Skynda på IoT-projekt med LoRaWAN med ett startpaket från början till slut

Konstruktörer av nätverk för IoT-givare och manöverdon för fjärrövervakning och fjärrstyrning, från jordbruk och gruvdrift till smarta städer, behöver ett trådlöst gränssnitt med lång räckvidd som är säkert, stabilt, har lågt underhåll och är relativt lätt att installera. Ett bra alternativ för sådana tillämpningar är LoRaWAN, med en räckvidd på upp till 15 km fri sikt på landsbygden och upp till 5 km fri sikt i tätorter - med slutenheter som innehåller batterier som kan räcka i upp till 10 år.

LoRaWAN är en mogen LPWAN-teknik (Low Power Wide Area Network), men utvecklare är alltid i behov av sätt att förenkla distributionen och anslutningen till molnet.

Utmaningen för ingenjörer som är oerfarna inom IoT-projekt med LoRaWAN är att hantera komplexiteten i att inte bara konfigurera den trådlösa slutenheten utan också att koppla ihop den med gatewayen och en IoT-plattform i molnet. Uppgiften blir mycket enklare med hjälp av startpaket som innehåller alla delar som behövs för att bygga och driva en prototyp.

Artikeln presenterar LoRaWAN och förklarar hur tekniken kompletterar nätverk för trådlösa nätverk med kort räckvidd genom att bilda ett LPWAN för att vidarebefordra givardata till molnet. Därefter presenterar och beskriver man hur man använder startpaket XON-9-L1-KIT-001 från Digi som innehåller en slutenhet med flera givare, en gateway med flera kanaler och en IoT-plattform för att utforma, utveckla och konfigurera en IoT-lösning med LoRaWAN baserad på en industriell plattform.

Vad är LoRa och LoRaWAN?

LoRaWAN är en LPWAN-teknik för IoT-enheter som kännetecknas av en räckvidd på tiotals kilometer, låg genomströmning (250 bits/s till 50 Kbits/s beroende på bärvågens frekvens och mycket låg energiförbrukning (för en batteritid på upp till ett decennium, beroende på tillämpning). Tabell 1 visar LoRaWAN i jämförelse med annan IoT-teknik.

Tabell 1: LoRaWAN är ett trådlöst LPWAN-protokoll för IoT med egenskaper som lämpar sig för drift med låg genomströmning och långa avstånd. Tabellen visar hur den står sig i jämförelse med andra trådlösa IoT-tekniker. (Bildkälla: Semtech)

Specifikationen för LoRa definierar det fysiska lagret (PHY) och den moduleringsteknik som ligger till grund för LoRaWAN. Protokollstackens MAC-lager (Media Access Control) specificeras av LoRaWAN-standarden (figur 1).

Figur 1: Det fysiska lagret (PHY) i LoRa, moduleringteknik, LoRaWAN MAC och applikationslagret utgör protokollstacken i LoRaWAN. (Bildkälla: Semtech)

Nyckeln till teknikens räckvidd är användningen av en modifierad form av DSSS-modulering (Direct Sequence Spread Spectrum). DSSS sprider signalen över en större bandbredd än den ursprungliga informationens bandbredd, vilket gör den mindre känslig för störningar och ökar räckvidden. En nackdel med DSSS är att det krävs en mycket exakt (och dyr) referensklocka. Tekniken LoRa Chirp Spread Spectrum (CSS) erbjuder ett DSSS-alternativ med låg kostnad och låg effekt som eliminerar behovet av klockan. CSS sprider signalens spektrum genom att generera en chirp-signal som kontinuerligt varierar i frekvens (figur 2).

Figur 2: LoRa CSS-tekniken sprider signalens spektrum genom att generera en chirp-signal som kontinuerligt varierar i frekvens. Tekniken eliminerar behovet av de dyra referensklockor som används i DSSS. (Bildkälla: Semtech)

Med CSS är tids- och frekvensförskjutningarna mellan sändare och mottagare likvärdiga, vilket ytterligare minskar komplexiteten i mottagarkonstruktionen. LoRa-moduleringen inkluderar även ett system för variabel felkorrigering som förbättrar den överförda signalens stabilitet, vilket ökar räckvidden ytterligare. Resultatet är en känslighetsbudget för sändareffekt (Tx) och mottagarkänslighet (Rx) för länken i dBm på cirka 154 dBm, vilket gör att en enda gateway eller basstation kan täcka hela städer.

