Nopeuta pitkän kantaman verkkoyhteyksien kehittämistä sertifioidulla LoRaWAN-moduulilla

Kehittäjien täytyy tarjota suojatut verkkoyhteydet pitkillä etäisyyksillä monissa korkean volyymin anturipohjaisissa sovelluksissa maataloudessa, omaisuudenseurannassa, kunnallistekniikassa ja esineiden internetissä (IoT). LoRaWAN-protokolla (Long Range Wide Area Network) on suunniteltu tukemaan hyvin laajoja tällaisten laitteiden verkkoja. Tämä protokolla voi tarjota tehokkaan ratkaisun, mutta se vaatii sopivaa perehtyneisyyttä ja asiantuntemusta, jotta optimoitu kommunikointiosajärjestelmä voidaan toteuttaa nopeasti.

Tässä artikkelissa kuvataan lyhyesti LoRaWAN ja sen tarjoamat mahdollisuudet. Siinä esitellään sen jälkeen Murata Electronicsin LoRaWAN-sertifioitu moduuli. Se tarjoaa kehittäjille valmiin ratkaisun, jolla voidaan toteuttaa erittäin pitkän kantaman yhteydet vähätehoisten pitkän kantaman langattomien verkkojen (LPWAN) avulla. Artikkelissa esitellään myös prototyyppien luontia nopeuttava kehitysalusta ja ohjelmistotuki kyseiselle moduulille.

Mikä on LoRaWAN?

LoRaWAN on noussut käytettävissä olevien langattomien yhteysvaihtoehtojen joukosta tehokkaaksi ratkaisuksi sellaisiin palvelinpohjaisiin sovelluksiin, jotka yhdistetään kaukana tuttujen langattomien vaihtoehtojen, kuten Wi-Fi:n tai Bluetoothin, kantaman ulkopuolella sijaitseviin pienitehoisiin päätelaitteisiin. LoRaWAN-verkossa sovelluspalvelimet kommunikoivat perinteisten TCP/IP-verkkojen (Transmission Control Protocol / Internet Protocol) kautta LoRaWAN-yhdyskäytävien kanssa (kuva 1).

Kuva 1: Tyypillisessä LoRaWAN-verkkosovelluksessa palvelimet muodostavat yhteyden yhdyskäytäviin, jotka puolestaan käyttävät LoRa-teknologian pitkän kantaman pienivirtaisia ominaisuuksia ja muodostavat yhteyden sellaisiin päätelaitteisiin, jotka voivat sijaita useiden kilometrien päässä. (Kuvalähde: Murata Electronics)

LoRaWAN-yhdyskäytävät puolestaan kommunikoivat päätelaitteiden kanssa käyttäen alle gigahertsin LoRa-radiotaajuustekniikkaa, joka toimii lisensoimattomilla ISM (Industrial, Scientific and Medical) -kaistoilla. LoRa-teknologia on tarkoitettu suhteellisen alhaisen bittinopeuden sovelluksiin, ja sen tarjoama maksimi bittinopeus on noin 10 kilobittiä sekunnissa (kbit/s), mutta se tarjoaa kuitenkin ainutlaatuisia etuja pitkän kantaman käyttöön.

Hajaspektritekniikkaan perustuva LoRa RF mahdollistaa sen, että kehittäjät voivat vaihtaa bittinopeuden kantamaan, jolloin luotettava kaksisuuntainen kommunikaatio on toteutettavissa helposti yli 15 kilometrin etäisyyksillä maaseudulla tai yli 5 kilometrin etäisyyksillä sisätiloissa tiheillä kaupunkialueilla.

LoRaWAN-protokolla suojaa tietoliikennettä LoRaWAN-tietoturvamallin ansiosta. LoRaWAN käyttää kahta salausavainta: toinen varmistaa pakettitason aitouden ja eheyden ja toinen tarjoaa päätelaitteiden ja sovelluspalvelimien välisille viesteille päästä-päähän-suojauksen.

LoRaWAN-protokolla tarjoaa muitakin etuja päätelaitteiden virrankulutuksen ja sovelluksen kommunikaatiotarpeiden väliseen tasapainotukseen. LoRaWAN-verkon laitteet voivat toimia yhdessä kolmesta luokasta: luokka A, luokka B tai luokka C. Minkä tahansa luokan laite voi lähettää viestejä tarpeen mukaan, mutta laitteen luokka määrittää, milloin se voi vastaanottaa viestejä.

A-luokan laitteet ovat kaikkein energiatehokkaimpia, ja ne on suunniteltu tapahtumapohjaiseen toimintaan, esimerkiksi kun anturi havaitsee ympäristössään muutoksen. A-luokan laitteet voivat pysyä lepotilassa tapahtumien välillä. Ne heräävät anturidatan keruun jälkeen vain niin pitkäksi aikaa, että ne voivat lähettää dataa ja sen jälkeen avata downlink-vastaanottoikkunoita tietyin viivein (RX1 ja RX2) uplink-lähetyksen jälkeen (kuva 2).

