Pokusím se tedy stručně naznačit, jak k problematice LPWAN přistoupit z pohledu vývojáře tak, abychom dosáhli všeho, co si od LPWAN technologií slibujeme. Jakmile se vrhneme do praktického řešení - tedy vytvoření koncového zařízení, endpointu pro IoT dle standardů LPWAN, budeme čelit hned několika výzvám:

1. 1. Nutnost zabezpečit nízkou spotřebu
2. 2. Zvládnutí VF části zařízení tak, aby mělo značný dosah
3. 3. Indoorová komunikace
4. 4. Alespoň částečná dálková konfigurovatelnost
5. 5. Snadná výroba

Vezmeme to hezky po pořádku. Nejprve je ale třeba dobře zvážit, co očekáváme od koncového zařízení z pohledu mobility, četnosti komunikace, hustoty přenášených užitečných dat (payloadů) apod. V současné době můžeme v LPWAN sáhnout po 2 technologiích - úzkopásmová Sigfox a relativně širokopásmová LoRaWAN. Pomineme teoretické základy, marketingové bláboly a další nedůležité faktory, které ovlivní naši budoucí volbu, do které sítě vlastně půjdeme, pak si můžeme pomoci následující tabulkou:

Netvrdím, že tato tabulka je vyčerpávajícím návodem při rozhodnutí, do které infrastruktury investovat úsilí, vždy je to na zvážení, jaký endpoint hodláme na trhu nabízet. A teď už se podívejme na ryze technické aspekty, které budeme muset řešit u obou technologií.

Nízká spotřeba

Až na výjimky jsou a budou v sítích LPWAN endpointy napájené bateriově. Tomu všemu musíme přizpůsobit naše úvahy při řešení HW a to nejen v oblasti řízení endpointu, ale hlavně v oblasti senzoriky. Samotných senzorů dnes existuje celá řada, jen málo z nich se ale hodí do low power designu. Spotřeby ve stovkách uA jsou už příliš velké, abychom zařízení živili po mnoho let z jedné baterie. Zde tedy vzniká celý nový obor low power senzorů, řízení jejich spotřeby v různých režimech, hlídání prahových úrovní apod. Ruku v ruce jde pak design samotného řízení endpointu - zde je potřeba se vrátit zpět na stromy, hezky oprášit znalosti kolem 8-mi bitových procesorů, zapomenout na různé operační systémy v zařízeních a zopakovat si znalosti z programování v časových smyčkách. Tento přístup pak zajistí , že z baterie budeme věnovat řídící jednotce enpointu průměrně několik uA. A o to tady jde. Samostatnou kapitolou a téma na dlouhé rozbory je pak volba vhodného napájecího článku - baterie. Napětí 3V až 3,6V se jeví jako správná volba, opět je třeba úvahy přenést do lowpower, takže různé stepup a stepdown měniče jakkoliv jsou dnes dobře účinné, pak chtě nechtě nám užírají z drahocenné kapacity. Navíc musíme brát v potaz provozní teploty od těch mrazivých až po vysoké kladné a z toho nám zatím nemůže vyjít nic rozumnějšího, než lithium na 3,6V.

VF část endpointu

Zde je potřeba si uvědomit, že pracujeme v rádiové oblasti blízko 1GHz a konstrukce VF části endpointů vyžaduje určité zkušenosti, SW, měřící vybavení. Naštěstí je zde ale možnost využití hotových transceiverů jak pro Sigfox, tak pro LoRaWAN infrastrukturu a z pohledu VF se stačí řídit referenčním designem - tedy tam, kde má transceiver výstup 50ohmů použít třeba SMA konektor, tam, kde je deklarovaných 300 ohmů, uposlechnout radu výrobce a připájet kus λ/4 drátu. Konstrukční jednoduchost je zde ale vyvážená cenou - připravme si 12/9USD při nákupu Sigfox/LoRaWAN transceiveru při 1000 množství. Nebo si lze pořídit přímo čipy a transceiver si postavit sám, pak se ale připravte na trnitou cestu "velké" certifikace. Na trhu existuje dnes několik čipů se Sigfox stackem, cena výborná, cca 2USD, jen podstoupit to martýrium VF vývoje a následné certifikace. U LoRaWAN je situace trochu složitější - zde je pod TM jediný dostupný čip - monopolně dodávaný firmou Semtech - řeší pouze rádiovou část, tedy LoRa modulaci. Jejich cena je také v řadech jednotek dolarů, jenže to pro LoRaWAN transceiver nestačí - je potřeba mít ještě někde implementovaný LoRaWAN stack - musíte tedy popadnout nějaký jednočip, nejlépe low power ARM (8-mi bit zde bohužel nestačí) a pustit se do implementace tzv. mac vrstvy - ta je open source, ale i tak je to práce na pár dlouhých zimních večerů. Osobně mi z těchto úvah plyne, že doba na heroické skutky asi ještě nenastala, a i když je to výzva, tak přeci jen je lepší se ubrat cestou hotových transceiverů. Minimálně se vyhneme poměrně složitému procesu certifikace samotné VF části. Použijeme-li v konstrukcích hotové transeivery, čeká nás nepoměrně formálnější "malá" certifikace našeho endpointu.

