Tento článek popisuje protokol LoRaWAN a příslušný certifikovaný modul od Murata Electronics, který nabízí tzv. drop-in řešení pro dosažení přenosu na velké vzdálenosti. Pro urychlení výroby prototypu je k dispozici také vývojová deska a rozsáhlá softwarová podpora.
Co je LoRaWAN?
LoRaWAN se ukázal jako efektivní řešení senzorové sítě, které se vyznačuje nízkou spotřebou a dosahem daleko převyšují Wi-Fi nebo Bluetooth. V síti LoRaWAN komunikují aplikační servery prostřednictvím sítí TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) s bránami LoRaWAN (obrázek 1).
Obrázek 1: V typické síti LoRaWAN se servery připojují k branám, které využívají dlouhý dosah a nízkou spotřebu energie pro připojení koncových zařízení, a to do vzdálenosti několika kilometrů. (Zdroj obrázku: Murata Electronics)
Brány LoRaWAN zase komunikují s koncovými zařízeními pomocí sub-gigahertzové LoRa sítě pracující v nelicencovaných ISM frekvenčních pásmech. LoRa je určena pro aplikace s relativně nízkou přenosovou rychlostí, která nabízí maximální přenosovou rychlost 10 Kbits/s, ale má jedinečné výhody pro aplikace s velkým dosahem. LoRa RF je založena na rozprostřeném spektru a umožňuje spolehlivý obousměrný přenos dat na vzdálenost až 15 km ve venkovských oblastech nebo 5 km v hustých městských oblastech.
LoRaWAN používá dvojici bezpečnostních klíčů. Jeden pro zajištění autenticity a integrity na úrovni paketů a druhý pro zajištění end-to-end zabezpečení zpráv mezi koncovými zařízeními a aplikačními servery. Síť LoRaWAN umožňuje zařízením pracovat v jedné ze tří tříd: Třída A, Třída B nebo Třída C. Zařízení v jakékoli třídě může přenášet zprávy podle potřeby, ale jeho třída určuje, kdy může zprávy přijímat.
Zařízení třídy A jsou energeticky nejúčinnější a jsou navrženy pro provoz řízený událostmi, například když senzor zaznamená změnu ve svém prostředí. Zařízení třídy A mohou mezi událostmi zůstat ve spánku a probudit se jen pro odeslání naměřených dat a následně otevřít příjmová okna RX1 a RX2 (obrázek 2).
Obrázek 2: Energeticky nejúčinnější z tříd LoRaWAN je provoz třídy A. Umožňuje zařízením spát tak dlouho, jak je to jen možné a probudit se pouze pro přenos (uplink) dat do bran a následně otevřít první přijímací okno (RX1) a druhé přijímací okno (RX2) po dokončení uplinku. (Zdroj obrázku: Murata Electronics)
U zařízení třídy B protokol LoRaWAN umožňuje zařízením otevřít přijímací okno pro downlink podle určeného plánu pomocí beaconu vysílaného bránou k synchronizaci koncového zařízení se sítí (obrázek 3).
Obrázek 3: Zařízení LoRaWAN třídy B umožňují synchronizovaná spojení pomocí beaconu vysílaného bránou. (Zdroj obrázku: Murata Electronics)
Zařízení třídy C jsou navržena pro aplikace, které vyžadují, aby koncová zařízení nepřetržitě naslouchala příchozím zprávám. Vzhledem k tomu, že zařízení třídy C musí zůstat aktivní, jsou obvykle napájena ze sítě, nikoli z baterie, jako u zařízení třídy A nebo třídy B (obrázek 4).
Obrázek 4: Zařízení LoRaWAN třídy C jsou obvykle napájena konstantním zdrojem energie, jelikož zůstávají vždy aktivní a neustále naslouchají zprávám. (Zdroj obrázku: Murata Electronics)
Přestože je koncept sítě LoRaWAN zdánlivě jednoduchý, vyžaduje integrace konektivity LoRaWAN do zařízení znalosti a zkušenosti k nalezení správné rovnováhy mezi podrobnými provozními parametry protokolu LoRaWAN a jeho základní technologií LoRa.
