Så kommer du snabbt igång med trådlös strömsnål IoT-avkänning, med hjälp av LPWAN-RF-moduler

När det handlar om trådlös anslutning för en IoT-sensor (Internet of Things) kanske många utvecklare kommer att tänka på Wi-Fi, Zigbee eller Bluetooth i första hand. Men i många tillämpningar krävs lägre effektförbrukning och längre räckvidd, och ofta har tillämpningarna dessutom andra användningsmodeller och lägre datahastigheter, än vad som stöds av de nämnda teknikerna. I stället för att konstruera ett eget trådlöst gränssnitt från grunden – med allt vad det innebär av kostnader, fördröjningar och omarbetningar – kan konstruktören använda färdiga moduler för en rad relativt nya strömsnåla wide-area-nätverk (LPWAN-nät).

Sådana LPWAN-nät, däribland Sigfox, LoRaWAN och Radiocrafts Industrial IoT (RIIoT), är utformade för anslutning av ganska enkla sensorer med måttliga samplingsfrekvenser och som skickar korta, oregelbundna pulser av data över långa avstånd – kanske mer än 50 kilometer. Tillämpningar av det slaget är ofta specificerade för extremt låg effektförbrukning, för att maximera batteritiden hos sensorer på avlägsna platser. Helst ska sensorer på sådana platser fungera tillförlitligt i upp till 10 år endast med hjälp av ett myntbatteri eller ett AAA-batteri.

Den här artikeln handlar om designkraven för typisk IoT-avkänning med lång räckvidd, och egenskaperna hos Sigfox, LoRaWAN och RIIoT. Vi presenterar bra moduler från Pi Supply, Sigfox och Radiocrafts och visar hur de används.

LPWAN-egenskaper

LPWAN-nätens låga bandbredd är nyckeln till hemligheten bakom den låga effektförbrukningen (figur 1). Enligt grundläggande informationsteknisk teori har signalbandbredden och signal-brusförhållandet (SNR) en stark koppling till förekomsten av fel i informationsöverföringen. Ju större SNR, eller mindre bandbredd, desto lägre felfrekvens.

Figur 1: LPWAN-nätens låga bandbredd möjliggör drift över långa avstånd och vid låg effekt. (Bildkälla: Peter R. Egli, via Slideshare)

Det här sambandet nyttjas i LPWAN-näten, för att uppnå tillförlitlig informationsöverföring över långa avstånd och vid låg utgångseffekt. Eftersom LPWAN-system använder en relativt låg datahastighet har de också lägre signalbandbreddskrav. Resultatet är att LPWAN-systemen kan kommunicera över avstånd som sträcker sig flera kilometer.

En annan viktig egenskap hos LPWAN-systemen är att de använder frekvenser under GHz-nivån, i de internationella ISM-frekvensbanden (industrial, scientific, medical) (886–906 MHz). Vid sådana frekvenser (med längre våglängder) minskar FSPL-förlusten (free space path loss), vilket förbättrar den effektiva räckvidden för en given överföringseffekt, i enlighet med beräkning 1:

Beräkning 1

Där:

d=avstånd

λ=våglängd

Vid lägre frekvenser absorberas mindre RF-energi (radiofrekvensenergi) av hinder såsom väggar och byggnader, vilket innebär att LPWAN-systemen har utmärkt genomträngningskapacitet i urbana miljöer.

För ISM-baserade konstruktioner krävs ingen licens. Däremot måste de följa globala regler för effekt och elektromagnetism för ISM-banden.

LPWAN-exempel

Det finns flera LPWAN-alternativ att välja bland, men för den som är ute efter snabb utveckling av sensorbaserade IoT-tillämpningar är LoRaWAN, Sigfox och nyligen introducerade RIIoT de tre mest uppenbara alternativen. Samtliga alternativ stöder förkonfigurerade radio- och sensorgränssnittsmoduler som snabbt kan läggas in i konstruktionen. De har också stöd för utvecklingssatser som förenklar snabb installation och applikationsutveckling.

LoRaWAN baseras på öppna standarder som administreras av LoRa Alliance, och på patentskyddad bredspektrumteknik som ägs och licensieras av Semtech Corp. Nätverket har en stjärna-i-stjärna-topologi där de olika noderna kan kommunicera med flera gatewayer, vilket möjliggör roaming. Nätverket stöder dubbelriktad kommunikation mellan gatewayer och noder, så att gatewayerna kan vidarebefordra meddelanden mellan olika noder och även till molnbaserade servrar.

LoRaWAN tillåter datahastigheter från 300 bit/s till 50 kbit/s, hanterar meddelandelaster upp till 243 byte och använder signalbandbredder på 125 kHz eller 250 kHz. Nätverket stöder adaptiva datahastigheter för bibehållen signalkvalitet under ändrade förhållanden och klarar avstånd på upp till 5 km i urbana miljöer eller upp till 20 km med fri siktlinje. Användarna kan utveckla noder och nyttja kommersiella nätverk, eller etablera privata nätverk med hjälp av egna gatewayer och backhaulnätverk.

