Versnel de ontwikkeling van langeafstandsconnectiviteit met een gecertificeerde LoRaWAN-module

In veel volumineuze, sensorgebaseerde toepassingen voor landbouw, het traceren van bedrijfsmiddelen, nutsbedrijven en het Internet of Things (IoT) moeten ontwikkelaars veilige connectiviteit bieden over een groot werkbereik. Het LoRaWAN-protocol (long-range, wide-area network) is ontworpen om zeer grote netwerken van dergelijke apparaten te ondersteunen en kan een effectieve oplossing bieden, maar het vereist de nodige kennis en expertise om snel een geoptimaliseerd communicatiesubsysteem te implementeren.

Dit artikel beschrijft kort LoRaWAN en de mogelijkheden ervan. Vervolgens wordt een LoRaWAN-gecertificeerde module van Murata Electronics geïntroduceerd die ontwikkelaars een drop-in oplossing biedt voor het bereiken van extreem lange-afstandsconnectiviteit via low-power, wide-area netwerken (LPWAN's). Om het maken van prototypes te versnellen, worden ook een ontwikkelboard en softwareondersteuning geïntroduceerd.

Wat is LoRaWAN?

Van de beschikbare draadloze verbindingsopties is LoRaWAN naar voren gekomen als een effectieve oplossing voor servergebaseerde toepassingen die verbinding maken met eindapparaten met een laag vermogen die zich ver buiten het bereik bevinden van bekende draadloze opties zoals Wi-Fi of Bluetooth. In een LoRaWAN-netwerk communiceren applicatieservers via conventionele TCP/IP-netwerken (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) met LoRaWAN-gateways (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: In een typische LoRaWAN-netwerktoepassing maken servers verbinding met gateways die op hun beurt gebruik maken van de LoRa-technologie met groot bereik en laag vermogen om eindapparaten te verbinden die zich op vele kilometers afstand kunnen bevinden. (Bron afbeelding: Murata Electronics)

LoRaWAN-gateways communiceren op hun beurt met eindapparaten via LoRa-sub-gigahertz radiofrequentietechnologie (RF) die werkt in de niet-gelicentieerde industriële, wetenschappelijke en medische (ISM) frequentiebanden. De LoRa-technologie is bedoeld voor toepassingen met een relatief lage bitsnelheid en biedt een maximale bitsnelheid van ongeveer 10 kilobits per seconde (Kbits/s), maar heeft unieke voordelen voor toepassingen op lange afstand.

Met LoRa RF, dat is gebaseerd op spread spectrum-technologie, kunnen ontwikkelaars bitrate inruilen voor bereik, waardoor gemakkelijk betrouwbare tweewegcommunicatie kan worden gerealiseerd op afstanden van meer dan 15 kilometer (km) in landelijke gebieden of meer dan 5 km op binnenlocaties in dichtbevolkte stedelijke gebieden.

Het LoRaWAN-protocol beschermt het communicatieverkeer dankzij het beveiligingsmodel van LoRaWAN. LoRaWAN gebruikt een paar beveiligingssleutels: één om authenticiteit en integriteit op pakketniveau te garanderen en een andere om end-to-end-beveiliging van berichten tussen eindapparaten en applicatieservers te bieden.

Het LoRaWAN-protocol biedt nog meer voordelen voor het balanceren van het stroomverbruik van eindapparaten met de communicatiebehoeften van de toepassing. Een LoRaWAN-netwerk stelt apparaten in staat om in één van drie klassen te werken: Klasse A, klasse B of klasse C. Een apparaat in elke klasse kan naar behoefte berichten verzenden, maar de klasse bepaalt wanneer het berichten kan ontvangen.