Kuva 2: Kaikkein energiatehokkain LoRaWAN-luokista, luokka A, sallii laitteiden pysymisen lepotilassa mahdollisimman pitkään. Ne aktivoituvat vain lähettääkseen (uplink-) dataa yhdyskäytäviin ja sitten avatakseen ensimmäisen vastaanottoikkunan (RX1) ja toisen vastaanottoikkunan (RX2) uplink-lähetyksen päätyttyä. (Kuvalähde: Murata Electronics)

B-luokan laitteet tukevat säännöllistä toimintaa sovelluksen edellyttämällä aikataululla. LoRaWAN-protokolla mahdollistaa sen, että B-luokan laitteet voivat avata downlink-vastaanottoikkunan määritellyn aikataulun mukaisesti. Silloin yhdyskäytävän lähettämää jäljitettä käytetään päätelaitteen ja verkon synkronointiin (kuva 3).

Kuva 3: LoRaWAN-luokan B laitteet mahdollistavat synkronoidut downlinkit käyttämällä laitteeseen yhdistetyn yhdyskäytävän lähettämää jäljitettä ajoituksen ylläpitoon. (Kuvalähde: Murata Electronics)

C-luokan laitteet on suunniteltu sellaisiin sovelluksiin, jotka edellyttävät, että päätelaitteet kuuntelevat jatkuvasti downlink-viestejä. Koska C-luokan laitteiden täytyy pysyä aktiivisina, ne toimivat tyypillisesti verkkovirralla eivätkä akulla A- ja jopa B-luokan laitteiden tavoin (kuva 4).

Kuva 4: Tyypillisesti jatkuvatoimisella virtalähteellä toimivat LoRaWAN-luokan C-laitteet pysyvät aina aktiivisina ja kuuntelevat jatkuvasti downlink-viestejä silloin, kun ne eivät lähetä uplink-viestejä. (Kuvalähde: Murata Electronics)

Vaikka LoRaWAN-verkon toteuttaminen vaikuttaakin yksinkertaiselta, se vaatii huomattavaa tietämystä ja kokemusta, jotta LoRaWAN-protokollan ja sen perustana olevan LoRa-teknologian yksityiskohtaisten toimintaparametrien välille löydetään oikea tasapaino.

Sertifioitu LoRaWAN-moduuli tarjoaa valmiin ratkaisun

Murata Electronicsin LBAA0QB1SJ-296-moduuli ja siihen liittyvä laiteohjelmisto tarjoavat valmiin ratkaisun LoRaWAN-verkkoyhteyksien nopeuttamiseen sekä tarjoavat täydellisen LoRaWAN-sertifioidun ratkaisun päätelaitteille. Moduuliin on integroitu Semtechin LoRa-lähetin-vastaanotin SX1262, STMicroelectronicsin mikrokontrolleri STM32L072 192 kilotavun (kt) flash-muistilla, RF-kytkin ja lämpötilakompensoitu kideoskillaattori (TCXO). Moduuli toimitetaan suojatussa hartsivaletussa kotelossa, jonka mitat ovat vain 10,0 x 8,0 x 1,6 millimetriä (mm) (kuva 5).

Kuva 5: Murata Electronicsin LBAA0QB1SJ-296-moduuli tarjoaa täydellisen LoRaWAN-yhteysratkaisun, johon on integroitu Semtechin LoRa-lähetin-vastaanotin SX1262 sekä STMicroelectronicsin mikrokontrolleri STM32L072, jossa suoritetaan valmiiksi asennettua LoRaWAN-pinoa. (Kuvalähde: Murata Electronics)

Yksipuolisella 3,3 voltin jännitteellä toimiva moduuli kuluttaa vain 15,5 milliampeeria (mA) 125 kilohertsin (kHz) kaistanleveydellä. Se tarjoaa -135,5 desibelin vastaanottoherkkyyden, joka perustuu 1 milliwattiin (mW) (dBm) 1 prosentin pakettivirhemäärällä samalla kaistanleveydellä ja maksimilla levityskertoimella. Levityskerroin määritellään pulssien lukumääränä bittiä kohti LoRan pulssi-hajaspektritekniikassa. Moduulin tarjoama lähetysteho on enintään +21,5 dBm, ja se kuluttaa 118 mA maksimilla lähetysteholla.

