פיתוח מהיר של חיבוריות לטווחים ארוכים עם מודול מורשה LoRaWAN

ביישומים מבוססי-חיישנים רבים בנפח גדול עבור חקלאות, מעקב נכסים, תשתיות ואינטרנט של דברים (IoT), המפתחים צריכים לספק חיבוריות מאובטחת על פני תחומי פעולה נרחבים. מתוכנן לתמוך ברשתות גדולות ביותר של התקנים כאלה, פרוטוקול הרשת לטווחים ארוכים ולאזורים רחבים (LoRaWAN)יכול לספק פתרון יעיל, אך הוא דורש היכרות ומומחיות מתאימות כדי לממש במהירות תת-מערכת ממוטבת לתקשורת.

מאמר זה מתאר בקצרה את ה-LoRaWAN ואת היכולות שלו. לאחר מכן הוא מציג מודול מורשה-LoRaWAN של Murata Electronics המציע למפתחים פתרון Drop-In‏ עבור השגת חיבוריות לטווחים ארוכים ביותר באמצעות רשתות אזור-רחב בהספק-נמוך (LPWAN). כדי להאיץ את הכנת האב-טיפוס, מוצגים גם לוח הפיתוח והתמיכה בתוכנה שלו.

מה זה LoRaWAN?

בין אפשרויות החיבוריות האלחוטית הזמינות, LoRaWAN התפתח כפתרון יעיל עבור יישומים מבוססי-שרת המתחברים להתקני קצה בהספק נמוך הממוקמים הרבה מעבר לטווח של אפשרויות אלחוט מוכרות כגון Wi-Fi או Bluetooth. ברשת LoRaWAN, שרתי יישומים מתקשרים דרך רשתות קונבנציונליות של פרוטוקול בקרת שידור/פרוטוקול אינטרנט (TCP/IP) עם שערי LoRaWAN (איור 1).

איור 1: ביישום רשת LoRaWAN טיפוסי, השרתים מתחברים לשערים אשר בתורם משתמשים ביכולות הטווח הארוך וההספק הנמוך של טכנולוגיית LoRa לחיבור התקני קצה שיכולים להיות ממוקמים במרחק של קילומטרים רבים מהם. (מקור התמונה: Murata Electronics)

שערי LoRaWAN, בתורם, מתקשרים עם התקני הקצה באמצעות טכנולוגיית תדרי רדיו (RF) של תת-גיגה-הרץ LoRa הפועלת בפסי התדרים ללא-רישיון של תעשייה, מדע ורפואה (ISM‏). טכנולוגיית LoRa, המיועדת עבור יישומי קצב ביטים נמוך יחסית, מציעה קצב ביטים מקסימלי של כ-10 קילוביט לשנייה (Kbits/s), אך יש לה יתרונות ייחודיים עבור יישומים לטווחים ארוכים.

מבוסס על טכנולוגיית Spread Spectrum‏, LoRa RF‏ מאפשר למפתחים פשרות בין קצב הביטים לבין הטווח ובכך להשיג בקלות תקשורת דו-כיוונית אמינה במרחקים של מעל 15 קילומטרים (ק"מ) באזורים כפריים או מעל 5 ק"מ בתוך מבנים באזורים עירוניים צפופים.

פרוטוקול LoRaWAN מגן על תעבורת התקשורת הודות למודל האבטחה של LoRaWAN. LoRaWAN משתמש בזוג מפתחות אבטחה: אחד כדי להבטיח אותנטיות ושלמות ברמת המנות (Packet‏) והשני כדי לספק אבטחה מקצה-לקצה של הודעות בין התקני הקצה לבין שרתי היישומים.

פרוטוקול LoRaWAN מציע יתרונות נוספים עבור איזון צריכת ההספק של התקני הקצה מול צורכי התקשורת של היישום. רשת LoRaWAN מאפשרת להתקנים לפעול באחת משלוש קטגוריות: Class B, Class A או Class C. התקן בכל קטגוריה יכול להעביר הודעות לפי הצורך, אך הקטגוריה שלו קובעת מתי הוא יכול לקבל הודעות.

התקני Class A הם היעילים-אנרגטית ביותר, ומתוכננים עבור פעולה מונעת-אירועים, למשל כאשר חיישן מזהה שינוי בסביבתו. התקני Class A יכולים להישאר באופן שינה בין האירועים ולהתעורר רק לאחר שקליטת נתוני החיישנים היא ארוכה דיה כדי לשדר נתונים, ולאחר מכן לפתוח חלונות קליטת קישור-מטה בשיהויים מוגדרים (RX1 ו-RX2) לאחר שידור קישור-מעלה (איור 2).