Apparaten van klasse A zijn het energiezuinigst en zijn ontworpen voor gebeurtenisgestuurde werking, bijvoorbeeld wanneer een sensor een verandering in zijn omgeving detecteert. Apparaten van klasse A kunnen blijven slapen tussen gebeurtenissen, na het verwerven van sensorgegevens alleen lang genoeg ontwaken om gegevens te verzenden en vervolgens downlink-ontvangstvensters openen met gespecificeerde vertragingen (RX1 en RX2) na de uplink-transmissie (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De meest energie-efficiënte LoRaWAN-klasse, klasse A, laat apparaten zo lang mogelijk slapen en alleen actief worden om gegevens naar gateways te verzenden (uplink) en vervolgens een eerste ontvangstvenster (RX1) en een tweede ontvangstvenster (RX2) te openen nadat de uplink is voltooid. (Bron afbeelding: Murata Electronics)

Apparaten van klasse B ondersteunen periodieke werking volgens een schema dat wordt vereist door de toepassing. Voor klasse B-apparaten staat het LoRaWAN-protocol apparaten toe om een downlink-ontvangstvenster te openen op een gespecificeerd schema, waarbij een door de gateway uitgezonden baken wordt gebruikt om het eindapparaat met het netwerk te synchroniseren (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: LoRaWAN klasse B-apparaten maken gesynchroniseerde downlinks mogelijk met behulp van een baken dat door de aangesloten gateway wordt uitgezonden om de timing te handhaven. (Bron afbeelding: Murata Electronics)

Apparaten van klasse C zijn ontworpen voor toepassingen waarbij eindapparaten continu moeten luisteren naar downlinkberichten. Omdat apparaten van klasse C actief moeten blijven, worden ze meestal gevoed via het lichtnet in plaats van via batterijen, zoals apparaten van klasse A en zelfs klasse B (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: LoRaWAN klasse C-apparaten worden meestal gevoed door een constante stroombron en blijven altijd actief, waarbij ze constant luisteren naar downlinkberichten wanneer ze geen uplinkberichten verzenden. (Bron afbeelding: Murata Electronics)

Hoewel het concept rechttoe rechtaan lijkt, vereist de implementatie van LoRaWAN-netwerken aanzienlijke kennis en ervaring om de juiste balans te vinden tussen de gedetailleerde bedrijfsparameters van het LoRaWAN-protocol en de onderliggende LoRa-technologie.

Gecertificeerde LoRaWAN-module biedt een drop-in oplossing

De LBAA0QB1SJ-296-module en bijbehorende firmware van Murata Electronics bieden een drop-in oplossing om LoRaWAN-netwerkconnectiviteit te versnellen, waardoor een complete LoRaWAN-gecertificeerde oplossing voor eindapparaten ontstaat. De module bevat Semtech's SX1262 LoRa-zendontvanger, STMicroelectronics' STM32L072-microcontroller met 192 kilobyte (Kbyte) flashgeheugen, een RF-schakelaar en een temperatuur-gecompenseerde kristaloscillator (TCXO). Hij wordt geleverd in een afgeschermd, kunstharsgegoten pakket van slechts 10,0 x 8,0 x 1,6 millimeter (mm) (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De LBAA0QB1SJ-296-module van Murata Electronics biedt een complete LoRaWAN-connectiviteitsoplossing en integreert een Semtech SX1262 LoRa-zendontvanger en een STMicroelectronics STM32L072-microcontroller met een vooraf geladen LoRaWAN-stack. (Bron afbeelding: Murata Electronics)

De module werkt op een enkele 3,3 volt voeding en verbruikt slechts 15,5 milliampère (mA) bij een bandbreedte van 125 kilohertz (kHz) en biedt een ontvangstgevoeligheid van -135,5 decibel gerefereerd aan 1 milliwatt (mW) (dBm) bij een pakketfoutpercentage van 1% bij dezelfde bandbreedte en maximale spreidingsfactor. De spreidingsfactor wordt gedefinieerd als het aantal chirps per bit in de implementatie van LoRa's chirp-spreadspectrumtechnologie. Voor transmissie biedt de module tot +21,5 dBm zendvermogen bij een verbruik van 118 mA bij maximaal zendvermogen.

De LBAA0QB1SJ-296-module ondersteunt LoRaWAN klasse A, B of C en biedt verschillende energiezuinige bedrijfsmodi waarmee ontwikkelaars prestaties en energieverbruik in balans kunnen brengen. Voor eindapparaten die werken op batterijen (meestal in klasse A of klasse B) kan de module werken in een ultralaagvermogenmodus die slechts ongeveer 1,3 microampère (µA) verbruikt met real-time klokwerking, waardoor de module jarenlang kan werken.

