Laagvermogen draadloze IoT-sensornetwerken met LPWAN RF-modules snel opzetten

Als ontwikkelaars draadloze connectiviteit willen voor een Internet of Things (IoT)-sensor, dan denken ze meestal in eerste instantie aan Wi-Fi, Zigbee of Bluetooth. Maar vaak vereisen de toepassingen een laag vermogen en groot bereik en hebben ze een ander gebruiksmodel en lagere datasnelheden dan die technologieën kunnen bieden. Ontwikkelaars kunnen een eigen draadloze netwerkinterface ontwikkelen met de daaraan verbonden kosten, kans op vertragingen en aanpassingen, maar ze kunnen in plaats daarvan ook standaard modules gebruiken voor allerlei moderne, laagvermogen wide area netwerken (LPWAN's).

Zulke LPWAN's, zoals Sigfox, LoRaWAN, en het nieuwere Radiocrafts Industrial IoT (RIIoT), zijn allemaal bedoeld om relatief eenvoudige sensoren met een lage bemonsteringsfrequentie aan te sluiten, die af en toe gegevens in korte bursts over grote afstanden kunnen verzenden, tot 50 km of nog meer. Voor zulke toepassingen is vaak een extreem laag vermogen benodigd om de batterijlevensduur van sensoren op afgelegen of moeilijk toegankelijke locaties te maximaliseren. Idealiter werken sensoren op zulke locaties tot 10 jaar lang betrouwbaar op een knoopcel of AAA-batterij

In dit artikel worden de eisen besproken aan een ontwerp voor een typische IoT-sensortoepassing en de eigenschappen van Sigfox, LoRaWAN en RIIoT. Vervolgens behandelen we geschikte modules van Pi Supply, Sigfox en Radiocrafts en laten we zien hoe u deze kunt gebruiken.

LPWAN-eigenschappen

De geringe bandbreedte van LPWAN's zijn gedeeltelijk verantwoordelijk voor het lage opgenomen vermogen (Afbeelding 1). Eén van de dogma's van de informatietheorie stelt dat er bij informatieoverdracht een nauw verband is tussen de signaalbandbreedte en de signaal-ruisverhouding enerzijds en de foutenkans anderzijds. Hoe hoger de signaal-ruisverhouding of hoe kleiner de bandbreedte, hoe lager de foutenkans.

Afbeelding 1: Door de geringe bandbreedte kunnen LPWAN's over grotere afstanden en met minder vermogen werken. (Bron afbeelding: Peter R. Egli, via Slideshare)

LPWAN's maken gebruik van dit verband om bijzonder betrouwbare informatieoverdracht over grote afstanden en met een laag opgenomen vermogen te bewerkstelligen. Door de betrekkelijk lage datasnelheid hebben LPWAN-systemen bovendien aan een lagere bandbreedte genoeg. Dit resulteert erin dat LPWAN-systemen over afstanden van meerdere kilometers kunnen communiceren.

Een tweede belangrijk element van LPWAN-systemen is het gebruik van sub-gigahertz (GHz) frequenties in de vrijgegeven frequentiebanden voor industrieel, wetenschappelijk en medisch gebruik (ISM) van 886 tot 906 MHz. Het gebruik van deze frequenties (met langere golflengtes) zorgt voor minder padverliezen zodat ze voor een bepaald vermogen een groter bereik hebben, zie Vergelijking 1:

 Vergelijking 1

Met:

d = afstand

λ = golflengte

Bij lagere frequenties wordt er minder radiofrequente (RF) energie door obstakels als muren en gebouwen geabsorbeerd, zodat LPWAN-systemen in stedelijke omgevingen een uitstekende penetratiegedrag vertonen.

Ontwerpen op basis van ISM hebben geen licentie nodig, maar ze moeten wel aan de wereldwijd geldende regels voor vermogens- en elektromagnetische compatibiliteit voor gebruik van de ISM-band voldoen.