איור 2: הקטגוריה החסכונית ביותר באנרגיה מבין קטגוריות ה-LoRaWAN‏, Class A, מאפשרת להתקנים להיות באופן שינה זמן רב ככל האפשר, והופכת לפעילה רק כדי לשדר נתונים (קישור-מעלה) לשערים ולאחר מכן לפתוח חלון קליטה ראשון (RX1) וחלון קליטה שני (RX2) לאחר שהקישור-מעלה הושלם. (מקור התמונה: Murata Electronics)

התקני Class B תומכים בפעולה מחזורית לפי לוח הזמנים הנדרש על ידי היישום. עבור התקני Class B, פרוטוקול LoRaWAN מאפשר להתקנים לפתוח חלון קליטה לקישור-מטה בלוח זמנים מוגדר, באמצעות משואה המשודרת מהשער כדי לסנכרן את התקן הקצה עם הרשת (איור 3).

איור 3: התקני LoRaWAN Class B מאפשרים קישורי-מטה מסונכרנים באמצעות משואה המשודרת על ידי השער המחובר אליהם כדי לשמור על התזמון. (מקור התמונה: Murata Electronics)

התקני Class C מיועדים ליישומים הדורשים מהתקני קצה להאזין ברציפות להודעות קישור-מטה. מכיוון שהתקני Class C נדרשים להישאר פעילים, הם בדרך כלל מוזנים באמצעות מתח הרשת ולא באמצעות סוללות, כמו בהתקני Class A ואפילו התקני Class B (איור 4).

איור 4: התקני LoRaWAN‏ Class C שמופעלים בדרך כלל על ידי מקור מתח קבוע, תמיד נשארים פעילים, ומאזינים ברציפות להודעות קישור-מטה כאשר אינם משדרים הודעות קישור-מעלה. (מקור התמונה: Murata Electronics)

למרות שהרעיון נראה פשוט לכאורה, מימוש רשת LoRaWAN דורש ידע וניסיון משמעותיים כדי למצוא את האיזון הנכון בין פרמטרי הפעולה המפורטים של פרוטוקול LoRaWAN לבין טכנולוגיית LoRa עליה היא מבוססת.

מודול LoRaWAN המורשה מציע פתרון תואם חומרה

מודול LBAA0QB1SJ-296 של Murata Electronics והקושחה הנלווית אליו מציעים פתרון תואם חומרה להאצת חיבוריות רשת LoRaWAN, ומספק פתרון מלא מורשה-LoRaWAN עבור התקני קצה. המודול משלב את משדר LoRa‏ SX1262 של Semtech, את המיקרו-בקר STM32L072 של STMicroelectronics עם זיכרון Flash של 192 קילו-בייט (Kbyte), מתג RF ומתנד גביש מקוזז טמפרטורה (TCXO). הוא מגיע במארז מסוכך יצוק בשרף במידות של 10.0 x‏ 8.0 x‏ 1.6 מילימטרים (מ"מ) בלבד (איור 5).

איור 5: המודול LBAA0QB1SJ-296 של Murata Electronics, המספק פתרון חיבוריות מלא ל-LoRaWAN, משלב מקמ"ש LoRa‏ SX1262 של Semtech ומיקרו-בקר STM32L072 של STMicroelectronics המריץ חבילת תוכנה LoRaWAN‏ טעונה-מראש. (מקור התמונה: Murata Electronics)

המודול, המוזן מהספקת 3.3 וולט יחידה, צורך רק 15.5 מיליאמפר (mA) ברוחב פס של 125 קילו-הרץ (kHz) בעוד שהוא מציע רגישות קליטה של ‎-135.5 דציבלים ביחס ל-1 מיליוואט (mW‏) (dBm) בשיעור שגיאת מנות של 1% באותו רוחב-פס ובאותו גורם התפשטות מקסימלי. גורם ההתפשטות מוגדר כמספר הציוצים (Chirps‏) לכל ביט במימוש טכנולוגיית Chirp Spread Spectrum של LoRa‏. עבור שידור, המודול מציע הספק שידור של עד dBm‏ 21.5‏+ תוך צריכת mA‏ 118‏ בהספק שידור מקסימלי.

המודול LBAA0QB1SJ-296 תומך ב-LoRaWAN‏ Class‏ A‏, B‏ או C‏, ומציע מספר אופני פעולה בהספק נמוך המאפשרים למפתחים לאזן בין הביצועים לבין צריכת ההספק. עבור התקני קצה מוזני סוללה (הפועלים בדרך כלל ב-Class A או Class B), המודול יכול לפעול באופן הספק אולטרה-נמוך הצורך רק כ-1.3 מיקרואמפר (µA) עם פעולת שעון זמן-אמת, המאפשרת פעולה למשך שנים.