I Nordamerika använder LoRaWAN spektrumtilldelningen för industri, vetenskap och medicin (ISM) på 902-928 MHz. Det trådlösa protokollet definierar 64 x 125 kHz kanaler för överordnade länkar från 902,3 till 914,9 MHz i steg om 200 kHz. Det finns ytterligare åtta 500 kHz kanaler för överordnade länkar från 903 till 914,9 MHz i steg om 1,6 MHz. De åtta 500 kHz kanalerna för underordnade länkar börjar från 923,3 till 927,5 MHz. Den maximala sändareffekten i Nordamerika är 30 dBm, men för de flesta tillämpningar räcker det med 20 dBm sändareffekt. Enligt de amerikanska FCC-bestämmelserna finns det inga begränsningar för driftscykeln, men det finns en maximal väntetid på 400 ms per kanal.

Mesh-nätverk är en teknik för att öka räckvidden genom att vidarebefordra meddelanden mellan noder för att nå nätverkets ytterkanter, men det ökar komplexiteten, minskar kapaciteten och batteriets livslängd. Istället för att använda mesh-nätverk använder LoRaWAN en stjärntopologi där varje nod (med lång räckvidd) ansluter direkt till en gateway. Noder är inte kopplade till en specifik gateway. I stället tas data som sänds av en nod vanligtvis emot av flera gateways. Varje gateway vidarebefordrar sedan det mottagna paketet från slutnoden till den molnbaserade nätverksservern via någon form av returkanal (vanligtvis mobilnät, Ethernet, satellit eller WiFi) (figur 3).

Figur 3: LoRaWAN har en stjärntopologi där varje slutenhet ansluts direkt till en eller flera gateways. Varje gateway vidarebefordrar sedan informationen till den molnbaserade nätverksservern via en anslutning till en returkanal. (Bildkälla: Semtech)

För att en stjärntopologi med lång räckvidd ska kunna fungera måste gatewayen kunna ta emot meddelanden från ett stort antal noder. LoRaWAN uppnår denna höga kapacitet genom att använda en adaptiv datahastighet och använda gateways som kan ta emot samtidiga meddelanden på flera kanaler. En enda gateway med åtta kanaler kan hantera några hundratusen meddelanden per dag. Om man antar att varje slutenhet skickar tio meddelanden per dag kan en sådan gateway stödja cirka 10 000 enheter. Om mer kapacitet behövs kan ytterligare gateways läggas till i nätverket.

Startpaket för LPWAN för snabb prototypframställning

Tekniken LPWAN är komplicerad och kan vara en utmaning för den oerfarne ingenjören. Utvecklaren måste inte bara konfigurera den trådlösa slutenheten med en säker och stabil anslutning, utan även ansluta den till gatewayen, driftsätta den som en del av nätverket och sedan göra anslutningen till en IoT-plattform i molnet.

Denna uppbyggnad av en komplett IoT-lösning med LoRaWAN förenklas med hjälp av ett skräddarsytt startpaket, som t.ex. startpaketet XON-9-L1-KIT-001 LoRaWAN från Digi (figur 4). Med ett sådant startpaket kan en ingenjör snabbt bekanta sig med varje steg i processen och känna sig säker på att nästa steg snabbt kan införlivas. Detta gör att en icke-expert snabbt kan ta fram en prototyp av en komplett IoT-lösning med LoRaWAN.

Figur 4: Startpaketet XON-9-L1-KIT-001 LoRaWAN innehåller allt som behövs för att skapa en prototyp för en nätverksanslutning, inklusive Ethernet-gatewayen HXG3000, överordnad och underordnad länk, ett Client Shield-tilläggskort, antenn, strömförsörjning och ett programmeringsgränssnitt. (Bildkälla: Digi)

LoRa har enhetsklasser som gör en avvägning mellan latensen för nätverkskommunikation via en underordnad länk och batteriets livslängd. Startpaketet från Digi har stöd för LoRaWAN-klass A (lägsta effekt, dubbelriktade slutenheter) och klass C (lägsta latens, slutenhetens mottagare är alltid på, dubbelriktade slutenheter).

