End-to-end kezdőkészlet LoRaWAN IoT-projektekhez

A mezőgazdaságtól kezdve a bányászaton át az intelligens városokig a távfelügyeleti és távvezérlési célra fejlesztett, dolgok internetére (IoT) épülő érzékelő- és működtetőhálózati alkalmazások tervezőinek olyan nagy hatótávolságú vezeték nélküli interfészre van szükségük, amely biztonságos, megbízható, alacsony karbantartási igényű és viszonylag könnyen telepíthető. Az ilyen alkalmazásokra jó megoldás a LoRaWAN, amelynél nyílt terep esetén egy bázisállomás az akár 15 km távolságban lévő végberendezésekkel, míg városban az akár 5 km távolságban lévőkkel is tudja tartani a kapcsolatot, akár 10 évnyi üzemelést is biztosító akkumulátorokkal.

Bár a LoRaWAN egy kiforrott, alacsony energiaigényű, nagy kiterjedésű hálózati (LPWAN) technológia, a fejlesztők számára mindig jól jönnek az olyan módszerek, amelyekkel a telepítés és a felhőhöz való csatlakozás egyszerűsíthető. A LoRaWAN IoT-projektekbe újonnan bekapcsolódó mérnökök számára a kihívást általában az jelenti, hogy nemcsak a vezeték nélküli végberendezés beállításával kell foglalkozniuk, hanem az átjáróval, és egy felhőalapú IoT-platformmal való összekapcsolódást is meg kell oldaniuk. Mindezeket nagyban megkönnyítik a gyártók kezdőkészletei, amelyek tartalmazzák egy prototípus megépítéséhez és működtetéséhez szükséges összes elemet.
Ez a cikk bemutatja a LoRaWAN-t, és elmagyarázza, hogyan egészíti ki ez a technológia a kis hatótávolságú vezeték nélküli érzékelőhálózatokat azáltal, hogy LPWAN-t alkot az érzékelőadatok felhőbe történő továbbítására. Ezután bemutatja a Digi XON-9-L1-KIT-001 kezdőkészletét, és leírja, hogyan lehet többek között egy többérzékelős végberendezést, egy többcsatornás átjárót és egy eszköz-felhő kapcsolati IoT-platformot tartalmazó készletet felhasználni egy ipari platformon alapuló LoRaWAN IoT-megoldás megtervezéséhez, kifejlesztéséhez és konfigurálásához.

Mi a LoRa és a LoRaWAN?

A LoRaWAN az IoT-eszközök számára kifejlesztett LPWAN típusú technológia, amelynek jellemzői a több tíz kilométeres hatótávolság, az alacsony átviteli sebesség (a vivőfrekvenciától függően 250 bit/s és 50 Kbit/s között) és a nagyon alacsony energiafogyasztás (az alkalmazástól függően akár egy évtizedes akkumulátor-élettartam). Az 1. táblázatban a LoRaWAN-nak más IoT-technológiákkal való összevetése látható.

1. táblázat A LoRaWAN egy olyan LPWAN IoT vezeték nélküli protokoll, amely
a műszaki jellemzőinek köszönhetően alacsony átviteli teljesítményű, nagy hatótávolságú működésre alkalmas. A táblázatban ennek a technológiának más vezeték nélküli IoT-technológiákkal való összehasonlítása látható
(Kép: Semtech)

A LoRa specifikációi határozzák meg a fizikai réteget (PHY) és a modulációs módszert, amelyekre a LoRaWAN épül. A protokollkészlet közeghozzáférés-vezérlő (MAC) rétegét a LoRaWAN-szabvány határozza meg (1. ábra).

