Nopeuta LoRaWAN IoT -projekteja päästä päähän -aloitussarjalla.

Esineiden internetin (IoT) anturi- ja aktuaattoriverkkojen suunnittelijat tarvitsevat maataloudesta ja kaivostoiminnasta älykaupunkeihin ulottuvia etävalvonta- ja ohjaussovelluksia varten pitkän kantaman langattoman rajapinnan, joka on turvallinen, robusti, vähän huoltoa vaativa ja suhteellisen helppo ottaa käyttöön. Hyvä vaihtoehto tällaisiin sovelluksiin on LoRaWAN, jonka kantama on maaseudulla ja näköyhteydellä jopa 15 kilometriä (km) ja jopa 5 kilometriä (km) kaupunkialueilla. Tällöin voidaan myös käyttää päätelaitteita, joiden paristot voivat kestää jopa 10 vuotta.

Vaikka LoRaWAN on kypsä ja vähätehoinen pitkän kantaman langaton verkkoteknologia (LPWAN, Low Power Wide Area Network), kehittäjät tarvitsevat aina keinoja, joilla käyttöönottoa voidaan yksinkertaistaa ja pilveen yhdistämistä helpottaa.

Jos LoRaWAN IoT -projektit ovat suunnittelijoille uusi tuttavuus, haasteena on langattoman päätelaitteen asennuksen ohella myös kompleksinen rajapinta yhdyskäytävään ja IoT-pilvialustaan. Tehtävää helpottavat huomattavasti myyjien tarjoamat aloitussarjat, jotka sisältävät kaiken mitä prototyypin luontiin ja käyttöön tarvitaan.

Tässä artikkelissa esitellään LoRaWAN ja selitetään, miten tämä tekniikka täydentää lyhyen kantaman langattomia anturiverkkoja muodostamalla LPWAN-verkon anturidatan välittämiseksi pilveen. Sen jälkeen artikkelissa kuvaillaan, miten yrityksen Digi XON-9-L1-KIT-001 -aloitussarjaa – johon kuuluvat monianturipäätelaite, monikanavainen yhdyskäytävä ja laitteesta pilveen -IoT-alusta – käytetään LoRaWAN IoT-ratkaisun suunnitteluun, kehittämiseen ja konfigurointiin teollisuusalustan päällä.

Mitä ovat LoRa ja LoRaWAN?

LoRaWAN on IoT-laitteille tarkoitettu LPWAN-tekniikka, jolle on ominaista kymmenien kilometrien kantama, alhaiset tiedonsiirtonopeudet (250 bitistä sekunnissa (bit/s) 50 kilobittiin sekunnissa (Kbits/s) kantoaaltotaajuudesta riippuen) ja erittäin alhainen virrankulutus (akun käyttöikä sovelluksesta riippuen jopa kymmenen vuotta). Taulukko 1 vertaa LoRaWAN-teknologiaa muihin IoT-teknologioihin.

Taulukko 1: LoRaWAN on langaton LPWAN IoT -protokolla, jonka ominaisuudet sopivat alhaisille tiedonsiirtonopeuksille ja pitkille kantamille. Taulukko vertaa sitä muihin langattomiin IoT-teknologioihin. (Kuvan lähde: Semtech)

LoRa-spesifikaatiossa määritellään LoRaWAN-teknologian perustana oleva fyysinen kerros (PHY) ja modulaatiotekniikka. Protokollapinon MAC-kerros (Media Access Control) määritellään LoRaWAN-standardissa (kuva 1).

