Nagy távolságú összekapcsolási képesség gyors megvalósítása hitelesített LoRaWAN modullal

A mezőgazdaság, az eszközkövetés, a közművek és a tárgyak internete (Internet of Things, IoT) területek számos nagy volumenű, szenzoralapú rendszereinek megfelelő működéséhez a fejlesztőknek biztonságos kapcsolatot kell biztosítaniuk nagyobb távolságokon át. Az ilyen eszközökből álló nagyon nagy hálózatokra tervezett LoRaWAN (nagy hatótávolságú nagy területű hálózat) protokoll hatékony megoldás lehet, de megfelelő ismereteket és szakértelmet igényel ahhoz, hogy egy optimalizált kommunikációs alrendszer gyorsan kiépíthető legyen.

Ez a cikk a LoRaWAN-t és annak képességeit ismerteti röviden, majd bemutat egy készen beépíthető, hitelesített LoRaWAN modult a Murata Electronics-től, amely rendkívül nagy távolságokon keresztüli összekapcsolást tesz lehetővé alacsony fogyasztású, nagy területű hálózatokon (LPWAN) belül. A prototípuskészítés felgyorsításához bemutatásra kerül a hozzátartozó fejlesztői kártya és a szoftvertámogatás is.

A LoRaWAN-ról röviden

A fejlesztők számára rendelkezésre álló vezeték nélküli csatlakozási lehetőségek közül a LoRaWAN hatékony megoldásként jelent meg az olyan szerver alapú rendszereknél, amikor alacsony fogyasztású végberendezések kapcsolódását szükséges megoldani, amelyek jóval a megszokott vezeték nélküli kapcsolódási lehetőségek (például Wi-Fi vagy Bluetooth) által kínált hatótávolságon kívül helyezkednek el. Egy LoRaWAN-hálózatban az alkalmazáskiszolgálók hagyományos TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) hálózatokon keresztül kommunikálnak a LoRaWAN-átjárókkal (1. ábra).

1. ábra: Egy tipikus LoRaWAN hálózatban a szerverek átjárókhoz csatlakoznak, amelyek viszont a LoRa technológia által biztosított nagy hatótávolságú, kis energiaigényű képességeket használják a több kilométerre lévő végberendezések összekapcsolására (kép: Murata Electronics)

A LoRaWAN átjárók a nem engedélyköteles ipari, tudományos és orvosi (ISM) frekvenciasávokban működő, gigahertzen aluli LoRa rádiófrekvenciás technológia segítségével kommunikálnak a végberendezésekkel. A LoRa technológiát viszonylag alacsony bitrátájú alkalmazási esetekre tervezték, így az általa kínált maximális átviteli sebesség körülbelül 10 Kbit/s, de egyedülálló előnyöket kínál, amikor nagy távolságok áthidalására van szükség.

A szórt spektrumú adatátvitelen alapuló LoRa rádiófrekvenciás technológiával a fejlesztők lemondhatnak a bitrátáról cserébe a nagyobb hatótávolságért, így vidéki területeken könnyen 15 kilométer feletti, a sűrűn lakott és beépített városi környezetekben pedig 5 kilométeres távolságokon át is megbízható kétirányú kommunikációt érhetnek el.

A LoRaWAN protokoll használatakor az adatátvitel védett a LoRaWAN biztonsági modelljének köszönhetően. A LoRaWAN kettő biztonsági kulcsot használ: az egyik a csomagok szintjén biztosítja a hitelességet és integritást, a másik pedig a végberendezések és az alkalmazáskiszolgálók közötti üzenetek végponttól végpontig tartó biztonságát.

A LoRaWAN protokoll további előnyöket kínál a végberendezések energiafogyasztásának és az adott rendszer kommunikációs igényeinek kiegyensúlyozására. A LoRaWAN-hálózatoknál működésüket tekintve az eszközök a következő három osztályba sorolhatók: Class A, Class B vagy Class C osztályú üzemmód. Függetlenül, hogy melyik osztályú üzemmódban működik az eszköz, az üzenetküldés mindig lehetséges, de az adott osztály határozza meg, hogy üzenetek mikor fogadhatók.

Az A osztályú eszközök a legenergiatakarékosabbak. Eseményvezérelt működésre szolgálnak, például amikor egy érzékelő változást érzékel a környezetében. A Class A üzemmódban működő eszközök alvó üzemmódban maradna az események között, és az érzékelő általi adatgyűjtés után csak az adatküldéshez szükséges időre ébrednek fel, majd a felfelé irányuló adás (uplink) után meghatározott késleltetéssel (RX1 és RX2) downlink vételi ablakokat nyitnak (2. ábra).