1. ábra A LoRaWAN protokollkészletet a LoRa fizikai réteg (PHY)
és modulációs technika, valamint a LoRaWAN MAC és az alkalmazási réteg alkotják (Kép: Semtech)

A technológia hatótávolságának az a kulcsa, hogy a közvetlen szekvenciális kiterjesztett (szórt) spektrumú (DSSS) moduláció egy módosított formáját használja. DSSS modulációval a jel az eredeti információ sávszélességénél szélesebb sávszélességen terül el, így kevésbé érzékeny az interferenciára, ami növeli a hatótávolságot. A DSSS hátránya, hogy nagyon pontos (és drága) referenciaóra szükséges hozzá. A LoRa által alkalmazott Chirp Spread Spectrum (CSS) modulációs technika alacsony költségű és alacsony fogyasztású alternatívát kínál a DSSS helyett, amelynek köszönhetően drága órajel-generátorra nincs szükség. A CSS a jel spektrumát egy folyamatosan változó frekvenciájú „ciripelő” jel generálásával teríti szét (2. ábra).

2. ábra A LoRa CSS modulációs technikája a jel spektrumát egy
folyamatosan változó frekvenciájú „ciripelő” jel generálásával teríti szét.
Ezen módszer kiküszöböli a DSSS-ben használt drága referenciaórák szükségességét (Kép: Semtech)

A CSS használatával az adó és a vevő időzítései és frekvenciaeltolásai azonosak, ami tovább csökkenti a vevőkészülék tervezésének összetettségét. A LoRa moduláció egy változó hibajavítási sémát is tartalmaz, amely javítja az átvitt jel megbízhatóságát, tovább növelve a hatótávolságot. Az adási teljesítményt (Tx) és a vevői érzékenységet (Rx) tekintve az eredmény egy 154 dBm körüli összeköttetés (link budget), amely lehetővé teszi, hogy egyetlen átjáró vagy bázisállomás egész városokat lefedjen.
Észak-Amerikában a LoRaWAN a 902–928 MHz közötti ipari, tudományos és orvosi (ISM) spektrumot használja. A vezeték nélküli protokoll 64 × 125 kHz-es felfelé irányuló csatornát határoz meg 902,3 és 914,9 MHz között, 200 kHz-es lépésekben. További nyolc 500 kHz-es felfelé irányuló csatorna áll rendelkezésre 1,6 MHz-es lépésekben 903 és 914,9 MHz között. A nyolc lefelé irányuló csatorna 500 kHz széles, 923,3 MHz-től 927,5 MHz-ig. Észak-Amerikában a maximális Tx teljesítmény 30 dBm, de a legtöbb alkalmazáshoz elegendő a 20 dBm Tx teljesítmény. Az amerikai FCC-előírások szerint nincsenek ciklusidő-korlátozások, de a tartózkodási idő (dwell time) csatornánként legfeljebb 400 milliszekundum lehet.
Mesh hálózatok kiépítésével a hatótávolság növelhető, ahol a hálózat szélein lévő berendezésekhez az üzenetek a köztes csomópontokon keresztüli üzenettovábbítással jutnak el, de ez bonyolultabbá teszi a hálózatot, csökkenti annak kapacitását és az akkumulátorok élettartamát. Mesh hálózat helyett a LoRaWAN csillagtopológiát használ, ahol minden (nagy hatótávolságú) csomópont közvetlenül egy átjáróhoz csatlakozik. A csomópontok nincsennek hozzárendelve egy-egy adott átjáróhoz, hanem ehelyett egy csomópont által továbbított adatokat jellemzően több átjáró is fogadja. Ezután a végberendezéstől fogadott csomagot mindegyik átjáró a felhőalapú hálózati szerverre továbbítja valamilyen felhordó hálózaton (jellemzően mobilhálózat, Ethernet, műhold vagy Wi-Fi) keresztül (3. ábra).

3. ábra A LoRaWAN csillagtopológiát használ, ahol mindegyik végberendezés közvetlenül kapcsolódik egy vagy több átjáróhoz. Ezután minden átjáró továbbítja az információkat a felhőalapú hálózati szerverre egy felhordó hálózaton keresztül (Kép: Semtech)

Ahhoz, hogy egy nagy hatótávolságú csillaghálózat életképes legyen, az átjárónak képesnek kell lennie arra, hogy nagyszámú csomópontból üzeneteket fogadjon. A LoRaWAN ezt a nagy kapacitást adaptív adatátviteli sebességgel és olyan átjárók használatával éri el, amelyek több csatornán egyidejűleg képesek üzeneteket fogadni. Egyetlen nyolccsatornás átjáró naponta néhány százezer üzenetet képes fogadni. Feltételezve, hogy minden egyes végberendezés naponta tíz üzenetet küld, egy ilyen átjáró körülbelül 10 000 eszközt képes támogatni. Ha nagyobb kapacitásra van szükség, a hálózat további átjárókkal bővíthető.

