האץ פרויקטים של LoRaWAN IoT‏ עם ‏ערכת התחלה מקיפה

מתכנני רשתות חיישנים ומפעילים (Actuators‏) של אינטרנט-של-דברים (IoT‏) עבור יישומי ניטור מרחוק ובקרה, החל מחקלאות וכרייה ועד לעיר החכמה, זקוקים לממשק אלחוטי לטווח-גדול שהוא מאובטח, חסון, בר תחזוקה נמוכה וקל יחסית לפריסה. אופציה‏ טובה ליישומים כאלה היא LoRaWAN, עם טווח של עד 15 קילומטר (ק"מ) בקשרי קו-ראייה לא עירוניים ועד ‏5 קילומטר (ק"מ) באזורים אורבניים — תוך שימוש בהתקני-קצה עם סוללות שיכולות להחזיק מעמד עד ‏10 שנים.

בעוד LoRaWAN‏ היא טכנולוגיית רשת אזורית הספק-נמוך (LPWAN) בשלה, מפתחים זקוקים תמיד לדרכים לפשט פריסה ולחבר לענן.

האתגר למהנדסים חסרי ניסיון בתחום פרויקטים של LoRaWAN IoT‏ הוא בעיסוק במורכבויות לא רק של הקמת ההתקן האלחוטי הסופי אלא גם בהתממשקות עם השער (Gateway) ‏ופלטפורמת IoT ענן. המשימה הופכת להיות הרבה יותר קלה עם ערכות התחלה של יצרן הכוללות את כל האלמנטים הנחוצים כדי לבנות ולהפעיל אב-טיפוס.

מאמר זה מציג את LoRaWAN ומסביר כיצד הטכנולוגיה משלימה רשתות חיישנים אלחוטיות לטווח-קטן על ידי יצירת LPWAN‏ להעברת נתוני חיישן לענן. אחר כך הוא מציג ומתאר כיצד להשתמש בערכת התחלה‏ XON-9-L1-KIT-001 של Digi - שכוללת התקן-קצה מרובה חיישנים, שער (Gateway) מרובה ערוצים ופלטפורמת IoT התקן-לענן, כדי לתכנן, לפתח ולהגדיר פתרון LoRaWAN IoT מבוסס על פלטפורמה תעשייתית.

מהן LoRa‏ ו-LoRaWAN?

LoRaWAN‏ היא טכנולוגיית LPWAN‏ עבור התקני IoT‏ המתאפיינת על ידי טווח של‏ עשרות קילומטרים, קצב העברה נמוך (250 ביטים לשנייה (bits/s‏) עד 50 קילו-ביטים לשנייה (Kbits/s‏), תלוי בתדר גל נושא) וצריכת הספק נמוכה ביותר (עבור חיי סוללה של עד עשר שנים, תלוי ביישום). טבלה 1‏ מדגימה כיצד LoRaWAN משתווה לטכנולוגיות IoT‏ אחרות.

טבלה 1: LoRaWAN‏ היא פרוטוקול אלחוטי LPWAN IoT עם מאפיינים המתאימים לעבודה בקצב העברה נמוך, טווח גדול. הטבלה מראה כיצד היא משתווה לטכנולוגיות IoT‏ אחרות. (מקור תמונה: Semtech)

מפרטי ה-LoRa‏ מגדירים את השכבה הפיזית (PHY) וטכניקת האפנון התומכת ב-LoRaWAN. שכבת ה-Media Access Control‏ (MAC) של מחסנית הפרוטוקול מוגדרת על ידי סטנדרט ה-LoRaWAN (איור 1‏).

איור 1‏: שכבה פיזית (PHY) וטכניקת אפנון LoRa, ו-LoRaWAN MAC ועוד שכבת היישום, מרכיבות את מחסנית הפרוטוקול LoRaWAN. (מקור תמונה: Semtech)

חשוב עבור טווח הטכנולוגיה הוא השימוש‏ של צורה מותאמת של אפנון direct sequence spread spectrum‏ (DSSS). ה-DSSS‏ מפזר את האות בתחום רוחב-פס רחב יותר מרוחב-פס המידע המקורי, בכך הופך אותו לפחות רגיש להפרעות ומגדיל טווח. חיסרון של ה-DSSS‏ הוא שהוא דורש שעון ייחוס מדויק מאוד (ויקר). טכניקת ה-LoRa Chirp Spread Spectrum‏ (CSS)‏ מציעה חלופת DSSS ‏הספק-נמוך זולה המבטלת את הצורך בשעון. CSS‏ מפזרת את ספקטרום האות על ידי יצירת אות‏ Chirp‏ המשתנה בתדר באופן רציף (איור 2‏).

