LoRaWAN jako uzupełnienie infrastruktury Smart City IoT w praktyce

| Technika

W sposób zupełnie naturalny rozwiązania oparte o LoRaWAN wykorzystywane są w rozwiązaniach Smart City, Industry 4.0 i Smart Factory. Obecnie doświadczamy czasów, w których nadzieją jest przemyślana transformacja cyfrowa i właściwa adaptacja rozwiązań IoT w przestrzeni miast i zakładów pracy. Szybka przenoszalność pomysłu z prototypu do rozwiązania komercyjnego. We wszystkich obszarach od hardware poprzez connectivity po software wsparciem w projektowaniu aplikacji IoT są gotowe i wysoce zintegrowane układy. Na rynku pojawiają się uniwersalne moduły, które w znaczny sposób ułatwiają i usprawniają pracę inżynierów-konstruktorów i umożliwiają szybkie przeniesienie pomysłu z obszaru wirtualnego do rzeczywistego prototypu, a finalnie do rozwiązania komercyjnego.

LoRaWAN jako uzupełnienie infrastruktury Smart City IoT w praktyce

Aplikacje IoT a wyzwania związane ze sprzętem

Praktyczna adaptacja i realizacja rozwiązań z obszaru Internetu Rzeczy napotyka wiele przeciwności. Największe wysiłki, jakim stawiają czoła inżynierowie i projektanci, skupione są na odcinku eliminacji ograniczeń w obszarze konsumpcji energii i zasięgu, czyli sprostaniu wymaganiom minimalnego poboru prądu przy maksymalnie dużym zasięgu.

Brak wystarczających zasobów energii w długiej jednostce czasu w urządzeniach bateryjnych pozbawionych możliwości doładowania ze źródeł odnawialnych (jak panele fotowoltaiczne, generatory mechaniczne i piezoograniczenia częstotliwości interakcji urządzeń z systemami składowania danych (małej liczby wybudzeń i transmisji danych). Niejednokrotnie skutkuje koniecznością ograniczenia mocy nadajnika w części komunikacyjnej, co w rezultacie obniża skuteczny zasięg. Oznacza to zmniejszanie potencjału biznesowego budowanego rozwiązania co nierzadko przesądza o nieopłacalności inwestycji wdrożenia na rynek, na czym finalnie tracimy my jako użytkownicy i firmy jako producenci.

Zapewnienie komunikacji bezprzewodowej w rozwiązaniach IoT wymaga podjęcia decyzji w zakresie doboru właściwej techniki komunikacyjnej, co łączy się z wyborem pomiędzy zdecydowaniem się na pracę w pasmach licencjonowanych lub nielicencjonowanych. Oparcie komunikacji na sieci komórkowej GSM daje możliwość przeniesienia dużej części ciężaru projektu na infrastrukturę telekomunikacyjną, ale niesie za sobą konsekwencje w postaci dodatkowych opłat i ograniczeń związanych m.in. z większymi stratami energii. Wybranie standardu komunikacji jakim jest CAT.M albo NB-IoT znacznie poprawia bilans energetyczny, ale do wielu rozwiązań nadal jest to poziom nieakceptowalny.

W takim przypadku dobrym rozwiązaniem jest zastosowanie techniki komunikacyjnej pracującej w paśmie nielicencjonowanym, najbliżej odpowiadającej poziomowi bezpieczeństwa i uniwersalności sieci GSM i zapewnienie mniejszego zużycia energii, nawet o kilka rzędów wielkości.

