Versnel LoRaWAN IoT-projecten met een End-to-End Starter Kit

Ontwerpers van Internet of Things (IoT) sensor- en actuatornetwerken voor bewaking op afstand en controletoepassingen, variërend van landbouw en mijnbouw tot de slimme stad, hebben een draadloze interface met groot bereik nodig die veilig, robuust en onderhoudsarm is, en relatief gemakkelijk kan worden ingezet. Een goede optie voor dergelijke toepassingen is LoRaWAN, met een bereik tot 15 kilometer (km) over landelijke line-of-sight verbindingen en tot 5 kilometer (km) in stedelijke gebieden - waarbij gebruik wordt gemaakt van eindapparatuur met batterijen die tot 10 jaar kunnen meegaan.

Hoewel LoRaWAN een volwassen Low-Power, Wide-Area Network (LPWAN)-technologie is, zijn ontwikkelaars altijd op zoek naar manieren om de implementatie te vereenvoudigen en verbinding te maken met de cloud.

De uitdaging voor ingenieurs die nieuw zijn met LoRaWAN IoT-projecten ligt in de complexiteit van het opzetten van niet alleen het draadloze eindapparaat, maar ook de interface met de gateway en een cloud IoT-platform. De taak wordt veel gemakkelijker gemaakt met starterkits van verkopers die alle elementen bevatten die nodig zijn om een prototype te bouwen en te gebruiken.

Dit artikel introduceert LoRaWAN en legt uit hoe de technologie draadloze sensornetwerken met kort bereik aanvult door een LPWAN te vormen om sensorgegevens naar de cloud door te sturen. Vervolgens wordt geïntroduceerd en beschreven hoe de Digi XON-9-L1-KIT-001 starter kit - die een multi-sensor end-device, een multi-channel gateway en een device-to-cloud IoT-platform bevat - gebruikt kan worden voor het ontwerpen, ontwikkelen en configureren van een LoRaWAN IoT-oplossing op basis van een industrieel platform.

Wat zijn LoRa en LoRaWAN?

LoRaWAN is een LPWAN-technologie voor IoT-apparaten die wordt gekenmerkt door een bereik van tientallen kilometers, een lage doorvoer (250 bits per seconde (bits/s) tot 50 kilobits per seconde (Kbits/s), afhankelijk van de draaggolffrequentie), en een zeer laag stroomverbruik (voor een batterijlevensduur tot tien jaar, afhankelijk van de toepassing). Tabel 1 illustreert hoe LoRaWAN zich verhoudt tot andere ivd-technologieën.

Tabel 1: LoRaWAN is een draadloos LPWAN IoT-protocol met kenmerken die geschikt zijn voor gebruik met een lage doorvoer en een groot bereik. De tabel laat zien hoe het zich verhoudt tot andere draadloze IoT-technologieën. (Bron afbeelding: Semtech)

De LoRa-specificatie definieert de fysieke laag (PHY) en de modulatietechniek die ten grondslag liggen aan LoRaWAN. De laag voor mediatoegangscontrole (MAC) van de protocolstapel wordt gespecificeerd door de LoRaWAN-norm (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: LoRa-fysieke laag (PHY) en modulatietechniek, en LoRaWAN MAC, plus de toepassingslaag, vormen samen de LoRaWAN-protocolstack. (Bron afbeelding: Semtech)

De sleutel tot het bereik van de technologie is het gebruik van een gewijzigde vorm van DSSS-modulatie (Direct Sequence Spread Spectrum). DSSS verspreidt het signaal over een grotere bandbreedte dan de bandbreedte van de oorspronkelijke informatie, waardoor het minder gevoelig is voor interferentie en een groter bereik heeft. Een nadeel van DSSS is dat er een zeer nauwkeurige (en dure) referentieklok nodig is. De LoRa Chirp Spread Spectrum (CSS) techniek biedt een goedkoop en energiezuinig DSSS alternatief dat de klok elimineert. CSS spreidt het spectrum van het signaal door een chirp-signaal op te wekken dat voortdurend in frequentie varieert (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De LoRa CSS-techniek spreidt het spectrum van het signaal door een chirp-signaal op te wekken dat voortdurend in frequentie varieert. De techniek maakt de dure referentieklokken die in DSSS worden gebruikt overbodig. (Bron afbeelding: Semtech)

Met CSS zijn de timing en de frequentie-offsets tussen zender en ontvanger gelijkwaardig, waardoor de complexiteit van het ontwerp van de ontvanger nog verder wordt verminderd. LoRa-modulatie omvat ook een variabel foutcorrectieschema dat de robuustheid van het verzonden signaal verbetert, waardoor het bereik nog groter wordt. Het resultaat is een linkbudget zendvermogen (Tx) en ontvangersgevoeligheid (Rx) in decibel milliwatt (dBm) van ongeveer 154 dBm, waardoor met één gateway of basisstation hele steden kunnen worden bestreken.