Voorbeelden van LPWAN

Er kan uit meerdere LPWAN-opties worden gekozen, maar voor ontwikkelaars die een IoT-toepassing met sensoren snel willen bouwen, zijn de voor de hand liggende opties: LoRaWAN, Sigfox en het onlangs geïntroduceerde RIIoT. Elk hiervan ondersteunt vooraf geconfigureerde modules voor radio- en sensorinterfaces die ontwikkelaars snel in hun ontwerp kunnen inbouwen, evenals ontwikkelingspakketten om de toepassing snel te kunnen ontwikkelen en te configureren.

LoRaWAN is op door de LoRa Alliance beheerde open standaards en op eigen spread-spectrum radiotechnologie gebaseerd die eigendom zijn van Semtech Corp en waarvoor licentie is verkregen. Het netwerk maakt gebruik van een meerlaags stertopologie waarin individuele knooppunten met meerdere gateways kunnen communiceren en roaming mogelijk wordt. Het ondersteunt bidirectionele communicatie tussen gateways en knooppunten waarbij gateways berichten van het ene naar het andere knooppunt en naar een server in de cloud doorsturen.

LoRaWAN ondersteunt datasnelheden van 300 bit/s tot 50 kbit/s, kan berichten van 243 byte verwerken en gebruikt een signaalbandbreedte tot 125 of 250 kilohertz (kHz). Het ondersteunt adaptieve datasnelheden om de betrouwbaarheid van het signaal onder wijzigende omstandigheden te behouden en het bereik kan tot 5 km in een stedelijke omgeving en tot 20 km zonder tussenliggende obstakels bedragen. Gebruikers kunnen knooppunten ontwikkelen en op commerciële netwerken aansluiten of anders privénetwerken opzetten met eigen gateways en backhaul-netwerken.

Sigfox is een eigen protocol dat door Sigfox is ontwikkeld en wordt beheerd. Dit bedrijf geeft ontwikkelaars van chips licenties op deze technologie en geeft gebruikers via wereldwijd opgestelde gateway-basisstations toegang tot zijn netwerk. Door de datasnelheden tot 600 bit/s te beperken bij een signaalbandbreedte van 100 hertz (Hz) kan Sigfox een maximaal bereik halen. Zonder obstakels is 40 km mogelijk en 10 km in een stedelijke omgeving. Het lichtgewicht protocol beperkt de te versturen pakketten tot 26 byte (met maximaal 12 byte gebruikersgegevens) zodat de zenders maar kort aan hoeven te staan. Knooppunten kunnen niet meer dan 140 berichten per dag verzenden en gateways kunnen maar vier keer per dag berichten naar knooppunten verzenden nadat ze van dat knooppunt een bericht hebben ontvangen. Dit heeft tot gevolg dat knooppunten maar zeer korte tijd de radio actief hebben en het grootste deel van de tijd in slaapstand staan om het opgenomen vermogen te minimaliseren.

Hoewel LPWAN-radio's een laag vermogen hebben, is dat in de echte wereld een relatief begrip. Zo heeft Radiocrafts twee verschillende vermogensopties voor de aangeboden Sigfox modules. De RC1692HP-SSM hoogvermogen sensorinterfacemodule communiceert met een host microcontroller via een UART-verbinding en ondersteunt SPI-, I²C-, analoge en GPIO-poorten om verbinding met sensoren te maken (Afbeelding 2). Hij werkt met een voeding van 2,8 tot 3,6 volt.

Afbeelding 2: Complete Sigfox radio- en sensorinterfacemodules als de RC1692HP-SSM van Radiocrafts trekken in rust maar 20 microampère (µA). (Bron afbeelding: Radiocrafts)

De module trekt in slaapstand maar 1 µA. Als de module actief is met aangesloten sensoren, trekt hij minder dan 20 µA met de radio uit en 292 mA tijdens het zenden.

De laagvermogen module RC1682-SSM is voor Europa bedoeld en trekt veel minder stroom, tijdens het zenden maar 58 mA.