Snelle ontwikkeling van met LoRaWAN verbonden apparaten

Het gebruik van de LBAA0QB1SJ-296-module om LoRaWAN-connectiviteit toe te voegen aan een eindapparaatsysteem is relatief eenvoudig. Aan de hardwarekant maakt de module verbinding met een eindapparaat-hostprocessor via de universele asynchrone ontvanger/transmitter-interface (UART) van de module. Naast de UART-interface voor hostcommunicatie heeft de module alleen een externe antenne en een paar extra componenten nodig om een compleet LoRaWAN-hardwaresubsysteem te leveren (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Met de LBAA0QB1SJ-296-module van Murata Electronics hebben ontwikkelaars slechts een paar extra componenten nodig om gecertificeerde LoRaWAN-connectiviteit toe te voegen aan hun eindapparaatontwerpen. (Bron afbeelding: Murata Electronics)

Aan de softwarekant is de LBAA0QB1SJ-296-module vooraf geconfigureerd met een complete stack voor LoRaWAN-werking in de 915 megahertz (MHz) ISM-band. Tijdens het gebruik beheert en controleert de hostprocessor van het eindapparaat de werking van de module met behulp van een AT-opdrachtset.

Hoewel de hardware-interface en voorgeïnstalleerde firmware van de module helpen om de ontwikkeling op maat te versnellen, kunnen ontwikkelaars met het LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK-evaluatiebord van Murata meteen aan de slag met snelle prototyping en versnelde ontwikkeling van productieontwerpen (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Het LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK-evaluatiebord van Murata is ontworpen om de evaluatie en snelle prototyping van LoRaWAN-connectiviteit te versnellen en combineert een LBAA0QB1SJ-296 module met randapparatuur en connectors. (Bron afbeelding: Murata Electronics)

Het evaluatiebord ondersteunt de LBAA0QB1SJ-296 module met verschillende gebruikersinterfaces, waaronder lichtgevende diodes (LED's), een thermistor en drukknoppen. Ontwikkelaars kunnen de functionaliteit van het bord verder uitbreiden door randapparatuur toe te voegen via de Arduino Uno V3-connectors van het bord.

Om te beginnen met het evalueren van LoRaWAN voor hun toepassing, hoeven ontwikkelaars alleen maar een geschikte 915 MHz RF-subminiatuurversie A (SMA) antenne aan te sluiten, stroom te leveren van een externe bron en het bord via de USB-connector aan te sluiten op een host ontwikkelingssysteem.

Nadat de printplaat is opgestart, kunnen ontwikkelaars de werking van de module testen met een terminalemulatieprogramma of een testtool met grafische gebruikersinterface (GUI) die beschikbaar is voor geregistreerde gebruikers van de printplaat. Voor uitgebreid debuggen biedt de printplaat een seriële draaddebug (SWD) en USB-connector voor het aansluiten van een STMicroelectronics ST-LINK-debugger/programmer.

Voor end-to-end applicatie-evaluatie en het debuggen van software kunnen ontwikkelaars eenvoudig een direct beschikbare LoRaWAN-gateway toevoegen om de communicatieverbinding tussen het evaluatiebord en de applicatieservers te voltooien.

Conclusie

Het LoRaWAN-protocol en de onderliggende LoRa-technologie bieden een effectieve oplossing voor het verbinden van eindapparaten over grotere afstanden zonder dat dit ten koste gaat van beperkte stroombudgetten. De LBAA0QB1SJ-296-module van Murata Electronics is ontworpen om de implementatie van draadloze netwerken met laag vermogen te versnellen en biedt een LoRaWAN-gecertificeerde drop-in oplossing. Met behulp van het LBAA0QB1SJ-296-evaluatiebord van Murata Electronics kunnen ontwikkelaars snel prototypes maken en hun LoRaWAN-netwerktoepassingen evalueren.