איור 2: טכניקת LoRa CSS‏ מפזרת את ספקטרום האות על ידי יצירת אות‏ Chirp‏ המשתנה בתדר באופן רציף. הטכניקה מבטלת את הצורך בשעוני הייחוס היקרים המשמשים ב-DSSS‏. (מקור תמונה: Semtech)

תוך שימוש ב-CSS‏, היסטי התזמון והתדר בין המשדר למקלט שווים, ובכך מפחיתים עוד יותר את המורכבות של תכנון המקלט. אפנון LoRa‏ כולל גם תוכנית‏ תיקון שגיאות משתנה המשפרת את החוסן של האות המשודר, ובכך מגדילה עוד יותר את הטווח. התוצאה היא מאזן ערוץ (link budget) הספק שידור (Tx) ורגישות קליטה בדציבל-מיליוואט (dBm‏) של בערך ‎154 dBm‏, דבר המאפשר לשער (Gateway) יחיד או תחנת בסיס יחידה לכסות ערים שלמות.

בצפון אמריקה, LoRaWAN משתמשת בהקצאת הספקטרום התעשייתי, המדעי והרפואי (ISM) של 902 עד 928 מגה-הרץ (MHz‏). הפרוטוקול האלחוטי מגדיר 64 X‏ 125 קילו-הרץ (kHz‏) ערוצי קישור-מעלה מ-902.3 עד 914.9‎ MHz‏ באינקרמנטים של ‎200 kHz‏. ישנם שמונה ערוצי קישור-מעלה נוספים של ‏500‎ kHz‏ באינקרמנטים של ‎1.6 MHz‏ מ-‎903 MHz‏ עד ‎914.9 MHz‏. שמונת ערוצי הקישור-מטה הם ברוחב של ‎500 kHz, החל מ-923.3‎ MHz‏ עד ‎927.5 MHz‏. הספק ה-TX המקסימלי בצפון אמריקה הוא 30‎ dBm‏, אבל עבור מרבית היישומים הספק TX של 20‎ dBm הוא מספיק. תחת תקנות U.S. FCC‏ אין מגבלות יחס-מחזור, אך יש זמן השתהות מקסימלי של 400 מילי-שנייה (ms‏) לערוץ.

רישות אריג (Mesh networking) הוא‏ טכניקה להגדלת טווח על ידי קידום מסרים בין צמתים כדי להגיע לקצה הרשת, אך הוא מוסיף מורכבות, מפחית קיבולת ומקצר אורך חיי סוללה. במקום להשתמש ברישות אריג, LoRaWAN משתמשת בטופולוגיית כוכב בה כל אחד מהצמתים (טווח-גדול) מתחבר ישירות עם שער (Gateway). צמתים אינם מקושרים עם שער (Gateway) ספציפי. במקום זה, נתונים משודרים על ידי צומת נקלטים בדרך כלל על ידי שערים (gateways) מרובים. כל שער מקדם אחר כך את המנה (packet) שהתקבלה מצומת הקצה לשרת הרשת מבוסס-הענן דרך צורה מסוימת של Backhaul (בדרך כלל סלולרית, Ethernet‏, לווין או Wi-Fi‏) (איור 3‏).