RIIoT is één van de allernieuwste LPWAN-opties waar ontwikkelaars voor kunnen kiezen. Deze is op de standaard fysieke laag IEEE 802.15.4g/e (PHY) gebouwd die oorspronkelijk voor slimme meters en toepassingen in de procesbesturing is ontwikkeld. Het heeft extra features voor RF en media access control (MAC) voor een laag energieverbruik, een groot bereik en geavanceerde beveiliging. De communicatie is bidirectioneel over een sternetwerk en biedt voorspelbare netwerkvertragingen van minder dan 15 ms voor besturingstoepassingen in vrijwel realtime.

RIIoT ondersteunt twee datasnelheden, 5 en 50 kbit/s, en twee vermogensniveaus zodat ontwikkelaars de mix van batterijlevensduur, datasnelheid en bereik kunnen kiezen die het best bij hun wensen aansluit. In de instelling voor laag vermogen en hoge datasnelheid kunnen RIIoT-netwerken een bereik van 5 km zonder obstakels en 200 m in stedelijke omgevingen, waarbij in bursts van 3,4 milliseconde (ms) wordt verzonden. Bij hoog vermogen en lagere datasnelheden kan het bereik oplopen tot 60 km zonder obstakels en 2 km in de stad bij bursts van 45 ms. De stroom in slaapmodus voor typische bladknooppunten is 0,7 microampère (µA).

Voor het bouwen van een RIIoT-netwerk zijn drie hoofdelementen nodig: een knooppunt, een gateway en netwerkbesturingssoftware. Individuele 'blad'knooppunten gebruiken een module als de Radiocrafts RC1880CEF-SPR, met ingebouwde analoog-digitaal converter (ADC) met GPIO-, I²C-, SPI-, en UART-interfaces. Deze knooppunten communiceren draadloos met een Linux pc die ofwel de compatibele RC1880CEF-GPR-module op een printplaat in een uitbreidingsslot bevat of een op een van de USB-poorten aangesloten USB-dongle.

Om van de pc een complete RIIoT-gateway te maken, moet de ontwikkelaar een derde element installeren: de RIIoT Net Controller middleware. Deze software beheert niet alleen het netwerk, inclusief de firmware-updates naar de bladknooppunten, maar converteert tevens de gegevens en opdrachten naar JSON-objecten om het interfacen met cloud-toepassingen te vereenvoudigen.

Afbeelding 3: Een compleet RIIoT-netwerk bevat bladknooppunten, een Linux pc met een gatewaymodule en besturingssoftware. (Bron afbeelding: Radiocrafts)

Eén van de belangrijkste uitbreidingen van RIIoT aan de onderliggende IEEE202.15.4standaard is de mogelijkheid eind-tot-eind beveiliging op de gegevensoverdracht te implementeren. Hoewel Sigfox geen versleuteling ondersteunt en LoRaWAN versleuteling over de draadloze verbindingen tussen knooppunt en gateway ondersteunt, gaat de beveiliging van RIIoT een stapje verder.

Bij RIIoT kan elk knooppunt een unieke beveiligingssleutel hebben, zodat het systeem het bericht vanaf het knooppunt tot aan het toepassingsprogramma in de cloud versleuteld kan houden. Gateways kunnen het versleutelde bericht gewoon doorsturen, zonder de inhoud ervan te lezen.

Sneller ontwikkelen via modules en pakketten: RIIoT

Ontwikkelaars die LPWAN IoT-netwerken willen implementeren kunnen bij het ontwerp een steuntje in de rug krijgen door een van de vele voor de verschillende netwerken beschikbare vooraf geconfigureerde RF- en sensorinterfacemodules te gebruiken. In zulke modules zijn de lastige problemen van het RF-ontwerp, minimale energieverbruik en protocolimplementatie al opgelost, zodat ze in feite een legosteentje voor de communicatie met de host processor zijn geworden. De modules zijn bovendien al gecertificeerd volgens de voorschriften voor de ISM-banden. Ontwikkelaars moeten nog altijd hun uiteindelijke product laten certificeren, maar als het radiografische gedeelte al voldoet, dan is de uiteindelijke certificatie veel eenvoudiger en is de kans op certificering groter.