In Noord-Amerika maakt LoRaWAN gebruik van de 902 tot 928 megahertz (MHz) industriële, wetenschappelijke en medische (ISM) spectrumindeling. Het draadloze protocol definieert 64 x 125 kilohertz (kHz) uplink-kanalen van 902,3 tot 914,9 MHz in stappen van 200 kHz. Er zijn nog eens acht uplink-kanalen van 500 kHz in stappen van 1,6 MHz, van 903 MHz tot 914,9 MHz. De acht downlink-kanalen zijn 500 kHz breed, beginnend bij 923,3 MHz tot 927,5 MHz. Het maximale TX-vermogen in Noord-Amerika is 30 dBm, maar voor de meeste toepassingen is 20 dBm TX-vermogen voldoende. Volgens de Amerikaanse FCC-voorschriften gelden er geen beperkingen voor de duty-cycle, maar is er een maximale verblijftijd van 400 milliseconde (ms) per kanaal.

Mesh networking is een techniek om het bereik te vergroten door berichten tussen knooppunten door te sturen om de randen van het netwerk te bereiken, maar het voegt complexiteit toe, vermindert de capaciteit en verkort de levensduur van de batterij. In plaats van mesh-netwerken te gebruiken, maakt LoRaWAN gebruik van een stertopologie waarbij elke node (op lange afstand) rechtstreeks verbinding maakt met een gateway. Nodes zijn niet verbonden met een specifieke gateway. In plaats daarvan worden gegevens die door een knooppunt worden verzonden, gewoonlijk door meerdere gateways ontvangen. Elke gateway stuurt vervolgens het ontvangen pakket van het eindknooppunt door naar de cloud-netwerkserver via een of andere vorm van backhaul (doorgaans cellulair, Ethernet, satelliet of Wi-Fi) (figuur 3).

Afbeelding 3: LoRaWAN maakt gebruik van een stertopologie waarbij elk eindapparaat rechtstreeks verbonden is met een of meer gateways. Elke gateway stuurt de informatie vervolgens via een backhaul-verbinding door naar de cloud-gebaseerde netwerkserver. (Bron afbeelding: Semtech)

Om een lange-afstands sternetwerk levensvatbaar te maken, moet de gateway berichten van een groot aantal nodes kunnen ontvangen. LoRaWAN bereikt deze hoge capaciteit door gebruik te maken van een adaptieve datasnelheid en gateways die gelijktijdig berichten op meerdere kanalen kunnen ontvangen. Een enkele gateway met acht kanalen kan enkele honderdduizenden berichten per dag verwerken. In de veronderstelling dat elk eindapparaat tien berichten per dag verstuurt, kan een dergelijke gateway ongeveer 10.000 apparaten ondersteunen. Indien meer capaciteit nodig is, kunnen extra gateways aan het netwerk worden toegevoegd.

LPWAN-starterskit voor snelle prototyping

LPWAN-technologieën zijn complex en kunnen een uitdaging vormen voor de onervaren ingenieur. De ontwikkelaar moet niet alleen het draadloze eindapparaat met een veilige en robuuste verbinding uitrusten, maar ook de interface met de gateway tot stand brengen, het apparaat als onderdeel van het netwerk instellen en vervolgens de verbinding met een IoT-platform in de cloud tot stand brengen.

Deze opbouw van een end-to-end LoRaWAN IoT-oplossing wordt eenvoudiger door gebruik te maken van een op maat gemaakte starterkit, zoals de Digi XON-9-L1-KIT-001 LoRaWAN starterkit (Afbeelding 4). Met een dergelijke starterkit kan een ingenieur zich snel vertrouwd maken met elke stap in het proces, in de veilige wetenschap dat de volgende fase dan snel kan worden opgenomen. Hierdoor kan een niet-expert snel een prototype maken van een complete LoRaWAN IoT-oplossing.