Certifikovaný modul LoRaWAN nabízí drop-in řešení
Modul LBAA0QB1SJ-296 od Murata Electronics a k tomu související firmware nabízí řešení typu drop-in pro urychlení integrace konektivity LoRaWAN do zařízení. Zároveň poskytuje kompletní řešení s certifikací LoRaWAN pro koncová zařízení. Modul obsahuje SX1262 LoRa transceiver od Semtechu, STM32L072 mikrokontroler s 192 Kbyte flash paměť od STMicroelectronics , RF přepínač a teplotně kompenzovaný krystalový oscilátor TCXO. Je dodáván ve stíněném pryskyřičném pouzdře o rozměrech 10,0 x 8,0 x 1,6 mm (obrázek 5).
Obrázek 5: Modul LBAA0QB1SJ-296 poskytuje kompletní řešení konektivity LoRaWAN a obsahuje transceiver Semtech SX1262 LoRa a mikrokontroler STMicroelectronics STM32L072 s předinstalovaným stackem LoRaWAN. (Zdroj obrázku: Murata Electronics)
Modul je napájen z jediného 3,3 V zdroje a spotřebovává pouze 15,5 mA se šířkou pásma 125 kHz, přičemž nabízí citlivost přijímače -135,5 dBm při chybovosti paketů 1 % při stejné šířce pásma a maximálním faktoru šíření. Pro přenos nabízí modul vysílací výkon až +21,5 dBm při spotřebě 118 mA při maximálním vysílacím výkonu. Modul LBAA0QB1SJ-296 podporuje LoRaWAN třídy A, B nebo C a nabízí několik provozních režimů s nízkou spotřebou, které umožňují vyvážit výkon a spotřebu energie. U koncových zařízení napájených bateriemi (typicky pracující ve třídě A nebo třídě B) může modul pracovat v režimu ultra nízké spotřeby, který spotřebovává pouze 1,3 µA s hodinami reálného času. To umožňuje provoz po mnoho let.
Rychlý vývoj zařízení připojitelných k síti LoRaWAN
Modul LBAA0QB1SJ-296 se připojuje k hostitelskému procesoru prostřednictvím UART rozhraní. Kromě rozhraní UART modul vyžaduje pouze externí anténu a několik dalších komponent, aby poskytl kompletní hardwarový subsystém LoRaWAN (obrázek 6).
Obrázek 6: Modul Murata Electronics LBAA0QB1SJ-296 potřebuje jen několik externích komponent. (Zdroj obrázku: Murata Electronics)
Po softwarové stránce je modul LBAA0QB1SJ-296 předkonfigurován s kompletním stackem pro provoz LoRaWAN v pásmu 915 MHz ISM. Za provozu hostitelský procesor koncového zařízení řídí a monitoruje činnost modulu pomocí sady příkazů AT. Přestože hardwarové rozhraní modulu a předinstalovaný firmware pomáhají urychlit vývoj, deska LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK umožňuje rychle vytvořit prototyp (obrázek 7).
Obrázek 7: Vývojová deska LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK kombinuje modul LBAA0QB1SJ-296 s periferiemi a konektory. (Zdroj obrázku: Murata Electronics)
Vývojová deska obsahuje modul LBAA0QB1SJ-296, světelné LED diody, termistory a tlačítka. Funkčnost desky lze jednoduše rozšířit pomocí konektorů Arduino Uno V3 přímo na desce. K desce stačí pouze připojit vhodnou 915 MHz RF SMA anténu, externí napájecí zdroj a desku připojit přes USB konektor k hostitelskému systému. Testovací softwarový GUI nástroj je k dispozici registrovaným uživatelům. Pro rozšířené ladění obsahuje deska SWD (serial wire debug) a USB konektor pro připojení ladicího/programátoru STMicroelectronics ST-LINK. Aby bylo možné zkoumat celkovou LoRaWAN síť je nutné připojit bránu LoRaWAN, a tím získat podrobné informace o komunikačním spojení mezi vývojovou deskou a aplikačními servery.
Závěr
Protokol LoRaWAN a základní technologie LoRa poskytují efektivní řešení pro připojení koncových zařízení na velké vzdálenosti. Modul LBAA0QB1SJ-296 je navržený pro urychlení vývoje nízkoenergetických, rozlehlých sítí a poskytuje řešení drop-in s certifikací LoRaWAN. Pomocí desky LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK založené na modulu LBAA0QB1SJ-296 lze jednoduše a ryche vytvořit prototyp zařízení, který je schopen se připojit do sítě LoRaWAN.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com