איור 3: LoRaWAN משתמשת בטופולוגיית כוכב בה כל התקן קצה מתחבר ישירות עם שער (Gateway) אחד או יותר. כל שער מקדם אחר כך את המידע לשרת הרשת מבוסס-הענן באמצעות חיבור Backhaul. (מקור תמונה: Semtech)

כדי לממש רשת כוכב לטווח-גדול, השער (Gateway) חייב להיות מסוגל לקבל מסרים ממספר גדול של צמתים. LoRaWAN משיגה קיבולת גבוהה זו על ידי שימוש בקצב נתונים‏ אדפטיבי ושימוש בשערים (Gateways) שיכולים לקלוט מסרים סימולטניים בערוצים מרובים. שער (Gateway) יחיד של שמונה ערוצים יכול לתמוך במספר מאות אלפי מסרים ליום. בהנחה שכל התקן-קצה שולח עשרה מסרים ליום, שער (Gateway) כזה‏ יכול לתמוך בערך ב-10,000 התקנים. אם דרושה קיבולת גבוהה יותר, ניתן להוסיף שערים (Gateways) נוספים לרשת.

ערכת התחלה LPWAN‏ עבור יצירה מהירה של אב-טיפוס

טכנולוגיות LPWAN‏ הן מורכבות ויכולות להוות אתגר למהנדס בלתי מנוסה. על המפתח לא רק להקים את ההתקן-הסופי האלחוטי עם חיבור איתן ומאובטח, אלא גם לממשק אותו לשער (Gateway), להתאימו להיות חלק מהרשת ואחר כך לבצע את החיבור לפלטפורמת IoT‏ ענן.

בנייה זו של פתרון ‏LoRaWAN IoT‏ מקיף הופכת לפשוטה יותר על ידי שימוש ‏בערכת התחלה מותאמת, כמו ערכת התחלה XON-9-L1-KIT-001 LoRaWAN של Digi (איור 4‏). עם ערכת התחלה כזאת, מהנדס יכול להתוודע במהירות לכל צעד בתהליך, להיות בטוח בידיעה שהשלב הבאה ניתן לשילוב במהירות. כתוצאה מכך, אחד שאינו מומחה יכול ליצור במהירות אב-טיפוס של פתרון LoRaWAN IoT‏ שלם.

איור 4‏: ערכת ההתחלה XON-9-L1-KIT-001 LoRaWAN כוללת את כל הדרוש כדי ליצור אב-טיפוס של חיבור‏ רשת, כולל את שער ה-HXG3000 Ethernet‏, קישור-מעלה וקישור-מטה, לוח הרחבה-לקוח (Client Shield), אנטנה, ספק-כוח וממשק‏ תכנות. (מקור תמונה: Digi)

LoRa‏ כוללת קטגוריות התקנים המתפשרות על שיהוי תקשורת קישור-מטה של רשת תמורת אורך חיי סוללה; ערכת ההתחלה Digi מספקת תמיכה עבור LoRaWAN Class A (הספק נמוך ביותר, התקני קצה דו-כיווניים), ו-Class C‏ (שיהוי נמוך ביותר, מקלט התקן-קצה במצב-מופעל תמידי, התקני קצה דו-כיווניים).

ערכת ההתחלה מספקת את כל הדרוש כדי ליצור אב-טיפוס LoRaWAN במהירות ובאופן מאובטח. ספציפית, הוא כולל קישור-מעלה/קישור-מטה, לוח הרחבה או “Client Shield‏” עם מודול LoRaWAN, נורית‏ LED‏, כניסה דיגיטלית, חיישני טמפרטורה, שער (Gateway)‏‏ Digi ‏8-ערוצים LoRaWAN HXG3000 Ethernet, ‏ממשק תכנות יישום (API) מפתח משובץ וחשבון ניסיון חינמי של‏ 30 ימים עבור פלטפורמת התקן-לענן עם הכנה ניידת scan-and-go.

שער (Gateway) ה-HXG3000 מספק דרך LoRaWAN תקשורת דו-כיוונית, טווח-גדול, ללא קו-ראיה, ויכול לטפל בעד 1.5 מיליון מסרים ליום. המוצר כולל רדיו ‏רב-כיווני של ‎1.7 dBm, הספק שידור של עד 27‎ dBm‏ ורגישות קליטה של 138‎ dBm-‏. הפעולה נמצאת בפס ללא-רישיון בארה"ב מ-902 עד 928‎ MHz‏. ההתקן מוזן מספק‏ AC‏ או אספקת-כוח-על-Ethernet ‏(PoE). קיימים דגמי LTE Cat M1 Backhaul ו-Ethernet‏.