Afbeelding 4: De XON-9-L1-KIT-001 LoRaWAN-starterset bevat alles wat nodig is om een prototype van een netwerkverbinding te maken, waaronder de HXG3000 Ethernet-gateway, uplink en downlink, een Client Shield-bord, antenne, voeding en een programmeerinterface. (Bron afbeelding: Digi)

LoRa biedt apparaatklassen die de latentie van netwerkdownlinkcommunicatie afwegen tegen de levensduur van de batterij; de Digi starterkit biedt ondersteuning voor LoRaWAN-klasse A (laagste vermogen, bidirectionele eindapparaten) en klasse C (laagste latentie, eindapparaatontvanger altijd aan, bidirectionele eindapparaten).

De starterkit biedt alles wat nodig is om snel en veilig een LoRaWAN-prototype op te zetten. Concreet omvat het een uplink/downlink, een uitbreidingskaart of "Client Shield" met een LoRaWAN-module, een LED, een digitale ingang, temperatuursensoren, een Digi 8-kanaals LoRaWAN HXG3000 Ethernet gateway, een embedded developer application programming interface (API), en een 30-dagen gratis proefaccount voor een device-to-cloud platform met scan-and-go mobiele provisioning.

De HXG3000 gateway levert tweewegcommunicatie over lange afstand, zonder zichtlijn, via LoRaWAN, en kan tot 1,5 miljoen berichten per dag verwerken. Het product bevat een 1,7 dBm omnidirectionele radio, tot 27 dBm Tx-vermogen en -138 dBm Rx-gevoeligheid. Hij werkt in de vergunningsvrije U.S. 902 tot 928 MHz-band. Het apparaat wordt gevoed via een netvoeding of via Power-over-Ethernet (PoE). Ethernet en LTE Cat M1 backhaul modellen zijn beschikbaar.

Het Digi LoRaWAN Client Shield is het onderdeel van de starterskit dat ingenieurs ondersteunt bij het maken van prototypes en het ontwikkelen van LoRaWAN sensoren. Het biedt connectiviteit met geselecteerde compatibele STMicroelectronics Nucleo (bijvoorbeeld de NUCLEO-L053R8) en Arduino ARM Keil® Cortex®-M klasse microcontroller ontwikkelborden voor LoRaWAN client-side connectiviteit. Naast de Arduino stapelbare connectors, is het Client Shield voorzien van een laag-vermogen thermistor temperatuursensor, digitale ingang schuifschakelaar, en een digitaal gestuurde rood, groen, blauw (RGB) LED. De afscherming heeft een U.FL connector en de bijbehorende antenne wordt meegeleverd als onderdeel van de kit. Het schild bevat ook de LoRaWAN-module die werkt in de licentievrije Amerikaanse 902 tot 928 MHz-band. Het TX-vermogen bedraagt 14 tot 20 dBm (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: Het XON-9-L1-KIT-001 Client Shield, dat de LoRaWAN module huisvest, kan op een STMicroelectronics Nucleo (hier afgebeeld) of Arduino ontwikkelbord gemonteerd worden. (Bron afbeelding: Digi)

Digi X-ON is een compleet device-to-cloud platform voor IoT-eindapparaten. Het platform biedt zowel een ontwikkelings- als een operationele cloudoplossing. X-ON bevat een geïntegreerde LoRaWAN-netwerkserver en voegt de server toe ter ondersteuning van apparaten en gateways met het draadloze LoRaWAN-protocol. De join server handelt de join flow af, inclusief netwerk- en applicatieserverauthenticatie en het genereren van sessiesleutels.

Het platform stelt de ontwikkelaar in staat om:

• Apparaten of gateways configureren, bewaken en diagnosticeren vanuit de webinterface en mobiele interface
• Automatiseer de implementatie van apparaten en gateways met de provisioning app
• Beheer van draadloze netwerk gateways
• Verzamel en analyseer gegevens rechtstreeks van eindapparaten
• Gebruik een inter-cloud API voor real-time, bidirectionele apparaatgegevens tussen meerdere cloud-platforms
• Log en traceer real-time gegevensberichten voor interactieve bewerkingen en probleemoplossing met eindapparaten en gateways
• Integreer gegevens via open API's om complexere toepassingen te ontwikkelen met hulpprogramma's van derden (figuur 6)

Afbeelding 6: De Digi X-ON is een device-to-cloud platform voor IoT-eindapparaten waarmee de ontwikkelaar de inzet van apparaten en gateways kan automatiseren met de provisioning smartphone app. De ontwikkelaar kan vervolgens apparaten of gateways configureren, bewaken en diagnosticeren vanuit de web- en mobiele interface. (Bron afbeelding: Digi)