Sigfox är ett patentskyddat protokoll som utvecklas och administreras av Sigfox. Företaget licensierar sin teknik till kretsutvecklare och ger användarna tillgång till nätverket via gatewaybasstationer över hela världen. Sigfox kan maximera räckvidden genom att hålla datahastigheterna till 600 bit/s med en signalbandbredd på 100 Hz. Med fri siktlinje är räckvidden upp till 40 km och i urbana miljöer uppnås räckvidder på 10 km. Det enkla protokollet gör att meddelandepaketen för upplänken begränsas till 26 byte (med högst 12 byte användardata), så att sändarna strömsätts endast en kort stund. Noderna kan bara skicka 140 meddelanden per dag, och gatewayerna kan endast skicka nedlänk-meddelanden till noderna fyra gånger om dagen, efter att ha tagit emot ett upplänk-meddelande från dem. Det innebär att nodernas radioenheter endast är aktiva under väldigt kort tid – noderna är mestadels i viloläge, vilket minimerar strömförbrukningen.

LPWAN-radioenheterna har låg strömförbrukning, men strömsnålhet är ett relativt begrepp. Till exempel har Radiocrafts två olika kraftalternativ för sitt Sigfox-modulerbjudande. RC1692HP-SSM, en sensorgränssnittsmodul av högeffektstyp, kommunicerar med en värd-microcontroller via en UART-anslutning och erbjuder SPI, I²C, analog funktion och GPIO-portar för att ansluta sensorer (figur 2). Den drivs med en 2,8–3,6 volts spänningskälla.

Figur 2: Kompletta Sigfox radio- och sensorgränssnittsmoduler, som RC1692HP-SSM från Radiocrafts, drar endast 20 µA när ingen överföring pågår. (Bildkälla: Radiocrafts)

I viloläge drar modulen 1 µA. I aktivt läge med anslutna sensorer drar den mindre än 20 µA i viloläge och 292 mA vid överföring.

RC1682-SSM-modulen, som riktas till den europeiska marknaden, drar mycket mindre ström – endast 58 mA vid överföring.

RIIoT är ett av de senaste LPWAN-alternativen som utvecklarna kan överväga. Enheten baseras på PHY-standarden IEEE 802.15.4g/e, som ursprungen utvecklades för smart mätning och processtyrning. Den är utrustad med RF- och MAC-funktioner (media access control) för att stödja låg effektförbrukning, lång räckvidd och avancerad säkerhet. Kommunikationen är dubbelriktad och sker i ett stjärnnätverk, vilket ger förutsägbara nätverksfördröjningar på högst 15 ms, för styrning extremt nära realtid.

RIIoT erbjuder två datahastigheter – 5 kbit/s och 50 kbit/s – och två effektnivåer, så att utvecklarna kan optimera förhållandet mellan batterilivslängd, datahastighet och räckvidd beroende på behoven. Med inställningen för låg effekt och hög datahastighet kan RIIoT-nätverken få en räckvidd på 5 km med fri siktlinje och 200 m i urbana miljöer, med överföring i pulser på 3,5 ms. Med högre utgångseffekt och lägre datahastighet kan räckvidden uppgå till 60 km med fri siktlinje och 2 km i urbana miljöer, i pulser på 45 ms. En typisk nod drar 0,7 µA i viloläge.

För att bygga ett RIIoT-nätverk behövs huvudsakligen tre delar: en nod, en gateway och styrprogramvara. För enskilda "lövnoder” används till exempel Radiocrafts RC1880CEF-SPR, där en AD-omvandlare integreras med gränssnitten GPIO, I²C, SPI och UART. Noderna kommunicerar trådlöst med en Linux-dator, som använder antingen en kompatibel RC1880CEF-GPR-modul på ett kort anslutet till en expansionsport eller en USB-dongel ansluten till någon av USB-portarna.

För att fullt ut omvandla datorn till en RIIoT-gateway måste utvecklaren installera ytterligare en komponent: mellanprogramvaran RIIoT Net Controller. Mellanprogramvaran hanterar nätverket, inklusive trådlösa uppdateringar av lövnodernas fasta programvara, men konverterar också data och kommandon till JSON-objekt för att förenkla gränssnittskommunikationen mot molnet.

Figur 3: Ett fullständigt RIIoT-nätverk innehåller noder, en Linux-dator med en gateway-modul samt styrprogramvara. (Bildkälla: Radiocrafts)

Ett av RIIoT-nätets främsta tillskott till den underliggande IEEE202.15.4-standarden är förmågan att implementera överföringssäkerhet hela vägen. Sigfox stöder inte kryptering alls och LoRaWAN stöder kryptering i de trådlösa länkarna mellan nod och gateway. RIIoT tar säkerheten ett steg längre.