Het ontwerpproces wordt door dergelijke modules eveneens versneld doordat sensor-interfaces en besturingslogica ingebouwd zijn. De Radiocrafts RC1880CEF-SPR heeft bijvoorbeeld interfaces voor analoge ingangen voor een ADC, GPIO voor switches, I²C en SPI voor compatibele sensoren en een UART voor aansluiting aan de host processor (Afbeelding 4). Ontwikkelaars kunnen deze module direct in hun ontwerp gebruiken voor zowel de draadloze communicatie als de sensor-interface in hun systeem. De module kan worden geprogrammeerd om de sensor-instellingen, -besturing en -bemonstering zelf af te handelen en zo de toepassing te vereenvoudigen. De sensoren en communicatie zijn vanuit de toepassing gezien identiek aan lezen uit en schrijven naar het geheugen.

Afbeelding 4: Modules voor LPWAN-systemen kunnen zowel radio- als sensorinterfaces bevatten, waardoor het ontwerpen van IoT-sensorsystemen eenvoudiger wordt. (Bron afbeelding: Radiocrafts)

Ontwikkelingspakketten als de RC1880-RIIOT-DK kunnen ontwikkelaars helpen om een compleet RIIoT-netwerk snel in elkaar te zetten om mee te experimenteren. Dit pakket bevat de bladknooppunten, gatewaymodules en systeemsoftware voor een compleet netwerk. Ook bevat het softwarehulpmiddelen om de bladknooppunten in C te programmeren om met aangesloten sensoren te kunnen werken.

Modules en ontwikkelingspakketten voor LoRaWAN en Sigfox

Vooraf geconfigureerde modules om IoT-systemen eenvoudig te implementeren zijn ook voor LoRaWAN beschikbaar. Een goed voorbeeld is de PIS-1019 RAK811 LoRaWAN module van Pi Supply (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De PIS-1019 RAK811 LoRaWAN module van Pi Supply heeft een ingebouwde sensorinterface met seriële poort zodat een host microcontroller hem via standaard AT-opdrachten kan besturen. (Bron afbeelding: Pi Supply)

Dit apparaat bevat een seriële poort naar een host microcontroller om de module met standaard AT-opdrachten te besturen. Het PIS-1037 ontwikkelingspakket voor de PIS-1019 bevat een gateway concentrator module die van een host PCIe-controller een gateway/router access point kan maken om een compleet netwerk te configureren (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: LoRaWAN gebruikers kunnen hun eigen netwerk gateway bouwen met behulp van de Pi Supply PIS-1037, het ontwikkelingspakket voor de PIS-1019. (Bron afbeelding: Pi Supply)

Radiocrafts heeft ook completer Sigfox ontwikkelingspakketten als het RC1692HP-SSM-DK pakket voor de RC1692HP-SSM RF-module en het RC-1682-SSM DK pakket voor de RC1682-SSM RF-module. Hiermee kunnen zonder verdere aanpassingen Sigfox-radiomodules worden getest en ontwikkeld. De pakketten bevatten temperatuur- en vochtsensoren, een versnellingsmeter en een hall-effectsensor.

Ontwikkelaars hebben met Sigfox echter niet de optie hun eigen netwerken te bouwen. Sigfox beheert de systeem gateways en backhaul-netwerken en de gebruikers moeten betalen om hier toegang toe te krijgen. Deze modules zijn voorzien van vooraf gecodeerde ID's en encryptiesleutels en na registratie sturen ze de gegevens rechtstreeks naar de Sigfox cloud, zonder dat de gebruiker veel hoeft in te stellen.

Conclusie

Ontwikkelaars die sensoren met een lage datasnelheid en laag vermogen over grote afstand met het IoT willen verbinden, vinden in LPWAN-oplossingen als RIIoT, LoRaWAN en Sigfox aantrekkelijke alternatieven voor Wi-Fi, Zigbee of GSM-netwerken. Elk hiervan heeft zijn eigen voordelen, maar ze kunnen allemaal toepassingen ondersteunen van slimme meters tot slimme boerderijen.