Startpaketet innehåller allt som behövs för att snabbt och säkert installera en prototyp med LoRaWAN. Den innehåller en över- och underordnad länk, ett tilläggskort eller "Client Shield" med en LoRaWAN-modul, en lysdiod, en digital ingång, temperaturgivare, en 8-kanalig LoRaWAN HXG3000 Ethernet-gateway från Digi, ett inbyggt API (Application Programming Interface) för utvecklare och ett 30-dagars kostnadsfritt provkonto för en enhet-till-moln-plattform med mobil driftsättning genom att skanna och sätta igång.

Gatewayen HXG3000 ger dubbelriktad kommunikation via LoRaWAN med lång räckvidd, utan fri sikt, och kan hantera upp till 1,5 miljoner meddelanden per dag. Produkten innehåller en rundstrålande radio på 1,7 dBm, upp till 27 dBm sändareffekt och -138 dBm mottagarkänslighet. Användning sker i det licensfria amerikanska 902-928 MHz-bandet. Enheten drivs antingen från en växelströmsförsörjning eller via Power-over-Ethernet (PoE). Modeller med returkanal via Ethernet och LTE Cat M1 finns.

LoRaWAN Client Shield från Digi är en del av det startpaket som stöder ingenjörer som vill skapa prototyper och utveckla givare för LoRaWAN. Den ger anslutningsmöjligheter för utvalda kompatibla Nucleo från STMicroelectronics (exempelvis NUCLEO-L053R8) och utvecklingskort för Cortex®-M-klass mikrokontroller för klientanslutning via LoRaWAN från Arduino ARM Keil®. Förutom de stapelbara kontakterna från Arduino har Client Shield en termistor med låg strömförbruktning som temperaturgivare, ett skjutreglage med digital ingång och en digitalt styrd röd, grön och blå (RGB) lysdiod. Tilläggskortet innehåller U.FL-anslutning och den tillhörande antennen ingår som en del av paketet. Tilläggskortet innehåller även LoRaWAN-modulen som fungerar i det licensfria amerikanska 902-928 MHz-bandet. Sändningseffekten är 14-20 dBm (figur 5).

Figur 5: Tilläggskortet XON-9-L1-KIT-001, som innehåller LoRaWAN-modulen, kan monteras på en Nucleo (visas här) från STMicroelectronics eller ett utvecklingskort från Arduino. (Bildkälla: Digi)

X-ON från Digi är en komplett plattform för IoT-slutenheter från enhet till moln. Plattformen erbjuder molnlösning både för utveckling och drift. X-ON innehåller en inbyggd nätverksserver för LoRaWAN och ansluter till servern för att stödja enheter och gateways som kör det trådlösa protokollet LoRaWAN. Anslutningsservern hanterar anslutningsflödet, inklusive generering av sessionsnycklar för autentisering av nätverks- och applikationsservern.

Plattformen gör det möjligt för utvecklaren att:

• Konfigurera, övervaka och diagnostisera enheter eller gateways från webb- och mobilgränssnittet
• Automatisera distributionen av enheter och gateways med driftsättningsappen
• Hantera gateways i trådlösa nätverk
• Samla in och analysera data direkt från slutenheterna
• Använda ett intercloud-API för att få dubbelriktad enhetsdata i realtid mellan flera molnplattformar
• Logga och spåra datameddelanden i realtid för interaktiv drift och felsökning med slutenheter och gateways
• Integrera data genom öppna API:er för att utveckla mer komplicerade tillämpningar med verktyg från tredje part (figur 6)

Figur 6: X-ON från Digi är en enhet-till-moln-plattform för IoT-slutenheter som gör det möjligt för utvecklaren att automatisera distributionen av enheter och gateways med hjälp av driftsättningsappen för smartphone. Utvecklaren kan sedan konfigurera, övervaka och diagnostisera enheter eller gateways från webb- och mobilgränssnittet. (Bildkälla: Digi)