Med RIIoT kan varje nod ha en unik säkerhetsnyckel, så att systemet kan hålla meddelandet krypterat från noden och hela vägen fram till det molnbaserade program som interagerar med noden. Gatewayerna skickar vidare de krypterade meddelandena och behöver aldrig komma åt innehållet.

Snabbare designfas med moduler och satser: RIIoT

Utvecklare som vill implementera LPWAN-IoT-nätverk kan påskynda designfasen betydligt genom att använda någon av de många förkonfigurerade RF- och sensorgränssnittsmoduler som är tillgängliga för olika typer av nätverk. Sådana moduler har redan löst alla knepiga problem med RF-design, effektminimering och protokollimplementering, och är därför en självklar och snabbinkopplad kommunikationsenhet för värdprocessorn. Modulerna är dessutom certifierade för efterlevnad av reglerna för ISM-banden. Utvecklarna måste dock fortfarande certifiera sina slutprodukter, men eftersom radiokomponenten redan är godkänd blir slutcertifieringen mycket enklare.

Modulerna snabbar också upp designfasen genom att erbjuda inbyggda sensorgränssnitt och styrlogik. Ett exempel är Radiocrafts RC1880CEF-SPR, som har gränssnitt för analoga indata till en AD-omvandlare, GPIO för omkopplingar, I²C och SPI för kompatibla sensorer samt UART för anslutning till en värdprocessor (figur 4). Modulen kan enkelt ”slängas in” i en konstruktion där det behövs sensorgränssnitt och kapacitet för trådlös kommunikation. Modulen kan programmeras för att hantera sensorkonfigurering, styrning och sampling, vilket förenklar applikationsprocessorns uppgift. Sensorerna och kommunikationen fungerar likadant som minnesläsning och -skrivning till applikationskoden.

Figur 4: Moduler för LPWAN-system kan innehålla både radioenheter och sensorgränssnitt, vilket gör det enkelt att lägga till dem i IoT-sensorsystemens design. (Bildkälla: Radiocrafts)

Utvecklingssatser, till exempel RC1880-RIIOT-DK, kan hjälpa utvecklaren att snabbt installera ett komplett RIIoT-nätverk att experimentera med. Satsen innehåller noder, gatewaymoduler och systemprogramvara för ett fullständigt nätverk. Det ingår också verktyg för att C-programmera lövnoderna för hantering av anslutna sensorer.

Moduler och utvecklingssatser för LoRaWAN och Sigfox

Förkonfigurerade moduler för enkel implementering av IoT-system finns också för LoRaWAN. Ett bra exempel är LoRaWAN-modulen PIS-1019 RAK811 från Pi Supply (figur 5).

Figur 5: LoRaWAN-modulen PIS-1019 RAK811 från Pi Supply har ett inbyggt sensorgränssnitt och en seriell port, så att en microcontroller kan styra den via AT-kommandon. (Bildkälla: Pi Supply)

Enheten har en seriell port för en värd-microcontroller som styr modulen med hjälp av vanliga AT-kommandon. PIS-1037-utvecklingssatsen för PIS-1019 innehåller en gateway-koncentratormodul som kan omvandla en värd PCIe-styrenhet till en gateway-/routeråtkomstpunkt (figur 6), för att underlätta installation av ett komplett nätverk.

Figur 6: LoRaWAN-användare kan skapa en egen nätverksgateway med hjälp av resurserna i Pi Supplys PIS-1037, som är utvecklingssatsen för PIS-1019. (Bildkälla: Pi Supply)

Även Radiocrafts har kompletta Sigfox-utvecklingssatser, exempelvis RC1692HP-SSM-DK för RF-modulen RC1692HP-SSM och RC-1682-SSM DK för RF-modulen RC1682-SSM. De kan användas direkt, för testning och utveckling av Sigfox-radiomoduler. I båda satserna ingår temperatur- och luftfuktighetssensorer, en accelerometer och en halleffektsensor.

Utvecklare som använder Sigfox har dock inte möjlighet att skapa egna nätverk. Sigfox driver och administrerar systemets gatewayer och backhauls, som användarna betalar en åtkomstavgift för. Modulerna levereras dock med förkodade ID och krypteringsnycklar, och börjar leverera data till Sigfox-molnet efter mycket enkel konfigurering och registrering.

Slutsats

För utvecklare som vill ansluta låghastighetssensorer till IoT över långa avstånd och med låg effektförbrukning, är LPWAN-lösningar som RIIoT, LoRaWAN och Sigfox attraktiva alternativ till Wi-Fi, Zigbee eller licensierade mobilnätverk. Varje alternativ har specifika fördelar, men alla stöder användningsområden från smart mätning till smart odling.