Kuva 1: LoRan fyysinen kerros (PHY) ja modulaatiotekniikka sekä LoRaWAN MAC ja sovelluskerros muodostavat LoRaWAN-protokollapinon. (Kuvan lähde: Semtech)

Teknologian kantaman kannalta keskeistä on muunnetun DSSS-modulaatiomuodon (Direct Sequence Spread Spectrum) käyttö. DSSS-modulaatio levittää signaalin alkuperäisen informaation kaistanleveyttä laajemmalle kaistanleveydelle, jolloin se on vähemmän altis häiriöille, mikä pidentää kantamaa. DSSS:n huono puoli on se, että se vaatii erittäin tarkan (ja kalliin) referenssikellon. LoRa Chirp Spread Spectrum (CSS) -tekniikka tarjoaa edullisen ja virrankulutukseltaan alhaisen DSSS-vaihtoehdon, jossa kelloa ei tarvita. CSS levittää signaalin spektriä luomalla chirp-signaalin, jonka taajuus vaihtelee jatkuvasti (kuva 2).

Kuva 2: LoRa CSS -tekniikka levittää signaalin spektriä luomalla chirp-signaalin, jonka taajuus vaihtelee koko ajan. Tekniikka eliminoi DSSS-modulaatiossa käytettävien kalliiden referenssikellojen tarpeen. (Kuvan lähde: Semtech)

CSS-tekniikkaa käyttämällä lähettimen ja vastaanottimen väliset ajoitus- ja taajuuspoikkeamat vastaavat toisiaan, mikä vähentää edelleen vastaanottimen suunnittelun kompleksisuutta. LoRa-modulaatioon sisältyy myös säätyvä virheenkorjausjärjestelmä, joka parantaa lähetettävän signaalin robustisuutta ja pidentää kantamaa entisestään. Tuloksena on noin 154 dBm:n linkkibudjetin lähetysteho (Tx) ja vastaanottoherkkyys (Rx) desibeli-milliwatteina (dBm), jonka ansiosta yksi yhdyskäytävä tai tukiasema voi kattaa kokonaisia kaupunkeja.

Pohjois-Amerikassa LoRaWAN käyttää teolliseen, tieteelliseen ja lääketieteelliseen käyttöön tarkoitettua (ISM) 902–928 megahertsin (MHz) taajuusaluetta. Langaton protokolla määrittelee 64 x 125 kilohertsin (kHz) uplink-kanavat 902,3–914,9 MHz:n taajuusalueella 200 kHz:n välein. Lisäksi on kahdeksan 500 kHz:n uplink-kanavaa 1,6 MHz:n välein 903–914,9 MHz:n välillä. Kahdeksan downlink-kanavaa ovat 500 kHz:n levyisiä ja sijaitsevat välillä 923,3 MHz – 927,5 MHz. Suurin TX-teho Pohjois-Amerikassa on 30 dBm, mutta useimmissa sovelluksissa 20 dBm:n TX-teho riittää. Yhdysvaltain telehallintoviraston (FCC) säännöstöihin ei sisälly käyttöjaksorajoituksia, mutta kanavakohtainen enimmäisviipymäaika on 400 millisekuntia (ms).

Mesh-verkko on tekniikka, jolla voidaan lisätä kantamaa välittämällä viestejä solmujen välillä verkon reunojen saavuttamiseksi, mutta se lisää kompleksisuutta, vähentää kapasiteettia ja lyhentää akun käyttöikää. LoRaWAN käyttää mesh-verkon sijasta tähtitopologiaa, jossa jokainen (kaukana sijaitseva) solmu muodostaa yhteyden suoraan yhdyskäytävään. Solmuja ei sidota tiettyyn yhdyskäytävään. Sen sijaan tavallisesti useat yhdyskäytävät ottavat vastaan solmun lähettämän datan. Kukin yhdyskäytävä välittää sitten vastaanotetun paketin loppusolmusta pilvipohjaiselle verkkopalvelimelle jonkinlaisen runkoliityntäyhteyden (tyypillisesti matkapuhelinverkon, Ethernetin, satelliitin tai Wi-Fi:n) kautta (kuva 3).