Komma igång med ett LoRaWAN-projekt

Eftersom utvecklingskorten Client Shield, Nucleo från STMicroelectronics och utvecklingskorten från Arduino använder inbyggda mikrokontroller från ARM Keil är "redo för Mbed" från ARM Keil är det relativt enkelt att komma igång med ett projekt med startpaketet från Digi. (Mbed från ARM Keil är en plattform och ett operativsystem (OS) för IoT-enheter baserade på 32-bitars mikrokontrollers i Cortex M-class från ARM Keil). Client Shield innehåller ett inbyggt AT-kommandospråk och ett förenklat Mbed C++ Embedded API från ARM Keil som är utformat för att avlägsna komplexiteten i konstruktionen, vilket förenklar utvecklingen.

Kompatibiliteten med Mbed i startpaketet för LoRaWAN från Digi gör det möjligt att utveckla applikationer med hjälp av resurser för Mbed från ARM Keil online. Resurserna består av tre alternativ. Med Mbed Online Compiler kan utvecklaren börja utveckla programmet direkt utan att behöva installera något. Allt som behövs är ett Mbed-konto.

För mer avancerad programutveckling startpaketet för LoRaWAN från Digi anslutas till Mbed Studio, en integrerad utvecklingsmiljö (IDE) för att skapa, kompilera och felsöka Mbed-program. Slutligen finns Mbed CLI, ett kommandoradsverktyg som kan integreras i den IDE som utvecklaren föredrar.

Den snabbaste vägen till utveckling är att först skapa ett X-ON-konto hos Digi. Därefter måste utvecklaren registrera sig för ett Mbed Online Compiler-konto. Efter att ha monterat Client Shield på utvecklingskortet måste enheten anslutas till en stationär dator med hjälp av en USB-kabel. Lysdioden "PWR" på Client Shield och lysdioden "COM" på utvecklingskortet lyser då och visar att elektroniken är uppkopplad.

Mbed Online Compiler vägleder sedan utvecklaren genom ett antal enkla steg för att lägga till hårdvaruplattformen i kompilatorn. När hårdvaran har lagts till kan koden importeras till kompilatorn från exemplen på givartillämpningar i Mbed-förvaringen (eller i andra bibliotek) och laddas ner till utvecklingskortet. Kompilatorn kan även användas för att ändra konfigurationen för LoRaWAN, som t.ex. enhetsklass och nätverksanslutningsläge (figur 7).

Figur 7: Det är enkelt att ändra konfigurationen för LoRaWAN, som t.ex. enhetsklass och nätverksanslutningsläge, med hjälp av Mbed Online Compiler från ARM Keil. (Bildkälla: Digi)

Förutsatt att gatewayen är igång kommer Client Shield/utvecklingskortet att ansluta till nätverket och börja skicka överordnade länkar var 15:e sekund (i standardläge). När du trycker på knappen "Strömma" på sidan för X-ON-kontot visas den data som överförts från enheten på skärmen.

Sammanfattning

För konstruktörer av IoT-nätverk för givare och manöverdon erbjuder LoRaWAN licensfri RF-åtkomst, tiotals kilometer räckvidd, låg energiförbrukning, god säkerhet och skalbarhet samt stabila anslutningsmöjligheter. Liksom många trådlösa IoT-protokoll kan det dock vara en utmaning att hantera anslutning av slutenheter, driftsättning, gateways och strömning av givardata till molnet.

Som framgår av bilden löser startpaketet för LoRaWAN från Digi många av dessa problem. Den innehåller ett Client Shield med ett förenklat Mbed C++ Embedded API från ARM Keil, en LoRaWAN-gateway med returkanal via Ethernet och en X-ON-plattform för enheter till molnet med mobil driftsättning med skanning och drift. Med hjälp av startpaketet kan utvecklaren snabbt komma igång med en hårdvaruprototyp för LoRaWAN, utveckla och portera programkod för givare och ställdon samt analysera och presentera data med hjälp av molnplattformen.