Snabba på utvecklingen av långdistansanslutning med en certifierad LoRaWAN-modul

I många sensorbaserade högvolymstillämpningar för jordbruk, spårning av tillgångar, verktyg och Internet of Things (IoT) måste utvecklare tillhandahålla säkra anslutningar över utökade driftområden. Protokollet LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) är utformat för att stora nätverk med lång räckvidd och kan vara en effektiv lösning, men det kräver lämplig kännedom och expertis för att snabbt implementera ett optimerat delsystem för kommunikation.

Artikeln beskriver kortfattat LoRaWAN och dess funktioner. Därefter presenteras en LoRaWAN-certifierad modul från Murata Electronics som erbjuder utvecklare en färdig lösning för att uppnå extremt lång räckvidd via LPWAN-nätverk (Low Power Wide Area Networks). För att påskynda prototypframtagningen introduceras även ett utvecklingskort och mjukvarustöd.

Vad är LoRaWAN?

Bland tillgängliga trådlösa anslutningsalternativ har LoRaWAN visat sig vara en effektiv lösning för serverbaserade tillämpningar som ansluter till slutenheter med låg effekt som befinner sig långt utanför räckvidden för välkända trådlösa alternativ som WiFi eller Bluetooth. I ett LoRaWAN-nät kommunicerar tillämpningens servrar via konventionella TCP/IP-nät (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) med LoRaWAN-gateways (figur 1).

Figur 1: I en typisk tillämpning med LoRaWAN-nätverk ansluts servrar till gateways som i sin tur använder LoRa-teknikens långa räckvidd och låga effekt för att ansluta slutenheter som kan vara placerade många kilometer bort. (Bildkälla: Murata Electronics)

LoRaWAN-gateways kommunicerar i sin tur med slutenheter med hjälp av LoRa-radiofrekvensteknik under gigahertz-bandet (RF) i ISM-frekvensbanden (industri, vetenskap och medicinteknik) som inte kräver licens. LoRa-tekniken är avsedd för tillämpningar med relativt låg bithastighet och erbjuder en maximal bithastighet på ca 10 kbit/s, men den har unika fördelar i tillämpningar med lång räckvidd.

LoRa RF bygger på spritt spektrum-teknik och gör det möjligt för utvecklare att byta bithastighet mot räckvidd och enkelt uppnå tillförlitlig tvåvägskommunikation på avstånd över 15 km i landsbygdsområden eller över 5 km i inomhusmiljöer i täta stadsområden.

Protokollet LoRaWAN skyddar kommunikationstrafiken tack vare säkerhetsmodellen i LoRaWAN. LoRaWAN använder ett par säkerhetsnycklar: en för att garantera äkthet och integritet på paketnivå och en annan för att ge säkerhet från ände till ände för meddelanden mellan slutenheter och tillämpningsservrar.

Protokollet LoRaWAN har ytterligare fördelar när det gäller att balansera slutenheternas strömförbrukning med tillämpningens kommunikationsbehov. Ett LoRaWAN-nätverk gör det möjligt för enheter att arbeta i en av tre klasser: Klass A, Klass B eller Klass C. En enhet i valfri klass kan sända meddelanden efter behov, men dess klass avgör när den kan ta emot meddelanden.

Enheter i Klass A är de mest energieffektiva och är konstruerade för händelsestyrd drift, t.ex. när en sensor upptäcker en förändring i sin omgivning. Enheter i Klass A kan vara i viloläge mellan händelser, och endast vakna efter insamling av sensordata tillräckligt länge för att överföra data, och sedan öppna mottagningsfönster för nedåtriktade länken med angivna fördröjningar (RX1 och RX2) efter den uppåtriktade överföringen (figur 2).

Figur 2: Den mest energieffektiva av LoRaWAN-klasserna, klass A-drift, gör det möjligt för enheter att sova så länge som möjligt och endast bli aktiva för att överföra (uplink) data till gateways och därefter öppna ett första mottagningsfönster (RX1) och ett andra mottagningsfönster (RX2) efter att den uppåtriktade överföringen har slutförts. (Bildkälla: Murata Electronics)

Enheter i Klass B stödjer periodisk drift enligt ett schema som krävs av tillämpningen. För enheter i klass B tillåter protokollet LoRaWAN att enheter öppnar ett mottagningsfönster för nedlänkning enligt ett angivet schema, med hjälp av en gateway-skickad beacon för att synkronisera slutenheten med nätverket (figur 3).

Figur 3: LoRaWAN-enheter i klass B möjliggör synkroniserade nedåtriktade länkar med hjälp av en beacon som sänds av den anslutna gatewayen för att upprätthålla tidsinställningen. (Bildkälla: Murata Electronics)

Enheter i Klass C är avsedda för tillämpningar som kräver att slutenheterna kontinuerligt lyssnar efter nedåtriktade meddelanden. Eftersom enheter i Klass C måste vara aktiva drivs de vanligtvis med nätström snarare än med batteri, vilket är fallet med enheter i Klass A och till och med enheter i Klass B (figur 4).

Figur 4: LoRaWAN-enheter i Klass C drivs vanligtvis av en konstant strömkälla och är alltid aktiva och lyssnar ständigt efter nedåtriktade meddelanden när de inte sänder uppåtriktade meddelanden. (Bildkälla: Murata Electronics)

Även om konceptet LoRaWAN-nätverk till synes är okomplicerat kräver implementeringen betydande kunskap och erfarenhet för att hitta rätt balans mellan de detaljerade driftsparametrarna för LoRaWAN-protokollet och dess underliggande LoRa-teknik.