Kuva 3: LoRaWAN käyttää tähtitopologiaa, jossa kukin päätelaite muodostaa suoraan yhteyden yhteen tai useampaan yhdyskäytävään. Kukin yhdyskäytävä välittää sitten informaation pilvipohjaiselle verkkopalvelimelle runkoliityntäyhteyden kautta. (Kuvan lähde: Semtech)

Jotta pitkän kantaman tähtiverkko voisi toimia, yhdyskäytävän on pystyttävä vastaanottamaan viestejä suurelta määrältä solmuja. LoRaWAN saavuttaa tämän suuren kapasiteetin käyttämällä mukautuvaa tiedonsiirtonopeutta sekä yhdyskäytäviä, jotka voivat vastaanottaa viestejä samanaikaisesti useilla kanavilla. Yksi kahdeksankanavainen yhdyskäytävä voi tukea satoja tuhansia viestejä päivässä. Jos oletetaan, että kukin päätelaite lähettää kymmenen viestiä päivässä, tällainen yhdyskäytävä voi tukea noin 10 000 laitetta. Jos tarvitaan lisää kapasiteettia, verkkoon voidaan lisätä enemmän yhdyskäytäviä.

LPWAN-aloitussarja prototyyppien nopeaan luontiin

LPWAN-tekniikat ovat kompleksisia ja voivat olla haaste kokemattomalle suunnittelijalle. Sen lisäksi, että kehittäjän on luotava langattomaan päätelaitteeseen turvallinen ja robusti yhteys, hänen on myös yhdistettävä se yhdyskäytävään, otettava se osaksi verkkoa ja muodostettava yhteys IoT-pilvialustaan.

Tämän päästä päähän ulottuvan LoRaWAN-IoT-ratkaisun luonnista on tehty helpompaa käyttämällä räätälöityä aloitussarjaa, kuten Digi XON-9-L1-KIT-001 LoRaWAN -aloitussarjaa (kuva 4). Tällaisen aloitussarjan avulla suunnittelija voi itse tutustua nopeasti prosessin jokaiseen vaiheeseen ja olla varma siitä, että seuraava vaihe voidaan integroida nopeasti. Näin ollen myös aloittelija voi luoda nopeasti prototyypin valmiista LoRaWAN-IoT-ratkaisusta.

Kuva 4: XON-9-L1-KIT-001 LoRaWAN -aloitussarja sisältää kaiken tarvittavan verkkoyhteyden prototyypin luontiin, mukaan lukien HXG3000 Ethernet-yhdyskäytävän, uplinkin ja downlinkin, Client Shield -lisäkortin, antennin, virtalähteen ja ohjelmointirajapinnan. (Kuvan lähde: Digi)

LoRa sisältää laiteluokkia, joissa on tehty verkon downlink-tiedonsiirtolatenssin ja akun käyttöiän välinen kompromissi. Digi-aloitussarja tukee LoRaWAN-luokkaa A (pienin teho, kaksisuuntaiset päätelaitteet) ja luokkaa C (pienin latenssi, päätelaitteen vastaanotin aina päällä, kaksisuuntaiset päätelaitteet).

Aloitussarja tarjoaa kaiken tarvittavan LoRaWAN-prototyypin nopeaan ja turvalliseen luontiin. Siihen kuuluvat erityisesti uplink/downlink, laajennuskortti tai LoRaWAN-moduulilla varustettu ”Client Shield”, ledi, digitaalinen tulo, lämpötila-anturit, Digi 8-kanavainen LoRaWAN HXG3000 Ethernet-yhdyskäytävä, sulautettu kehittäjän sovellusohjelmointirajapinta (API) ja 30 päivän ilmainen kokeilutili laitteesta pilveen -alustalle Scan and Go -mobiiliprovisioinnilla.

HXG3000-yhdyskäytävä tarjoaa pitkän kantaman kaksisuuntaisen tiedonsiirron ilman näköyhteyttä LoRaWAN-verkon kautta ja pystyy käsittelemään jopa 1,5 miljoonaa viestiä päivässä. Tuotteessa on 1,7 dBm:n suuntaukseton radio jopa 27 dBm:n Tx-teholla ja -138 dBm:n Rx-herkkyydellä. Se toimii lisenssivapaalla Yhdysvaltain taajuusalueella 902–928 MHz. Laite saa virtansa joko vaihtovirtalähteestä tai Power-over-Ethernetistä (PoE). Saatavana on Ethernet- ja LTE Cat M1 -runkoliityntämalleja.