2. ábra: A LoRaWAN-osztályok közül a legenergiatakarékosabb a Class A üzemmódban való működés, amely lehetővé teszi, hogy az eszközök a lehető leghosszabb ideig alvó állapotban maradjanak, és csak az átjárók felé történő üzenetküldés (uplink) céljából váljanak aktívvá, majd az uplink befejezése után nyissanak egy első majd egy második vételi ablakot (RX1 és RX2) (kép: Murata Electronics)

A Class B osztályú eszközök működése időszakos, igazodva az adott rendszer által követelt ütemezéshez. A B osztályú eszközök esetében a LoRaWAN protokoll lehetővé teszi az eszközök számára, hogy egy meghatározott időbeosztás szerint egy lefelé irányuló vételi ablakot nyissanak, és egy átjáró által továbbított jeladó (beacon) segítségével szinkronizálják a végberendezést a hálózattal (3. ábra).

3. ábra: A Class B üzemmódban működő LoRaWAN-eszközök szinkronizált lefelé irányuló adatátvitelt tesznek lehetővé egy jeladó (beacon) segítségével, amelyet a csatlakoztatott átjáró továbbít rendszeres időközönként az időzítés fenntartásához (kép: Murata Electronics)

A Class C osztályt olyan alkalmazási esetekre tervezték, amikor megkövetelt, hogy a végberendezések folyamatosan figyeljék a lefelé irányuló üzeneteket. Mivel a C osztály szerint működő eszközöknek aktívnak kell maradniuk, jellemzően hálózati tápellátásúak, nem pedig akkumulátorral működnek, mint a Class A vagy akár Class B osztályú eszközök (4. ábra).

4. ábra: A Class C üzemmódban működő LoRaWAN eszközök jellemzően állandó áramforrásról tápláltak, és mindig aktívak maradnak, folyamatosan figyelve a lefelé irányuló üzeneteket, amikor nincs felfelé irányuló adatátvitel (kép: Murata Electronics)

Bár egy LoRaWAN-hálózat megvalósítása látszólag egyszerűnek tűnhet, a LoRaWAN protokoll és az alapjául szolgáló LoRa technológia részletes működési paramétereinek megfelelő egyensúlyba hozása jelentős tudást és tapasztalatot igényel.

Beágyazható megoldás hitelesített LoRaWAN modullal

A Murata Electronics LBAA0QB1SJ-296 modulja és a hozzá tartozó firmware egy beágyazható megoldás a LoRaWAN hálózatokhoz való kapcsolódási képesség gyors megvalósítására, és egy teljeskörű hitelesített LoRaWAN megoldás a végberendezések számára. A modul tartalmaz egy SX1262 LoRa adó-vevőt a Semtech-től, egy 192 Kbyte flashmemóriával rendelkező STM32L072 mikrovezérlőt az STMicroelectronics-től, egy RF-kapcsolót és egy hőmérséklet-kompenzált kristályoszcillátort (TCXO-t). Árnyékolt, mindössze 10,0 x 8,0 x 1,6 mm méretű öntött műgyanta tokozásban forgalmazzák (5. ábra).

5. ábra: A Murata Electronics egy Semtech SX1262 LoRa adó-vevőt és egy előre betöltött LoRaWAN stacket futtató STMicroelectronics STM32L072 mikrovezérlőt tartalmazó LBAA0QB1SJ-296 modulja teljeskörű LoRaWAN csatlakoztatási megoldást kínál (kép: Murata Electronics)

A modul egyetlen 3,3 voltos tápegységről működik, a fogyasztása 125 kHz sávszélességen mindössze 15,5 mA, miközben ezen a sávszélességen és maximális szórási tényezővel -135,5 dBm vételi érzékenységet kínál 1%-os csomaghibaarány mellett. A LoRa által alkalmazott Chirp Spread Spectrum (CSS) modulációs technikánál a szórási tényezőt a bitenkénti csipogások számaként definiálják. Átvitelre a modul akár +21,5 dBm adási teljesítményt is kínál, maximális adóteljesítmény mellett 118 mA áramfelvétellel.

Az LBAA0QB1SJ-296 modul támogatja a LoRaWAN szerinti Class A, B vagy C osztályú üzemmódban való működést, és számos alacsony fogyasztású üzemmódot kínál, amelyek lehetővé teszik a fejlesztők számára a teljesítmény és az energiafogyasztás kiegyensúlyozását. Az akkumulátorral működő (jellemzően A vagy B osztályú üzemmódú) végberendezések esetében a modul képes ultraalacsony fogyasztású üzemmódban működni, valós idejű órajel-működés mellett is csak kb. 1,3 µA áramfelvétellel, így éveken át tartó működést tesz lehetővé.