LBAA0QB1SJ-296-moduuli tukee LoRaWAN-luokkia A, B ja C sekä tarjoaa useita virtaa säästäviä toimintatiloja, joiden avulla kehittäjät voivat tasapainottaa suorituskyvyn ja virrankulutuksen. Paristokäyttöisissä päätelaitteissa (joita käytetään tyypillisesti A- tai B-luokassa) moduuli voi toimia erittäin vähävirtaisessa tilassa, joka kuluttaa vain noin 1,3 mikroampeeria (µA) reaaliaikaisella kellotoiminnolla, mikä mahdollistaa vuosien käyttöajan.

Verkkoon kytkettyjen LoRaWAN-laitteiden nopea kehittäminen

LBAA0QB1SJ-296-moduulin käyttö LoRaWAN-yhteyden tarjoamiseksi päätelaitejärjestelmälle on suhteellisen yksinkertaista. Laitteistopuolella moduuli yhdistetään päätelaitteen isäntäprosessoriin moduulin UART-liitännän (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter) kautta. Isäntälaitteen kanssa kommunikaatioon käytettävän UART-liitännän lisäksi moduuliin tarvitaan vain ulkoinen antenni ja muutama lisäkomponentti, joiden avulla muodostetaan kokonainen LoRaWAN-laitteisto-osajärjestelmä (kuva 6).

Kuva 6: Murata Electronicsin LBAA0QB1SJ-296-moduulia käyttämällä kehittäjät tarvitsevat vain muutamia lisäkomponentteja sertifioidun LoRaWAN-yhteyden lisäämiseksi päätelaiteratkaisuihin. (Kuvalähde: Murata Electronics)

Mitä tulee ohjelmistoon, LBAA0QB1SJ-296-moduuli toimitetaan valmiiksi konfiguroituna täydellisellä pinolla LoRaWAN-käyttöön 915 megahertsin (MHz) ISM-kaistalla. Päätelaitteen isäntäprosessori ohjaa ja valvoo moduulin toimintaa käytön aikana AT-komentosarjan avulla.

Vaikka moduulin laitteistorajapinta ja valmiiksi asennettu laiteohjelmisto nopeuttavat asiakaskohtaista kehitystä, kehittäjät voivat aloittaa välittömästi nopean prototyyppien luonnin ja tuotantomallien nopeutetun kehittämisen Muratan LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK-evaluointikorttia käyttämällä (kuva 7).

Kuva 7: Muratan LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK-evaluointikortti on tarkoitettu nopeuttamaan LoRaWAN-verkkoyhteyksien evaluointia ja prototyyppikehitystä yhdistäen LBAA0QB1SJ-296-moduulin oheislaitteisiin ja liittimiin. (Kuvalähde: Murata Electronics)

Evaluointikortti tarjoaa integroidulle LBAA0QB1SJ-296-moduulille useilla käyttöliittymäkomponentteja, kuten ledejä, termistoreja ja painikkeita. Kehittäjät voivat laajentaa kortin toimintoja lisäämällä tarvittavia oheislaitteita kortin Arduino Uno V3 -liittimien kautta.

Kehittäjät voivat aloittaa LoRaWAN-evaluoinnin omassa sovelluksessaan vain liittämällä siihen sopiva 915 MHz:n RF SMA (Subminiature Version A) -antenni, kytkemällä virta ulkoisesta virtalähteestä ja liittämällä kortti sen USB-liittimen kautta isäntäkehitysjärjestelmään.

Kun kortti on käynnistynyt, kehittäjät voivat testata moduulin toimintaa terminaaliemulaatio-ohjelmalla tai graafisen käyttöliittymän (GUI) testaustyökalulla, joka on saatavana rekisteröityneille kortin käyttäjille. Korttiin kuuluu laajennettua virheenkorjausta varten SWD- (Serial Wire Debug) ja USB-liittimet, joihin voidaan kytkeä STMicroelectronicsin ST-LINK-virheenkorjaus/ohjelmointilaite.

Kehittäjät voivat helposti lisätä järjestelmään valmiin LoRaWAN-yhdyskäytävän, joka täydentää evaluointikortin ja sovelluspalvelimien välisen viestintäyhteyden sovelluksen päästä-päähän-evaluointia ja ohjelmistojen virheenkorjausta varten.

Yhteenveto

LoRaWAN-protokolla ja sen perustana oleva LoRa-teknologia tarjoavat tehokkaan ratkaisun päätelaitteiden yhdistämiseen pitkillä etäisyyksillä ylittämättä rajallisia virtabudjetteja. Murata Electronicsin LBAA0QB1SJ-296-moduulin tehtävänä on nopeuttaa vähätehoisten pitkän kantaman verkkojen käyttöönottoa, ja se tarjoaa LoRaWAN-sertifioidun valmisratkaisun. Murata Electronicsin LBAA0QB1SJ-296-pohjaisella LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK-evaluointikortilla kehittäjät voivat luoda nopeasti prototyyppejä ja evaluoida omia LoRaWAN-verkkosovelluksiaan.