לוח ההרחבה Digi LoRaWAN Client Shield הוא החלק בערכת ההתחלה התומך במהנדסים המבקשים ליצור אב-טיפוס ולפתח חיישני LoRaWAN. הוא מספק קישוריות למבחר Nucleo של STMicroelectronics (לדוגמה ה-NUCLEO-L053R8) ולוחות פיתוח מיקרו-בקר Arduino ARM Keil® Cortex®-M class עבור קישוריות LoRaWAN צד-לקוח (Client-side‏). בנוסף למחברים מגובבים Arduino, לוח ההרחבה Client Shield‏ כולל ‏חיישן טמפרטורה תרמיסטור הספק-נמוך, מתג החלקה כניסה דיגיטלית ונורית LED בצבעים אדום, ירוק, כחול ‏(RGB) מבוקרת דיגיטלית. ללוח ההרחבה (Shield) יש מחבר‏ U.FL והאנטנה הנלווית כלולה כחלק מהערכה. לוח ההרחבה (Shield) כוללת גם את מודול ה-LoRaWAN שעובד בפס ללא-רישיון בארה"ב של 902 עד 928‎ MHz‏. הספק השידור הוא 14 עד ‎20 dBm‏ (איור 5‏).

איור 5‏: לוח ההרחבה-לקוח (Shield‏ Client‏) XON-9-L1-KIT-001‏, מאכסן את מודול ה-LoRaWAN, ניתן להרכבה על STMicroelectronics Nucleo‏ (מוצג כאן) או לוח פיתוח Arduino. (מקור תמונה: Digi)

ה-Digi X-ON‏‏ היא פלטפורמה שלמה של התקן-לענן עבור התקני קצה IoT. הפלטפורמה מספקת פתרון פיתוח כמו גם פתרון ענן ‏עובד. ה-X-ON כוללת שרת רשת‏ LoRaWAN משולב ומצטרפת לשרת לתמוך בהתקנים ושערים (Gateways) המריצים את הפרוטוקול האלחוטי LoRaWAN. השרת המצורף מטפל בזרימה המצורפת, כולל אימות שרת רשת ויישום ויצירת מפתח Session.

הפלטפורמה מאפשרת למפתח לבצע את הפעולות הבאות:

• להגדיר תצורה, לנטר ולבצע דיאגנוסטיקה של התקנים או שערים (Gateways) מהאינטרנט וממשק נייד
• ‏להפוך פריסת התקנים ושערים לאוטומטית עם האפליקציה המסופקת
• לנהל שערי רשת אלחוטית
• לאסוף ולנתח נתונים ישירות מהתקני קצה
• להשתמש ב-API בין-עננים‏ עבור נתוני התקן דו-כיווניים בזמן-אמת בין פלטפורמות ענן מרובות
• לתעד ולהתחקות אחר מסרים של נתוני זמן-אמת עבור פעולות אינטראקטיביות ולאתר תקלות עם התקני קצה ושערים (Gateways)
• לבצע אינטגרציה של נתונים באמצעות ממשקי API‏ פתוחים כדי לפתח יישומים מורכבים יותר עם שירותי (utilities) צד-שלישי (איור 6‏)

איור 6: ה-Digi X-ON‏ היא פלטפורמת התקן-לענן עבור התקני קצה IoT המאפשרת למפתח להפוך פריסה של התקנים ושערים (Gateways) לאוטומטית עם אפליקציית הסמארטפון המסופקת. המפתח יכול אחר כך להגדיר תצורה, לנטר ולבצע דיאגנוסטיקה של התקנים או שערים (Gateways) מהאינטרנט וממשק נייד. (מקור תמונה: Digi)

צעדים ראשונים ב‏פרויקט LoRaWAN

מאחר ולוח ההרחבה-לקוח (Client Shield)‏, ה-STMicroelectronics Nucleo‏ ולוחות הפיתוח Arduino משתמשים במיקרו-בקרים משובצים ARM Keil ולכן "מאופשרים ARM Keil Mbed‏", צעדים ראשונים בפרויקט עם ערכת ההתחלה Digi הם יחסית פשוטים. (ARM Keil Mbed‏ היא‏ פלטפורמה ומערכת הפעלה (OS‏) עבור התקני IoT‏ המבוססת על מיקרו-בקרים ARM Keil Cortex M-class.) לוח ההרחבה-לקוח (Client Shield)‏ כולל‏ שפת פקודות AT משובצת ו-API משובץ ++ARM Keil Mbed C מפושט המתוכנן להעלים את מורכבויות התכנון כדי לפשט את הפיתוח.