LPWAN kezdőkészlet gyors prototípus-készítéshez

Az LPWAN-technológiák összetettek, és problematikusak lehetnek a tapasztalatlan mérnökök számára. A fejlesztőnek nemcsak a vezeték nélküli végberendezést kell biztonságos és megbízható kapcsolattal ellátnia, hanem azt az átjáróval is össze kell kapcsolnia, be kell jelentenie azt a hálózatnak, majd egy felhőalapú IoT-platformhoz kell csatlakoznia.
Egy végpontokat összekötő LoRaWAN IoT-megoldás kiépítése egyszerűbbé válik egy olyan testreszabható kezdőkészlet használatával, mint például a Digi XON-9-L1-KIT-001 LoRaWAN Starter Kit (4. ábra). Egy ilyen indulócsomag használata során a mérnök gyorsan megismerkedhet a folyamat minden egyes lépésével, annak biztos tudatában, hogy a következő szakasz is gyorsan megvalósítható. Ennek eredményeképpen egy különösebb szakértelemmel nem rendelkező személy is gyorsan elkészítheti egy komplett LoRaWAN IoT-megoldás prototípusát.

4. ábra A XON-9-L1-KIT-001 LoRaWAN kezdőkészlet mindent tartalmaz, ami
egy hálózati kapcsolat prototípusának elkészítéséhez szükséges, beleértve
a HXG3000 Ethernet átjárót, az uplinket és downlinket, egy Client Shield kártyát, antennát, tápegységet és egy programozási interfészt (Kép: Digi)

A LoRa-n belüli eszközosztályok a hálózati lefelé irányuló kommunikációs késleltetés és az akkumulátor-élettartam alapján vannak definiálva. A Digi kezdőkészlete a „Class A” LoRaWAN (legalacsonyabb energiaigényű, kétirányú) és a „Class C” (legalacsonyabb késleltetésű, mindig bekapcsolt állapotban lévő vevő, kétirányú) végberendezéseket támogatja. A kezdőkészlet mindent tartalmaz, ami egy LoRaWAN prototípus gyors és biztonságos elkészítéséhez szükséges. Konkrétan, tartalmaz egy uplink/downlinket, egy „Client Shield” nevű LoRaWAN modult tartalmazó bővítőkártyát, egy LED-et, egy digitális bemenetet, hőmérséklet-érzékelőket, egy Digi 8 csatornás LoRaWAN HXG3000 Ethernet átjárót, egy beágyazott fejlesztői alkalmazásprogramozási felületet (API-t), valamint egy eszköz-felhő kapcsolati platformhoz való 30 napos ingyenes próbafiókot Scan and Go mobileszközös bejelentéssel.
A HXG3000 átjáró nagy hatótávolságú, rálátás nélküli (non line of sight), kétirányú kommunikációt biztosít LoRaWAN-on keresztül, és akár napi 1,5 millió üzenetet is képes kezelni. A termék tartalmaz egy 1,7 dBm-es mindenirányú rádiót, max. 27 dBm Tx adási teljesítménnyel és -138 dBm Rx érzékenységgel. Az USA-n belüli licenchez nem kötött 902–928 MHz-es frekvenciasávban működtethető. Az eszköz tápellátása vagy váltóáramról, vagy Power-over-Ethernet (PoE) hálózatról történik. Ethernet és LTE Cat M1 felhordó hálózati modellek állnak rendelkezésre.
A Digi LoRaWAN Client Shield a kezdőkészlet azon része, amely a LoRaWAN-érzékelők prototípusait elkészíteni és kifejleszteni szándékozó mérnökök számára készült. A kliensoldali LoRaWAN kapcsolat érdekében csatlakozni képes néhány kiválasztott kompatibilis STMicroelectronics Nucleo-hoz (például a NUCLEO-L053R8-hoz) és az Arduino Arm Cortex-M osztályú mikrokontroller-fejlesztő kártyákhoz. Az egymásba rakható Arduino csatlakozók mellett a Client Shield alacsony fogyasztású termisztoros hőmérséklet-érzékelővel, digitális bemeneti csúszókapcsolóval és digitálisan vezérelt piros, zöld, kék (RGB) LED-del rendelkezik. A kártya rendelkezik egy U.FL csatlakozóval, és a készlet részét képezi egy hozzá tartozó antenna is. A kártya tartalmazza a LoRaWAN modult is, amely az USA licenchez nem kötött 902–928 MHz-es sávjában működik. A Tx adási teljesítmény 14–20 dBm (5. ábra).