פיתוח מהיר של התקנים מחוברי-LoRaWAN

השימוש במודול LBAA0QB1SJ-296 כדי להוסיף חיבוריות LoRaWAN למערכת התקן-קצה הוא פשוט יחסית. בצד החומרה, המודול מתחבר למעבד-מארח של התקן-קצה דרך ממשק המקמ"ש הא-סינכרוני האוניברסלי (UART) של המודול. מלבד ממשק ה-UART עבור תקשורת המארח, המודול דורש רק אנטנה חיצונית ומספר רכיבים נוספים כדי לספק תת-מערכת חומרת LoRaWAN שלמה (איור 6).

איור 6: באמצעות המודול LBAA0QB1SJ-296 של Murata Electronics, המפתחים צריכים רק כמה רכיבים נוספים כדי להוסיף חיבוריות LoRaWAN מורשית עבור תכני התקן-הקצה שלהם. (מקור התמונה: Murata Electronics)

בצד התוכנה, מודול LBAA0QB1SJ-296 מגיע מוגדר-מראש עם חבילת תוכנה שלמה עבור פעולת ה-LoRaWAN בפס ISM של 915 מגה-הרץ (MHz). כשהמעבד-מארח של התקן-הקצה בפעולה, הוא מנהל ומנטר את פעולת המודול באמצעות מערך פקודות AT.

למרות שממשק החומרה של המודול והקושחה הטעונה-מראש מסייעים להאיץ פיתוח מותאם-במיוחד, לוח ההערכה LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK של Murata מאפשר למפתחים להתחיל בעבודה מיד עם הכנת אב-טיפוס מהירה ופיתוח מואץ של תכני ייצור (איור 7).

איור 7: לוח ההערכה LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK של Murata, שתוכנן להאיץ את ההערכה ואת הכנת האב-טיפוס של חיבוריות LoRaWAN, משלב מודול LBAA0QB1SJ-296 עם התקנים היקפיים ומחברים. (מקור התמונה: Murata Electronics)

לוח ההערכה תומך במודול LBAA0QB1SJ-296‏ על-הלוח באמצעות מספר התקני ממשק משתמש, הכוללים דיודות פולטות אור (LED), תרמיסטור ולחצנים. המפתחים יכולים להמשיך להרחיב את הפונקציונליות של הלוח על ידי הוספת ההתקנים ההיקפיים הנדרשים באמצעות מחברי הלוח Uno V3 של Arduino.

כדי להתחיל להעריך את LoRaWAN עבור היישום שלהם, על המפתחים לחבר רק אנטנת RF‏ ‎915 MHz בגרסה תת-זעירה A‏ (SMA) מתאימה, ומתח הספקה ממקור חיצוני, ולחבר את הלוח דרך מחבר ה-USB שלו למערכת פיתוח מארחת.

לאחר שהלוח מופעל, המפתחים יכולים לבדוק את פעולת המודול באמצעות תוכנית אמולציית הדקים או כלי בדיקה של ממשק משתמש גרפי (GUI) הזמין למשתמשי לוח רשומים. עבור ניפוי שגיאות מורחב, הלוח מספק ניפוי שגיאות בחוט טורי (SWD) ומחבר USB לחיבור מנפה-שגיאות/תכנת ST-LINK של STMicroelectronics.

להערכת יישומים מקצה-לקצה וניפוי-שגיאות בתוכנה, המפתחים יכולים פשוט להוסיף שער LoRaWAN זמין להשלמת קישור התקשורת בין לוח ההערכה לבין שרתי היישומים.

סיכום

פרוטוקול LoRaWAN וטכנולוגיית LoRa העומדת בבסיסו מספקים פתרון יעיל לחיבור התקני קצה על פני מרחקים ארוכים מבלי להתפשר על תקציבי הספק מוגבלים. המודול LBAA0QB1SJ-296 של Murata Electronics, המתוכנן להאיץ את הפריסה של רשתות אזור-רחב בהספק-נמוך, מספק פתרון תואם חומרה מורשה-LoRaWAN. באמצעות לוח ההערכה LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK המבוסס על LBAA0QB1SJ-296 של Murata Electronics, המפתחים יכולים לבנות במהירות אב-טיפוס ולהעריך את יישומי רשת LoRaWAN שלהם.