Aan de slag met een LoRaWAN-project

Omdat de Client Shield, STMicroelectronics Nucleo, en Arduino ontwikkelborden embedded ARM Keil microcontrollers gebruiken en dus "ARM Keil Mbed enabled" zijn, is het starten van een project met de Digi starter kit relatief ongecompliceerd. (ARM Keil Mbed is een platform en besturingssysteem (OS) voor IoT-apparaten op basis van 32-bit ARM Keil Cortex M-klasse microcontrollers) Het Client Shield bevat een ingebedde AT commando taal en een vereenvoudigde ARM Keil Mbed C++ Embedded API die is ontworpen om de ontwerp complexiteiten weg te abstraheren, wat de ontwikkeling vereenvoudigd.

De Mbed-compatibiliteit van de Digi LoRaWAN starterkit maakt applicatie-ontwikkelingswerk mogelijk met behulp van ARM Keil Mbed online middelen. De middelen bestaan uit drie opties. De Mbed Online Compiler stelt de ontwikkelaar in staat om direct te beginnen met de ontwikkeling van applicaties zonder iets te installeren. Alles wat nodig is, is een Mbed account.

Voor meer geavanceerde applicatie-ontwikkeling kan de Digi LoRaWAN Starter Kit worden aangesloten op Mbed Studio, een desktop geïntegreerde ontwikkelomgeving (IDE) voor het maken, compileren en debuggen van Mbed-programma's. Ten slotte is er de Mbed CLI, een opdrachtregelprogramma dat kan worden geïntegreerd in de IDE van de voorkeur van de ontwikkelaar.

De snelste weg naar ontwikkeling is om eerst de Digi X-ON-account op te zetten. Vervolgens moet de ontwikkelaar zich aanmelden voor een Mbed Online Compiler account. Nadat het Client-schild op het ontwikkelingsbord is gemonteerd, moet het geheel met een USB-kabel op een desktopcomputer worden aangesloten. De "PWR" LED op het Client Shield en de "COM" LED op het ontwikkelbord zullen dan oplichten om aan te geven dat de elektronica van stroom is voorzien.

De Mbed Online Compiler leidt de ontwikkelaar vervolgens door een aantal eenvoudige stappen om het hardwareplatform aan de compiler toe te voegen. Zodra de hardware is toegevoegd, kan code in de compiler worden geïmporteerd uit de voorbeelden van sensortoepassingen in de Mbed repository (of andere bibliotheken) en naar het ontwikkelbord worden gedownload. De compiler kan ook worden gebruikt om de LoRaWAN-configuraties te wijzigen, zoals de apparaatklasse en de netwerkverbindingsmodus (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Het is eenvoudig om de LoRaWAN-configuraties, zoals apparaatklasse en netwerkverbindingsmodus, te wijzigen met behulp van de ARM Keil Mbed Online Compiler. (Bron afbeelding: Digi)

Als de gateway draait, zal het Client Shield/ontwikkelbord zich bij het netwerk aansluiten en om de 15 s beginnen met het verzenden van uplinks (in standaardmodus). Op de X-ON-accountpagina, zodra de "Stream" knop is ingedrukt, zullen de gegevens die door het apparaat worden verzonden op het scherm verschijnen.

Conclusie

Voor ontwerpers van IoT-sensing en actuatornetwerken biedt LoRaWAN licentievrije RF-toegang, tientallen kilometers bereik, laag stroomverbruik, goede beveiliging en schaalbaarheid, en robuuste connectiviteit. Zoals veel draadloze IoT-protocollen kan het echter een uitdaging zijn om om te gaan met eindapparatuurconnectiviteit, provisioning, gateways en het streamen van sensorgegevens naar de cloud.

Zoals blijkt, pakt de Digi LoRaWAN starterkit veel van deze problemen aan. Het beschikt over een Client Shield met een vereenvoudigde ARM Keil Mbed C++ Embedded API, een LoRaWAN gateway met Ethernet backhaul, en een X-ON device-to-cloud platform met scan-and-go mobiele provisioning. Met de starterkit kan de ontwikkelaar snel aan de slag met een LoRaWAN-hardwareprototype, sensor- en actuatortoepassingscode ontwikkelen en overdragen, en gegevens analyseren en presenteren met behulp van het cloudplatform.