תאימות Mbed של ערכת ההתחלה Digi LoRaWAN‏ מאפשרת עבודת פיתוח יישום תוך שימוש במשאבים מקוונים Mbed של ARM Keil. המשאבים כוללים שלוש אפשרויות. הקומפיילר המקוון Mbed‏ מאפשר למפתח להתחיל מיד בפיתוח יישום מבלי להתקין דבר. כל מה שצריך הוא חשבון Mbed.

עבור פיתוח יישום מתקדם יותר, ערכת ההתחלה Digi LoRaWAN ניתנת לחיבור ל-Mbed Studio, סביבת פיתוח משולבת (IDE) שולחנית‏ עבור יצירה, קמפול וניפוי-באגים של תוכניות Mbed . לבסוף, ישנו ה-Mbed CLI, כלי Command Line‏ ‏שיכול להיות משולב ב-IDE המועדף של המפתח.

הנתיב המהיר ביותר לפיתוח הוא ראשית לכונן את חשבון ה-Digi X-ON. הצעד הבא, המפתח צריך להירשם לחשבון קומפיילר מקוון Mbed. אחר כך, אחרי הרכבת ה-Client Shield‏ על לוח הפיתוח, המכלול חייב להיות מחובר למחשב שולחני תוך שימוש בכבל USB. נוריות ה-PWR” LED“‏ על ה-Client Shield וה-COM” LED“ על לוח הפיתוח ידלקו ויציינו שהאלקטרוניקה מופעלת.

אחר כך, הקומפיילר המקוון Mbed‏ יוביל את המפתח דרך מספר צעדים פשוטים כדי להוסיף את פלטפורמת החומרה לקומפיילר. עם הוספת החומרה, ניתן ליבא קוד אל הקומפיילר מהדוגמאות של יישומי חיישנים במאגר ה-Mbed (או ספריות אחרות) ולהוריד אותו אל לוח הפיתוח. ניתן גם להשתמש בקומפיילר לשנות את תצורת ה-LoRaWAN כמו קטגוריית התקן ואופן צרוף רשת (איור 7‏).

איור 7: פשוט לשנות את תצורת ה-LoRaWAN כמו קטגוריית התקן ואופן צרוף הרשת תוך שימוש בקומפיילר מקוון ARM Keil Mbed. (מקור תמונה: Digi)

בהנחה שהשער (Gateway) עובד, ה-Client Shield‏/לוח הפיתוח יצטרף לרשת ויתחיל לשלוח נתונים במעלה-הקישור כל 15 שניות‏ (מצב ברירת-המחדל). על עמוד חשבון ה-X-ON, ברגע שכפתור ה-“Stream” נלחץ, נתונים משודרים מההתקן יוצגו על המסך.

מסקנה

עבור מתכננים של רשתות חישה ומפעיל (Actuator)‏ IoT, ‏LoRaWAN מציעה גישת RF ללא-רישיון, טווח של עשרות קילומטרים, צריכת הספק נמוכה, אבטחה ומדרגיות טובות וקישוריות איתנה. אולם, בדומה לפרוטוקולים רבים של IoT‏, יכול להיות מאתגר לעסוק בקישוריות התקן סופי, אספקה (Provisioning‏), שערים (Gateways) והזרמת נתוני חיישן לענן.

כמתואר, ערכת ההתחלה Digi LoRaWAN עונה על רבות מבעיות אלו. היא כוללת Client Shield עם API משובץ ++ARM Keil Mbed C מפושט, שער (Gateway)‏ LoRaWAN עם Ethernet backhaul ‏ופלטפורמת התקן-לענן X-ON עם אספקה ניידת scan-and-go. על ידי שימוש בערכת ההתחלה, המפתח יכול להיות מוכן לריצה במהירות עם אב-טיפוס חומרה LoRaWAN, לפתח וליבא קוד יישום חיישן ומפעיל (Actuator) ולנתח ולהציג נתונים תוך שימוש בפלטפורמת ענן.