartásáról és a modulok újratanúsításáról a legújabb előírások szerint. Mindezek a költség- és időráfordítások, amelyeket a hatósági megfelelőségi tanúsítványok megszerzése megkövetel, teljes mértékben megtakaríthatók, ha a végkészülék tervezéséhez eleve hatósági tanúsítvánnyal rendelkező LoRa-modult választunk.

Többrégiós működés
A LoRa-készülékek – a felhasználás helye szerinti régióktól füg­gően – néhány frekvenciát támogatnak. Gyakori, hogy a vég­készülékgyártók először egyetlen jelentősebb régió követelményeihez illeszkedő készülékeket kínálnak. Ha az igény felfut, a gyártók megpróbálják ugyanazt a tervezési modellt alkalmazni más régiók igényeihez. Megoldható viszont, hogy a végkészülék-forgalmazó egyetlen típust tartson raktáron, amely egymaga képes problémamentesen megoldani az átvitelt egyik régióból a másikba, vagy a különböző országokban és régiókban történő értékesítést. Egy hatóságilag tanúsított LoRa-modul, amely több frekvenciasávban is működtethető, ideális eszköze az ilyen piaci terjeszkedés megoldásának.

Robusztus szoftver
A LoRa-modulok általában a modulba integráltan tartalmazzák a teljes LoRaWAN-szoftververmet, ezért a végkészülék-fejlesztőnek nincs más dolga, mint hogy inicializálja a modult és kommunikáljon vele. A LoRa SoC/SiP-eszközökhöz és az egymagában működőképes LoRa-modulokhoz a programvermet vagy a gyártó biztosítja, vagy ha gyári szoftververem nem áll rendelkezésre, a fejlesztőnek kell kidolgoznia a sajátját. A szoftverfejlesztési igény minimalizálásához célszerű olyan LoRa-modult vagy integrált áramkört választani, amely gyári LoRaWAN-veremtámogatással rendelkezik. A gyártó által alaposan megvizsgált LoRaWAN-vermek garantálják a végkészülékek zavartalan együttműködését a főbb LoRaWAN hálózat- és átjárógyártók termékeivel, amely lehetővé teszi, hogy a végkészülékek mérsékelt kockázattal legyenek használhatók különböző hálózatokban.

Továbbfejlesztési útvonal a moduloktól a rendszercsipekig
Sok cég a prototípusait és a tömeggyártás első szakaszát tanúsított modulokkal oldja meg egyrészt a fejlesztési kockázat csökkentése, másrészt a piacképes termék előállításának felgyorsítása érdekében. Amint azonban a gyártás kezd felfutni, a cégek úgy dönthetnek, hogy a LoRa SoC-eszközök vagy integrált áramkörök használatára térnek át a nagyobb rugalmasság vagy az alacsonyabb anyagköltség érekében. A váltás nem mindig könnyű, ezért nagyon fontos számításba venni az önmagukban is működőképes (stand-alone) modulok használatát, amely a szoftver egyszerű átalakítását is lehetővé teszi a modulokról az integrált áramkörökre. Továbbá lényeges olyan beszállítót is választani, amely modulokat és rendszercsipeket egyaránt forgalmaz, ami által a fejlesztőplatform, a szoftverátmenet és a támogatási struktúra is ugyanaz maradhat.

2. ábra A WLR089U0 LoRa-modul tömbvázlata

A hatósági tanúsítvánnyal rendelkező LoRa-modulok segítenek megfelelni a kihívásoknak, és egyszerűsítik a LoRa-végpontok tervezését

Azok a LoRa-modulok, amelyek tartalmazzák az összes szükséges rádiókomponenst és a LoRaWAN-szoftververmet is, ideális eszközök a LoRaWAN-végpontok gyorsabb fejlesztéséhez. Mivel az RF-fejlesztés és a tanúsítás is a modulgyártónál történik, a tanúsítványt érintő bármiféle változást is a gyártó kezeli, amely hatalmas mennyiségű fejlesztési időt és újratanúsítási költséget takarít meg a végkészülék gyártója számára.
Az egymagukban minden LoRa-funkciót tartalmazó modulok a beépített, nagy integráltságú LoRa-céláramkörükben elegendő memóriát is tartalmaznak ahhoz, hogy az alkalmazáskód is futni tudjon rajtuk a LoRaWAN-programveremmel együtt. Ez feleslegessé teszi egy külső mikrovezérlő beépítését, amivel NyÁK-területet és rendszerköltséget takaríthatunk meg. Az ilyen egymagában működő, „stand alone” modulra a 2. és a 3. ábra mutat egyszerű példát. A Microchip Technology SAM R34/35 áramkörcsaládján alapuló, kis méretű WLR089U0 modul 256 kbájt flashmemóriával és 40 kbájt RAM-mal van felszerelve, ami ideális megoldássá teszi a kis beépítési méretet igénylő alkalmazások számára. A modul egy integrált RF-kapcsolót is tartalmaz, amely többsávos működésre is alkalmassá teszi, illetve használhatóvá teszi olyan működési területeken is, amelyeknél a megengedett ISM-sávok eltérő frekvenciájúak. Ezzel a végtermék különböző piacokon való értékesítése is könnyebb. A WLR089U0 eszközön egyaránt futtatható a Microchip bevált LoRaWAN-szoftververme és a végfelhasználó saját, pont-pont közötti összeköttetésre használható szoftvere. Ez megkönnyíti a végfelhasználó számára a saját LoRa-alkalmazások fejlesztését. Mivel a modulok a SAM R34/35 áramkörcsaládján alapulnak, a továbbfejlesztési útvonal is egyszerűbben járható a moduloktól az integrált áramkörös megoldásokig és viszont. Egy ilyen modul választása segít legyőzni a LoRa-végkészülékeknél gyakran előforduló, szokásos tervezési nehézségeket, amely által egyszerűbbé válik az egész tervezési folyamat.

3. ábra A WLR89U0 LoRa-modul

Összefoglalás

A LoRa-végkészülékek fejlesztése bonyolult és időigényes lehet. A nagy integráltságú, tanúsított LoRa-modulok könnyű és bevált megközelítését adják annak, hogy megfelelhessünk az ilyen végkészülékek tervezése során előforduló összetett kihívásoknak. A megbízható szoftver, a nagyobb memória, az integrált RF-kapcsoló és a hatósági tanúsítvány csak néhány kiragadott példa azon kulcsfontosságú jellemzők közül, amelyeket a LoRa-moduloktól elvárunk. Egy hiteles tanúsítvánnyal ellátott LoRa-modul nem csupán egyszerűsíti a tervezés folyamatát, de lehetővé teszi a végkészülékek fejlesztői számára, hogy terméküket megkülönböztető, egyedi képességekkel ruházzák fel, és azt mihamarabb piacra is dobhassák.

Szerző: Ramya Kota – Microchip Technology

Jegyzetek

¹ A közismert ISO/OSI hálózati rétegmodell adatkapcsolati (Data Link) rétegének „alsó” alrétege. (A ford. megj.)
² Ipari, tudományos és orvostechnikai (Industrial, Scientific and Medical) célú felhasználásra engedélykötelezettség nélkül alkalmazható frekvenciasávok. (A ford. megj.)

www.microchip.com