Certifierad LoRaWAN-modul erbjuder en färdig lösning

Modulen LBAA0QB1SJ-296 och tillhörande firmware från Murata Electronics är en färdig lösning för att påskynda anslutning till LoRaWAN-nätverk, vilket ger en komplett LoRaWAN-certifierad lösning för slutenheter. Modulen innehåller Semtechs LoRa-transceiver SX1262, STMicroelectronics microcontroller STM32L072 med 192 kbyte flashminne, en RF-omkopplare och en temperaturkompenserad kristalloscillator (TCXO). Den levereras i en skärmad hartsgjuten kapsling med måtten 10 x 8 x 1,6 mm (figur 5).

Figur 5: Modulen LBAA0QB1SJ-296 från Murata Electronics är en komplett lösning för LoRaWAN-anslutning med en Semtech SX1262 LoRa-transceiver och en STMicroelectronics STM32L072 microcontroller som kör en förinstallerad LoRaWAN-stack. (Bildkälla: Murata Electronics)

Modulen drivs av en enda strömförsörjning på 3,3 V och förbrukar endast 15,5 mA med en bandbredd på 125 kHz samtidigt som den har en mottagarkänslighet på -135,5 decibel refererat till 1 mW (dBm) vid en paketfelsfrekvens på 1 % med samma bandbredd och maximal spridningsfaktor. Spridningsfaktorn definieras som antalet chirps per bit i LoRa:s teknikimplementering med chirp-spridningsspektrum. För överföring erbjuder modulen en sändareffekt på upp till +21,5 dBm och en förbrukning på 118 mA vid maximal sändareffekt.

Modulen LBAA0QB1SJ-296 har stöd för LoRaWAN Klass A, B eller C och har flera strömsnåla driftlägen som gör att utvecklare kan balansera prestanda och strömförbrukning. För batteridrivna slutenheter (som vanligtvis används i klass A eller klass B) kan modulen användas i ett läge med extremt låg strömförbrukning som endast förbrukar cirka 1,3 µA med drift av realtidsklockan, vilket möjliggör drift i flera år.

Snabb utveckling av LoRaWAN-anslutna enheter

Det är relativt enkelt att använda modulen LBAA0QB1SJ-296 för att lägga till LoRaWAN-anslutning i ett system i en slutenhet. På hårdvarusidan ansluts modulen till en värdprocessor i slutenheten via modulens UART-gränssnitt (universal asynchronous receiver/transmitter). Förutom UART-gränssnittet för värdkommunikation behöver modulen endast en extern antenn och några ytterligare komponenter för att utgöra ett komplett hårdvarudelsystem för LoRaWAN (figur 6).

Bild 6: Med modulen LBAA0QB1SJ-296 från Murata Electronics behöver utvecklare bara ett fåtal ytterligare komponenter för att lägga till en certifierad LoRaWAN-anslutning i sina konstruktioner av slutenheter. (Bildkälla: Murata Electronics)

På mjukvarusidan levereras modulen LBAA0QB1SJ-296 förkonfigurerad med en komplett stack för LoRaWAN-drift i ISM-bandet 915 MHz. Under drift hanterar och övervakar slutenhetens värdprocessor modulens funktion med hjälp av en uppsättning AT-kommandon.

Även om modulens hårdvarugränssnitt och förinstallerade firmware hjälper till att påskynda kundanpassad utveckling, låter Muratas utvärderingskort LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK utvecklare komma igång direkt med snabb prototypframtagning och påskyndad utveckling av produktionsdesign (figur 7).

Figur 7: Utvärderingskortet LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK från Murata är konstruerat för att snabba på utvärdering och prototypframtagning av LoRaWAN-anslutningar och kombinerar en LBAA0QB1SJ-296-modul med kringutrustning och anslutningar. (Bildkälla: Murata Electronics)

Utvärderingskortet stödjer den inbyggda modulen LBAA0QB1SJ-296 med flera användargränssnitt, inklusive lysdioder (LED), en termistor och tryckknappar. Utvecklare kan utöka kortets funktionalitet ytterligare genom att lägga till nödvändig kringutrustning med hjälp av kortets Arduino Uno V3-kontakter.

För att börja utvärdera LoRaWAN för sin tillämpning behöver utvecklarna bara ansluta en lämplig 915 MHz RF SMA-antenn (subminiature version A), strömförsörjning från en extern källa och ansluta kortet via dess USB-kontakt till ett värdutvecklingssystem.

När kortet har startat kan utvecklare testa modulens funktion med ett terminalemuleringsprogram eller ett testverktyg med grafiskt användargränssnitt (GUI) som är tillgängligt för registrerade användare av kortet. För utökad felsökning har kortet en SWD- (Serial Wire Debug) och USB-kontakt för anslutning av en ST-LINK felsökare/programmerare från STMicroelectronics.

För tillämpningsutvärdering från ände till ände och felsökning av program kan utvecklarna bara lägga till en lättillgänglig LoRaWAN-gateway för att slutföra kommunikationslänken mellan utvärderingskortet och tillämpningsservrarna.

Sammanfattning

Protokollet LoRaWAN och den underliggande LoRa-tekniken är en effektiv lösning för att ansluta slutenheter över längre avstånd utan att kompromissa med begränsade effektbudgetar. Modulen LBAA0QB1SJ-296 från Murata Electronics är utformad för att påskynda utbyggnaden av stora nätverk med låg effekt och innehåller en färdig LoRaWAN-certifierad lösning. Med det LBAA0QB1SJ-296-baserade utvärderingskortet LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK från Murata Electronics kan utvecklare snabbt ta fram prototyper och utvärdera sina tillämpningar för LoRaWAN-nätverk.