Dlaczego LoRa WAN? Działanie i korzyści

W zaledwie kilka lat sieci LoRaWAN stały się jedną z najpopularniejszych technik komunikacyjnych wspierających rozwój urządzeń Internetu Rzeczy. Wzrostowi popularności sprzyja stale rosnące zapotrzebowanie rynku na możliwie w jak największym stopniu bezobsługowe rozwiązania bateryjne bądź nawet zasilane energią wolnodostępną. Dynamiczny wzrost liczby takich aplikacji wynika z cech, które leżały u podstaw tworzenia założeń tej sieci, czyli zapewnienia maksymalnego zasięgu komunikacji przy optymalizacji poboru energii. Transmisja odbywa się w nielicencjonowanych pasmach radiowych w sieciach o topologii gwiazdy w dwóch warstwach logicznych:

  • fizycznej – gdzie stosowana jest modulacja LoRa z rozpraszaniem widma polegającym na zmianie częstotliwości w czasie przy zachowaniu określonej szerokości pasma,
  • MAC – definiującej protokół umożliwiający komunikację w ramach sieci LoRaWAN.

Takie rozwiązanie zapewnia wysoki poziom odporności na zakłócenia co przekłada się na zasięg. W terenach niezurbanizowanych dochodzi on do około 30 km, a w terenach silnie zurbanizowanych do 2 km w zależności od lokalnych warunków propagacyjnych. Warto wspomnieć, że osiągane są lepsze wyniki niż 30 km, ale w ściśle określonych i bardzo sprzyjających warunkach. Dostępna przepustowość transmisji w LoRa mieści się w przedziale 0,3–50 kbps. Jest to zatem rozwiązanie odpowiednie dla usług niewymagających przesyłania danych w czasie rzeczywistym, gdzie okresowa komunikacja i opóźniania są akceptowalne.

 
Rys. 1. Schemat działania LoRa WAN z użyciem płyty ewaluacyjnej Masters z STM32WL oraz platformy IoT firmy Orange Polska

Topologia rozszerzonej gwiazdy LoRaWAN składa się z urządzeń końcowych (end-point) i bram sieciowych (gateway). Rolą bramy jest agregacja komunikacji z urządzeń i przesłanie danych na wskazany serwer sieciowy. Z założenia brama dla urządzeń końcowych powinna być przezroczysta, pomijając zarządzanie uprawnieniami dostępu.

Warto dodać, że LoRaWAN umożliwia obecnie prowadzenie skutecznej lokalizacji urządzeń końcowych poprzez pomiar poziomu sygnałów przy użyciu matematycznej metody triangulacji.

Od prototypu do rozwiązania komercyjnego

Prototypowanie to konieczny, ale i kosztowny etap poprzedzający wdrożenie produktu do seryjnej produkcji, angażujący zasoby i cenny czas zespołów projektowych. Z definicji charakteryzuje się złożonością i niepewnością, jeśli chodzi o uzyskany efekt końcowy. Celem prototypowania jest umożliwienie weryfikacji założeń mechanicznych i elektronicznych, zidentyfikowanie problemów funkcjonalnych przed rozpoczęciem produkcji oraz zapewnienie optymalizacji kosztów produkcji masowej. W rezultacie całość działań ma umożliwić użycie prototypu do celów demonstracyjnych z możliwością przeniesienia części know-how wprost do rozwiązania komercyjnego.

A gdyby przyspieszyć fazę prototypowania? Płyta ewaluacyjna firmy Masters z pierwszym na świecie SoC z LoRa

Płyta ewaluacyjna Masters opiera się na układzie radiowym STM32WL firmy ST Microelectronics, wykonanym w technologii SoC – transceiver z modulacją LoRa zintegrowany z wydajnym mikrokontrolerem wyposażonym w rdzeń Cortex M4. Układ jest pionierem rodziny STM32 w zakresie łączności bezprzewodowej w paśmie sub-GHz, oferując łatwość użytkowania i niezawodność.

Wyróżnikiem układu ewaluacyjnego Masters z STM32WL jest zapewnienie użytkownikowi platformy prototypowej zawierającej najistotniejsze elementy konieczne na etapie prototypowania bez zbędnego prowadzenia dodatkowych połączeń. Układ zawiera wbudowaną antenę PIFA firmy Proant, charakteryzującą się wysoką stabilnością i odpornością na odstrojenie częstotliwościowe, nawet w bliskiej odległości elementów metalowych lub dłoni. Płyta ewaluacyjna jest ponadto wyposażona w gniazdo SMA dla anteny zewnętrznej i zapewnia możliwość testów wszędzie tam, gdzie wymogiem w trakcie adaptacji aplikacji jest konieczność zastosowania anteny oddalonej o dużym zysku energetycznym.