5. ábra A LoRaWAN modult tartalmazó XON-9-L1-KIT-001 Client Shield egy STMicroelectronics Nucleo-ra (a képen) vagy egy Arduino fejlesztői kártyára szerelhető (Kép: Digi)

A Digi fejlesztésű X-ON egy eszköz-felhő kapcsolati komplett platform az IoT-végberendezések számára. A platform fejlesztési célú és teljesen működőképes felhőmegoldást egyaránt kínál. Az X-ON integrált LoRaWAN hálózati szervert tartalmaz, és a szerverhez csatlakozva támogatja a LoRaWAN vezeték nélküli protokollt futtató eszközöket és átjárókat. A csatlakozási szerver kezeli a csatlakozási folyamatot, beleértve a hálózati és az alkalmazásszerver hitelesítését és a munkamenetkulcs generálását.
A platform lehetővé teszi a fejlesztő számára a következőket:

• eszközök vagy átjárók konfigurálása, felügyelete és diagnosztizálása a webes és mobil felületen keresztül;
• eszközök és átjárók automatikus telepítése a bejelentésre szolgáló alkalmazással;
• vezeték nélküli hálózati átjárók kezelése;
• adatok gyűjtése és elemzése közvetlenül a végberendezésekről;
• felhők közötti API használata valós idejű, kétirányú eszközadat-továbbításhoz több felhőplatform között;
• a valós idejű adatüzenetek naplózása és nyomon követése a végberendezéseken és átjárókon végzett interaktív műveletekhez és hibaelhárításhoz;
• adatok integrálása nyílt API-kon keresztül, harmadik féltől származó segédprogramok segítségével megvalósított, összetettebb alkalmazások kifejlesztése érdekében (6. ábra).

6. ábra A Digi X-ON egy eszköz-felhő platform IoT-végberendezésekhez, amely lehetővé teszi a fejlesztő számára, hogy automatizálja az eszközök és átjárók telepítését az okostelefonos alkalmazással. A fejlesztő ezután a webes és mobil felületről konfigurálhatja, felügyelheti és diagnosztizálhatja az eszközöket vagy átjárókat (Kép: Digi)

Hogyan fogjunk hozzá egy LoRaWAN-projekthez?

