Moduły komunikacyjne do sieci LoRa dla aplikacji IoT

Fot. 1. STM32 LoRa Discovery B-L072Z-LRWAN1, na drugim zdjęciu widać koszyk na baterie umieszczony od spodu

Przez wiele lat moduły komunikacyjne pracujące w sieciach komórkowych 2G były podstawą komunikacji bezprzewodowej. Wraz z popularyzacją szybkiej komunikacji w telefonii komórkowej 3G i 4G wiele z równoważnych rozwiązań staje się zbyt skomplikowanych i tym samym zbyt drogich z punktu widzenia potrzeb wielu urządzeń. Mnóstwo urządzeń transmituje mało danych, a szybkość komunikacji jest bez znaczenia.

Komunikacja z dużą prędkością jest też nieoptymalna od strony energetycznej, bo zasięg stacji bazowych jest mniejszy, częstotliwości pracy wyższe itd. Wszystkie te zjawiska i problemy stają się jeszcze bardziej dokuczliwe w środowisku przemysłowym, gdzie komunikacja jest narażona na zakłócenia. Z tego powodu powstają nowe technologie komunikacyjne i standardy, które omijają lub likwidują te niedogodności.

LoRa, Sigfox oraz NB-IoT to nazwy technologii o których mówi się coraz częściej. Są to nazwy sieci bezprzewodowych typu LPWAN (Low Power Wide Area Networks), a więc takich rozwiązań komunikacji, gdzie kosztem znacznego zmniejszenia maksymalnej szybkości transmisji danych powiększono zasięg i sprawność energetyczną łącza. Są one kierowane w stronę aplikacji telemetrycznych i IoT.

Koncepcyjnie obie sieci są podobne do telefonii komórkowej i można traktować je jako rozszerzenie funkcjonalne: mają topologię gwiazdy, w której terminale łączą się z siecią i między sobą za pomocą stacji bazowych działających w darmowych pasmach ISM.

LoRa bazuje na technice rozpraszania widma, zapewnia prędkość transmisji do ok. 50 kbit/s i zasięg w środowisku miejskim 2-5 kilometrów, natomiast w terenie otwartym nawet 15 km. Wykorzystywany jest asynchroniczny protokół, pozwalający na tworzenie wydzielonych sieci prywatnych lub sieci publicznych. Zastosowana modulacja pozwala na odbiór sygnałów 22 dB poniżej progu szumów, a konstrukcja odbiornika gwarantuje selektywność pozwalającą na tłumienie o 69 dB z kanału sąsiedniego odległego o 25 kHz.

Wiele transceiverów FSK ma ten parametr dla pasma 868 MHz rzędu 30 dB, a więc wielokrotnie gorszy. Przekłada się to na zasięg, bo budżet łącza jest nieporównywalnie lepszy. Większość dostępnych na rynku transceiverów ISM pracujących poniżej 1 GHz ma zasięg nieprzekraczający 2 km w otwartej przestrzeni. A pierwszy lepszy układ LoRa ma zasięg do 15 km pomiędzy węzłem a punktem dostępowym dla pracy w paśmie 1 GHz i dziesięciokrotnie lepszą czułość.

Zestawy ST Microelectronics

Fot. 2. Zestaw projektowy I-NUCLEO-LRWAN1 - u góry jako płytka nakładkowa

Zestaw STM32 LoRa Discovery o oznaczeniu B-L072Z-LRWAN1 wykorzystuje rozwiązanie modułowe CMWX1ZZABZ-091 firmy Murata, w którym zintegrowano mikrokontroler STM32L072 oraz transceiver radiowy firmy Semtech SX1276. Całość zapewnia duży zasięg, wysoką odporność na zakłócenia dzięki wykorzystaniu modulacji z rozpraszaniem widma oraz niski pobór mocy. W trybie standby jest to tylko 1,2 µA.

Moduł ma architekturę otwartą od strony sprzętowej i programowej, co oznacza, że projektant ma dostęp do mikrokontrolera i jego układów peryferyjnych, takich jak przetwornik ADC, 16-bitowy timer, interfejsów LP-UART, I²C, SPI oraz USB 2.0 PS. Pozwala to również na wykorzystanie w projekcie dostępnych bibliotek programistycznych STM32L0 HAL i LL oraz daje możliwość rozbudowy projektu za pomocą elementów wchodzących w skład rodziny STM32 Nucleo lub płytek nakładkowych zgodnych z Arduino.