Przełączanie pomiędzy anteną PIFA a złączem SMA dla maksymalnej użyteczności i wygody odbywa się programowo. Ponadto zamontowano na płytce czujnik wilgotności i temperatury HTS221 jako źródło danych rzeczywistych na etapie testów. Zastosowanie baterii sprawia, że układ może być rozwiązaniem autonomicznym umożliwiającym pierwszy etap prototypowania w fazie testów PoC.

 
Rys. 2. Płyta ewaluacyjna Masters z STM32WL – pierwszym na świecie SoC z LoRa

Zastosowany mikrokontroler posiada dobrze znany rdzeń Arm Cortex-M4, a układ radiowy oparty jest na IP core SX126x. Układ może pracować nie tylko z modulacją LoRa, oferuje również obsługę wielu standardowych modulacji jak (G)FSK, (G)MSK, BPSK. Dzięki temu w elastyczny sposób wpasowuje się w aplikacje bezprzewodowe z LoRaWAN lub z innym protokołem np. na potrzeby aplikacji IoT. Stos LoRaWAN dostępny jest jako opcja.

Układ opracowany został przy użyciu tej samej technologii, co ta zastosowana w mikrokontrolerach STM32L4, dzięki czemu STM32WL z jednej strony zawiera podobny zestaw peryferiów cyfrowych i analogowych, a z drugiej charakteryzuje się bardzo niskim poborem mocy zapewniającym dużą żywotność baterii.

Aby zapewnić kompatybilność w skali świata, układy STM32WL są wyposażone w dwa wzmacniacze mocy w.cz. (15 dBm oraz 22 dBm) i działają w szerokim zakresie częstotliwości pracy (od 150 MHz do 960 MHz), co pozwala na pracę w całym zakresie nielicencjonowanego pasma radiowego Sub-GHz. Mikrokontrolery STM32WL zawierają wbudowane funkcje sprzętowe, takie jak szyfrowanie AES 128- i 256-bitowe, ochrona przed odczytem/ zapisem PCROP oraz kryptografia klucza publicznego z silnikiem szyfrowania krzywej eliptycznej. Linia STM32WLE5 obejmuje szeroką gamę funkcji komunikacyjnych, w tym do 43 linii GPIO, zintegrowaną przetwornicę DC/DC (SMPS) zapewniającą optymalizację zużycia energii, wiele trybów niskiego poboru mocy w celu maksymalizacji żywotności baterii.

Oferta End-to-End – connectivity dopasowane do Twojej aplikacji

Płyta ewaluacyjna Masters STM32WL to gotowy do użycia w tworzeniu prototypów i testowaniu układ zawierający warstwę sprzętową oraz oprogramowanie. Dzięki partnerstwu biznesowemu firm Masters i Orange Polska oferta obejmuje także wsparcie w obszarze komunikacji z platformami IoT. Łatwość prototypowania to dostarczanie rozwiązań kompleksowych, dostępu do najnowszych układów ewaluacyjnych i zapewnienie dostępu do skalowalnych środowisk chmurowych.

Masters i Orange Polska zapewniają wsparcie dla klienta na każdym etapie tworzenia projektu, od transferu wiedzy w postaci seminariów technicznych i konsultacji inżynieryjnych przez dostarczanie platformy sprzętowej, jakimi są płyty ewaluacyjne wraz z kompleksowym środowiskiem kolekcji danych, po usługi projektowe i produkcję wielkoseryjną. Dzięki całościowemu podejściu klienci zyskują czas, mogą zaoszczędzić fundusze oraz szybciej wprowadzić produkt na rynek.

 

Zachęcamy do kontaktu master@masters.com.pl.
Jerzy Kozieł, Head of R&D, Masters

 

Masters, tel. 58 691 06 91
www.masters.com.pl

Zobacz również

Dostępne nowe wydanie
Pobierz bezpłatnie