Mivel a Client Shield, az STMicroelectronics Nucleo-ja és az Arduino fejlesztői kártyái beágyazott Arm mikrokontrollereket használnak, és így „Arm Mbed”-re készek, viszonylag egyszerű hozzákezdeni egy projekthez a Digi kezdőkészletével. (Az Arm Mbed egy 32 bites Arm Cortex M-osztályú mikrokontrollereken alapuló platform és operációs rendszer (OS) IoT-eszközökhöz.) A Client Shield kártya tartalmaz egy beágyazott AT-parancsnyelvet és egy egyszerűsített Arm Mbed C++ beágyazott API-t, amelyet úgy terveztek, hogy csökkentse a tervezés bonyolultságát, egyszerűsítve a fejlesztést.
A Digi LoRaWAN Starter Kit kezdőkészletének Mbed-kompatibilitása lehetővé teszi az alkalmazásfejlesztési munkát az Arm Mbed online eszközeinek használatával. Három ilyen eszköz áll rendelkezésre. Az Mbed Online Compiler lehetővé teszi a fejlesztő számára, hogy azonnal elkezdje az alkalmazásfejlesztést anélkül, hogy bármit telepítene. Mindössze egy Mbed-fiókra van szükség.
A fejlettebb alkalmazásfejlesztéshez a Digi LoRaWAN Starter Kit csatlakoztatható az Mbed Studio-hoz, amely egy PC-alapú integrált fejlesztőkörnyezet (IDE) Mbed programok létrehozásához, fordításához és hibakereséshez. Végül ott van az Mbed CLI, egy parancssori eszköz, amely a fejlesztő által preferált IDE-be integrálható.
A fejlesztés leggyorsabban egy Digi X-ON fiók létrehozásával kezdhető meg. Ezután a fejlesztőnek regisztrálnia kell egy Mbed Online Compiler fiókot. Miután a Client Shield-nek a fejlesztői kártyára történő felszerelése megtörtént, az egységet USB-kábel segítségével csatlakoztatni kell egy asztali számítógéphez. Ekkor a Client Shield-en lévő „PWR” és a fejlesztői lapon lévő „COM” LED-ek világítani fognak, jelezve, hogy az elektronika be van kapcsolva. Az Mbed Online Compiler ezután egyszerű lépéseken keresztül vezeti a fejlesztőt, hogy a hardverplatformot hozzáadja a fordítóhoz. A hardver hozzáadása után az Mbed tárolójában (vagy más könyvtárakban) található érzékelőalkalmazások példáit felhasználva a kód importálható a fordítóprogramba és letölthető a fejlesztői kártyára. A fordító a LoRaWAN konfigurációk, például az eszközosztály és a hálózati csatlakozási mód megváltoztatására is használható (7. ábra).

7. ábra A LoRaWAN-konfigurációk, például az eszközosztály
és a hálózati csatlakozási mód egyszerű módosítása az Arm Mbed Online Compiler segítségével (Kép: Digi)

Feltéve, hogy az átjáró fut, a Client Shield/fejlesztői kártyaegyüttes csatlakozik a hálózathoz, és (alapértelmezett módban) 15 másodpercenként elkezdi küldeni a felfelé irányuló üzeneteket. A „Stream” gomb megnyomása után az X-ON felhasználói fiókoldalon a képernyőn megjelennek az eszközről továbbított adatok.

Összegzés

Az IoT érzékelő- és működtető hálózatok tervezői számára a LoRaWAN licenchez nem kötött RF hozzáférést, több tíz kilométeres hatótávolságot, alacsony energiafogyasztást, jó biztonságot és skálázhatóságot, valamint megbízható kapcsolódási lehetőségeket kínál. Ugyanakkor azonban, sok más IoT vezeték nélküli protokollhoz hasonlóan ez is sok nehézséggel járhat a végberendezések csatlakoztathatóságát, azoknak a hálózatba való bejelentését, az átjárók kezelését és az érzékelőadatoknak a felhőbe történő továbbítását illetően.
Amint azt bemutattuk, a Digi LoRaWAN Starter Kit számos ilyen problémát megold. Egy egyszerűsített Arm Mbed C++ beágyazott API-val ellátott Client Shield kártyát, egy Ethernet felhordó hálózatos LoRaWAN átjárót, valamint egy X-ON eszköz-felhő kapcsolati platformot tartalmaz Scan and Go mobilhálózati eszközbejelentéssel. A kezdőkészlet használatával a fejlesztők gyorsan elkészíthetnek egy működőképes LoRaWAN hardverprototípust, kifejleszthetik és feltölthetik az érzékelők és működtető elemek alkalmazáskódjait, valamint elemezhetik és bemutathatják az adatokat a felhőplatform segítségével.

Szerző: Rolf Horn – Alkalmazástechnikai mérnök,
Digi-Key Electronics

Digi-Key Electronics
www.digikey.hu

Angol nyelvű kapcsolat
Arkadiusz Rataj
Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +48 696 307 330
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.