LPWAN transceivery – z leva Risinghf RHF76 (LoRaWAN), Microchip RN2483 (LoRaWAN), Radiocrafts RC1682 (Sigfox)

Indoorová komunikace

Kvalita komunikace uvnitř budov a v hustých zástavbách do značné míry závisí na hustotě vybudované sítě - rozmístění přístupových bodů, které se v LPWAN nazývají gateway. Obecně se Sigfox probojuje do budovy hlouběji než LoRaWAN, nicméně tohle bude ještě dlouho platit jen ve velkých aglomeracích, kde hustota sítě bude dimenzovaná také pro indoorové pokrytí. Nicméně bude vždy spoustu míst, kde se signálem uvnitř zástavby budeme zápasit. Naštěstí, jak již bylo naznačeno, můžeme s výhodou využít duality a přímého rádiového módu ransceiverů - minimálně tedy těch LoRa. I v tomto módu můžeme využít modulace LoRa a jet vše dle konceptu LPWAN byť v proprietárním módu. Stačí pak jeden endpoint vybavený tímto transceiverem, který bude ve vhodném outdoorovém signálu a celou komunikaci tak můžete realizovat přes něj - chcete-li, může to být takový repeater nebo retranslátor paylodů do infrastruktury. Toto platí pro LoRu, žel u Sigfoxu jsem nic podobného neviděl a to by mohl být značný handicap. Ovšem co není, může být třeba za rok a výrobci Sigfox chipsetů a transceiverů možná přímý rádiový mód přinesou.

Dálková konfigurace

Marketingové informace, které je třeba brát s ohromnou rezervou uvádějí, že je v LPWAN sítích možnost dálkového upgrade FW endpointu -u LoRaWAN snad by tato možnost přicházela v úvahu, nicméně kompletně bychom tím popřeli LPWAN koncept - pro takový dálkový upgrade bychom poměrně dost dali zabrat baterii, nehledě na fakt, že HW samotného endpointu by musel vypadat úplně jinak. Tak trochu bychom se zde blížili nějakému tomu linuxu, který ačkoliv v mnoha aplikacích a konstrukcích je neocenitelný, zde bychom tvrdě narazili kvůli spotřebě end pointu. Tak tedy, zpětný kanál ano ale nechme si jej pouze pro dálkovou konfiguraci. V síti Sigfox je zpětný kanál poměrně limitován malým počtem zpráv denně, nicméně bych to nebral jako nějakou zásadní pořekážku. Abychom endpointu sdělili, že má třeba vysílat v jiných časových intervalech to bohatě stačí. LoRaWAN je v tomto ohledu daleko štedřejší a prakticky si pro každý uplink (směr od endpointu do infrastruktury) můžeme nafrontovat také downlink (od infrastruktury k endpointu). Tuto vlastnost můžeme s výhodou použít pro jednoduché konfirmace komunikace, případně s rezervou pro ovládání nějakého procesu, jehož součástí endpoint je.

Snadná výroba, snadný začátek

Velmi stručně jsem se pokusil shrnout vlastnosti obou klíčových technologií tak trochu nemarketingově, jistě že moje srovnání není vyčerpávající, ale pokusil jsem se vypíchnout ty nejdůležitější aspekty pro vhodnou volbu Sigfox/LoRaWAN pro Vaši aplikaci. Protože správné rozhodnutí bývá mnohdy složité, rozhodl jsem se navrhnout pinově kompatibilní modulky Sigfox a LoRaWAN pro rychlou konstrukci endpointů. Co víc, modulky jsou tzv. Arduino enabled a obsahují Arduino UNO bootloader. Takže pokud si rozumíte s Arduinem, bude pro Vás hračka umístit data ze senzoru někam do internetu. Více se dozvíte na stránkách www.arduinotech.cz. Aby začátky byly opravdu jednoduché, pak jsem se společnosti SimpleCell, provozovatelem sítě Sigfox vyjednal subskribci pro vývojové účely ke každému Sigfox Arduino UNO modulku, která je na jeden rok zdarma. Sigfox má velmi dobře propracovaný tzv. callback, tedy jednoduše řečeno - co s přijatými daty. K dispozici máte např. Azure IoT hub, e-mailového klienta nebo klienta, který Vám bude data ládovat na Váš server na daném komunikačním portu v síti TCP/IP.

Podobně je tomu u modulků LoRaWAN, zde je domluvená subskribce se společností Things.cz, , na dva roky zdarma a jako základní integrační rozhraní lze využít jednoduché API JSON a zanedlouho také chystaný Azure IoT hub. V kontaktu jsem i s dalším důležitým investorem sítě LoRaWAN - společností České Radiokomunikace  kde jsou subskribce pro vývojáře, stejně jako přístup k inegračnímu API také možné dle individuální domluvy a projektového záměru.

Pinově kompatibilní modulky LPWAN – zleva Sigfox s RC1682, LoRaWAN s RN2483 a SMA, LoRaWAN s RHF76 a SMA, LoRaWAN s RN2483 a U.FL-IPX konektorem

Závěr

Cílem tohoto článku bylo objektivně naznačit, co lze reálně očekávat od vznikajících LPWAN infrastruktur, které se stanou velmi důležitou součástí IoT. Poměrně důrazně budou tyto infrastruktury promlouvat do konceptů smart city, smart meteringu, smart industry, smart agricultural a dalších smart záležitostí. Volba je značně závislá na Vašem příběhu, který chcete realizovat. Inspirujte se na serveru www.iotcluster.cz, což je to správné místo, kde si udělat ucelený obrázek o ekosystému LPWAN.

www.solidustech.cz, www.arduinotech.cz