LoRaWAN-kapcsolattal rendelkező eszközök gyors kifejlesztése

Az LBAA0QB1SJ-296 modul segítségével LoRaWAN-kapcsolódási képességgel bővíteni a végberendezések rendszereit viszonylag egyszerűen megoldható. A hardvert illetőleg a modul a rajta lévő univerzális aszinkron adóvevő (UART) interfészen keresztül csatlakozik a végberendezés gazdaprocesszorához. Az UART-interfészen kívül a modulnak csak egy külső antennára és néhány további alkatrészre van szüksége a teljes LoRaWAN alrendszer hardverének kialakításához (6. ábra).

6. ábra: A Murata Electronics LBAA0QB1SJ-296 modulján kívül a fejlesztőknek csak néhány további komponensre van szükségük, hogy hitelesített LoRaWAN-kapcsolattal lássák el a végberendezéseket (kép: Murata Electronics)

A szoftvert illetőleg az LBAA0QB1SJ-296 modul előre konfigurálva érkezik a 915 MHz-es ISM-sávot használó LoRaWAN kommunikációhoz szükséges teljes csomaggal. Működés közben a végberendezés gazdaprocesszora egy AT-parancskészlet segítségével vezérli és felügyeli a modul működését.

Bár a modul hardveres interfésze és az előre betöltött firmware segít felgyorsítani az egyedi fejlesztést, a Murata LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK fejlesztői kártyája a fejlesztők számára lehetővé teszi a gyors prototípuskészítés azonnali megkezdését és a gyártási tervek gyorsított fejlesztését (7. ábra).

7. ábra: A Murata LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK fejlesztői kártyája az LBAA0QB1SJ-296 modult tartalmazza különböző perifériákkal és csatlakozókkal együtt, és a LoRaWAN-csatlakozási képességek kiértékelésére és a prototípuskészítés felgyorsítására tervezték (kép: Murata Electronics)

A fejlesztői kártya a beépített LBAA0QB1SJ-296 modul számára számos eszközt biztosít felhasználói interfészek létrehozására, köztük fénykibocsátó diódákat (LED), egy termisztort és nyomógombokat. A kártya funkcióit a fejlesztők tovább bővíthetik szükséges perifériák hozzáadásával a kártyán lévő Arduino Uno V3 csatlakozók segítségével.

Saját eszközeik LoRaWAN-működésének kiértékeléséhez a fejlesztőknek csak egy megfelelő 915 MHz-es rádiófrekvenciás szubminiatűr A (SMA) antennát kell csatlakoztatniuk, biztosítaniuk kell egy külső forrásból a tápellátást, és a kártyát az USB-csatlakozón keresztül csatlakoztatniuk kell egy fejlesztői rendszerhez.

A kártya feléledése után a fejlesztők a modul működését a regisztrált kártyahasználók számára elérhető terminálemuláló programmal vagy egy grafikus felhasználói felületként (GUI) szolgáló tesztelő eszközzel tesztelhetik. A kibővített hibakeresési lehetőséghez a kártya rendelkezik egy Serial Wire Debug (SWD) és egy USB-csatlakozóval az STMicroelectronics ST-LINK hibakeresője/programozója csatlakoztatásához.

A végpontok közötti működés kiértékeléséhez és a szoftverben lévő hibák feltárásához a fejlesztőknek csupán hozzá kell adniuk egy készen elérhető LoRaWAN átjárót, hogy teljessé tegyék a kommunikációs kapcsolatot a fejlesztői kártya és az alkalmazásszerverek között.

Összegzés

A LoRaWAN protokoll és az alapjául szolgáló LoRa technológia hatékony megoldást kínál a végberendezések nagy távolságokon keresztüli összekapcsolására a rendelkezésre álló áramfogyasztási lehetőségek túllépése nélkül. A Murata Electronics LBAA0QB1SJ-296 modulja az alacsony fogyasztású, nagy területű hálózatok kiépítésének felgyorsítására készült, és hitelesített, beágyazható LoRaWAN megoldást kínál. A Murata Electronics LBAA0QB1SJ-296 moduljára épülő LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK fejlesztői kártyájával a fejlesztők gyorsan prototípusokat tudnak készíteni valamint kiértékelhetik LoRaWAN-hálózati rendszereik működését.