Digi LoRaWAN Client Shield on aloitussarjaan kuuluva osa, joka tukee suunnittelijoita LoRaWAN-antureiden prototyyppien luonnissa ja kehittämisessä. Se voidaan yhdistää yhteensopiviin STMicroelectronics Nucleo -kehitysalustoihin (esimerkiksi NUCLEO-L053R8) ja Cortex® M -luokan Arduino ARM Keil® -mikrokontrollerikehitysalustoihin LoRaWAN-asiakasyhteyksiä varten. Pinottavien Arduino-liitinten lisäksi Client Shield sisältää pienitehoisen termistorilämpötila-anturin, digitaalisen tulon liukukytkimen ja digitaalisesti ohjatun punaisen, vihreän ja sinisen (RGB) ledin. Lisäkortissa on myös U.FL-liitin ja sarjan mukana tulee siihen sopiva antenni. Lisäkortti sisältää myös LoRaWAN-moduulin, joka toimii Yhdysvalloissa lisenssivapaalla taajuusalueella 902–928 MHz. TX-teho on 14–20 dBm (kuva 5).

Kuva 5: LoRaWAN-moduulin sisältävä XON-9-L1-KIT-001 Client Shield voidaan asentaa STMicroelectronics Nucleo- (kuvassa) tai Arduino -kehitysalustaan. (Kuvan lähde: Digi)

Digi X-ON on valmis laitteesta pilveen -alusta IoT-päätelaitteille. Alusta tarjoaa pilviratkaisun sekä kehitysvaihetta että operatiivista käyttövaihetta varten. X-ON sisältää integroidun LoRaWAN-verkkopalvelimen ja tukee palvelimen kautta langatonta LoRaWAN-protokollaa käyttäviä laitteita ja yhdyskäytäviä. Liittymispalvelin hoitaa liittymistoimenpiteet sekä verkko- ja sovelluspalvelimen todennuksen ja istuntoavaimen luonnin.

Alustan avulla kehittäjä voi:

• konfiguroida, valvoa ja diagnosoida laitteita ja yhdyskäytäviä verkko- ja mobiilikäyttöliittymästä käsin
• automatisoida laitteiden ja yhdyskäytävien käyttöönoton provisiointisovelluksen avulla
• hallita langattoman verkon yhdyskäytäviä
• kerätä ja analysoida dataa suoraan päätelaitteista
• käyttää pilvien välistä API-rajapintaa useiden pilvialustojen välillä liikkuvaa reaaliaikaista, kaksisuuntaista laitedataa varten
• kirjata lokiin ja jäljittää reaaliaikaisia dataviestejä interaktiivisia toimintoja ja vianmääritystä varten päätelaitteilla ja yhdyskäytävillä
• integroida dataa avoimien API-rajapintojen kautta kompleksisempien sovellusten kehittämiseen kolmansien osapuolten apuohjelmilla (kuva 6).

Kuva 6: Digi X-ON on laitteesta pilveen -alusta IoT-päätelaitteille, jonka avulla kehittäjä voi automatisoida laitteiden ja yhdyskäytävien käyttöönoton provisiointiälypuhelinsovelluksen kautta. Kehittäjä voi tällöin konfiguroida, valvoa ja diagnosoida laitteita ja yhdyskäytäviä verkko- ja mobiilikäyttöliittymän kautta. (Kuvan lähde: Digi)

LoRaWAN-projektin aloitusopas

Koska Client Shield, STMicroelectronics Nucleo ja Arduino-kehitysalustat käyttävät sulautettuja ARM Keil -mikrokontrollereita ja ovat siten ”ARM Keil Mbed -yhteensopivia”, projektin aloittaminen Digi -aloitussarjalla on suhteellisen yksinkertaista. (ARM Keil Mbed on alusta ja käyttöjärjestelmä (OS) IoT-laitteille, jotka perustuvat 32-bittisiin ARM Keil Cortex M -luokan mikrokontrollereihin.) Client Shield sisältää sulautetun AT-komentokielen ja yksinkertaistetun ARM Keil Mbed C++ Embedded API-rajapinnan, jonka tarkoituksena on poistaa suunnittelun kompleksisuudet ja yksinkertaistaa kehitystyötä.