B-L072Z-LRWAN1 ma wbudowane 64-pinowe złącze morpho, złącze zgodne z Arduino V3, gniazdo USB OTG i gniazdo baterii. Są też użyteczne dodatki jak diody LED, przyciski, antena. Tworzenie oprogramowania umożliwia darmowe środowisko programistyczne, w którym jest MDK-ARM IDE, konfigurator STM32CubeMX, programy narzędziowe, interfejs debuggera ST-LINK/V2-1 oraz certyfikowany stos protokołu LoRaWAN (w ramach pakietu I-CUBE-LRWAN).

Użyty mikrokontroler STM32L072CZ z rdzeniem ARM Cortex-M0+ zapewnia dość duże zasoby sprzętowe: 192 KB pamięci Flash, 20 KB RAM i 20 KB EEPROM. Aplikacje czujnikowe obsługuje za pomocą 4-kanałowego 12-bitowego przetwornika ADC, są też dwa przetworniki DAC, 6 timerów, USB 2.0 i inne przydatne peryferia.

Po stronie komunikacyjnej transceiver SX1276 wyróżnia się obsługą modulacji FSK, GFSK, MSK, GMSK i OOK (poza LoRa), co zwiększa uniwersalność zastosowań.

Moc wyjściowa nadajnika to +14 dBm (25 mW) lub +20 dBm (100 mW), czułość odbiornika jest bardzo wysoka -137 dBm (0,032 µV), co daje budżet łącza sięgający 157 dBm. Układy wejściowe odbiornika charakteryzują się dużą odpornością na zniekształcenia intermodulacyjne (IIP3 = -12,5 dBm). Jest wskaźnik siły sygnału RSSI, programowany syntezer częstotliwości itp. bloki funkcjonalne. Kompletny moduł wyposażono w gniazdo antenowe SMA, opcjonalnie jest też U.FL. Przełączenie sygnału między gniazdami wymaga modyfikacji połączeń na PCB. ST Microelectronics dodaje do płytki antenę prętową na pasmo 860-930 MHz.

Zasilanie może odbywać się z wykorzystaniem portu USB, napięcia zewnętrznego 3,3 V lub baterii - na spodzie płytki przewidziano koszyk na trzy paluszki AAA. Pobór prądu przez odbiornik wynosi 10 mA. Cena płytki to ok. 40 dol.

LoRa jako płytka nakładkowa

Drugi zestaw projektowy I-NUCLEOLRWAN1 jest płytką rozszerzeń dla STM32 Nucleo lub Arduino, pozwalającą na szybkie dodanie komunikacji wykorzystującej LoRa lub FSK/OOK do istniejącego projektu. Konstrukcja opera się na module LoRa firmy USI z mikrokontrolerem STM32L052T8 (ARM Cortex -M0+ z 64 KB pamięci Flash memory, 8 KB RAM, 2 KB EEPROM) i transceiverze radiowym SX1272 firmy Semtech. Uwagę zwraca niska cena - tylko 25 dol. oraz to, że zawiera ona gotowy do użycia darmowy stos komunikacyjny, z którego można korzystać za pomocą poleceń AT. Oszczędza to znacznie czas przygotowania projektu.

Aby dodatkowo ułatwić projektowanie aplikacji IoT, producent dodał do płytki 3-osiowy akcelerometr LIS2DS12, czujnik ciśnienia MEMS LPS22HB a także czujnik temperatury i wilgotności HTS221. Całość tworzy zatem dobrze wyposażoną i gotową do wykorzystania platformę czujnikową pracującą jako węzeł sieci rozproszonej.

Transceiver charakteryzuje się wysoką czułością -137 dBm (0,032 µV) i szerokim pasmem pracy 860-1020 MHz. Jest zasilany napięciem 2-3,6 V i pracuje w zakresie temperatur od -40 do +85°C. Do komunikacji z modułem wykorzystywany jest UART.