Digi LoRaWAN -aloitussarjan Mbed-yhteensopivuus mahdollistaa sovelluskehitystyön yrityksen ARM Keil -verkkoresurssien avulla. Resursseihin kuuluu kolme vaihtoehtoa. Mbed Online Compilerin avulla kehittäjä voi aloittaa sovelluskehityksen välittömästi asentamatta mitään. Tarvitaan vain Mbed-tili.

Monipuolisempaa sovelluskehitystä varten Digi LoRaWAN-aloitussarja voidaan liittää Mbed Studioon, joka on Mbed-ohjelmien luontiin, kääntämiseen ja virheenkorjaukseen tarkoitettu integroitu kehitysympäristö (IDE) tietokoneille. Lisäksi käytettävissä on Mbed CLI, komentorivityökalu, joka voidaan integroida kehittäjän käyttämään IDE-ympäristöön.

Nopein tapa aloittaa kehitystyö on luoda ensin Digi X-ON-tili. Seuraavaksi kehittäjän tulee rekisteröityä Mbed Online Compiler -tilille. Kun Client Shield on asennettu kehitysalustalle, kokoonpano on yhdistettävä pöytätietokoneeseen USB-kaapelilla. Client Shieldin PWR-ledi ja kehitysalustan COM-ledi syttyvät tämän jälkeen merkiksi siitä, että elektroniikka on käynnistetty.

Tämän jälkeen Mbed Online Compiler ohjaa kehittäjän yksinkertaisten vaiheiden läpi laitteistoalustan lisäämiseksi kääntäjään. Kun laitteisto on lisätty, koodi voidaan tuoda kääntäjään Mbed-repositoriossa (tai muissa kirjastoissa) olevista anturisovellusten esimerkeistä ja ladata kehitysalustalle. Kääntäjän avulla voidaan myös muuttaa LoRaWAN-konfiguraatioita, esimerkkinä laiteluokka ja verkkoonliittymistila (kuva 7).

Kuva 7: LoRaWAN-konfiguraation (esimerkkinä laiteluokka ja verkkoonliittymistila) muuttaminen on helppoa ARM Keil Mbed Online Compilerin avulla. (Kuvan lähde: Digi)

Jos yhdyskäytävä on toiminnassa, Client Shield/kehitysalusta liittyy verkkoon ja alkaa lähettää uplinkkejä 15 sekunnin välein (oletustilassa). Kun X-ON-tilin sivulla painetaan Stream-painiketta, laitteen lähettämä data näkyy näytöllä.

Yhteenveto

LoRaWAN tarjoaa IoT-anturi- ja aktuaattoriverkkojen suunnittelijoille lisenssivapaan RF-yhteyden, kymmenien kilometrien kantaman, alhaisen virrankulutuksen, hyvän tietoturvan ja skaalautuvuuden sekä robustin yhteyden. Monien langattomien IoT-protokollien tapaan loppulaitteiden yhdistäminen, provisiointi, yhdyskäytävät ja anturidatan suoratoisto pilveen voi kuitenkin olla haastavaa.

Kuten edellä on kuvailtu, Digi LoRaWAN-aloitussarja ratkaisee monia näistä ongelmista. Siihen kuuluu Client Shield yksinkertaistetulla ARM Keil Mbed C++ Embedded API-rajapinnalla, LoRaWAN-yhdyskäytävä Ethernet-runkoliitynnällä ja laitteesta pilveen -alusta X-ON Scan and Go -mobiiliprovisioinnilla. Aloitussarjan avulla kehittäjä voi ottaa nopeasti käyttöön LoRaWAN-laitteistoprototyypin, kehittää ja siirtää anturi- ja aktuaattorisovelluskoodia sekä analysoida ja esittää dataa pilvialustan avulla.