Certyfikowane moduły LoRa czy własne rozwiązanie?

Zrozumienie właściwości nowej technologii bezprzewodowej i wybór odpowiedniego rozwiązania sprzętowego dla tworzonej aplikacji może być wyczerpujące. Projektowanie układów radiowych (RF) zwykle wymaga dogłębnej wiedzy na temat zagadnień w.cz., prób i badań, co wydłuża czas projektowania i wymagany nakład pracy.

W tym artykule przedstawiono cztery główne elementy architektury sieci LoRa i szczegółowo omówiono niektóre z najczęstszych problemów, z jakimi mierzą się projektanci podczas tworzenia węzłów sieci. Zaprezentowano również, w jaki sposób można ułatwić sobie pracę, wykorzystując gotowe, certyfikowane moduły LoRa po to, aby skrócić czas wprowadzania na rynek.

Architektura sieci LoRaWAN

LoRa to technika modulacji bezprzewodowej lub jej warstwa fizyczna, która pozwala urządzeniom końcowym na wymianę informacji na duże odległości przy niskim poborze mocy. Natomiast LoRaWAN to protokół sieci bezprzewodowej, który działa jako oddzielna warstwa kontrolna (Media Access Control, MAC) i jest zaimplementowany na wierzchu warstwy fizycznej LoRa. Specyfikacja LoRaWAN definiuje protokół komunikacyjny i architekturę sieci, co ma na celu zapewnienie bezpiecznej komunikacji urządzeń końcowych i interoperacyjności (zdolności do wymiany danych ze sprzętem innych producentów). Sieć LoRa składa się z czterech elementów, jak pokazano na rysunku 1.

 

Rys. 1. Elementy składowe sieci LoRa

1. Węzły końcowe to elementy środowiska sieci LoRa, które gromadzą dane z czujników i przesyłają je dalej. Są one na ogół połączone w sieć bezprzewodową i są zasilane bateryjnie.
2. Brama jest transparentnym mostem dla danych wymienianych między węzłami końcowymi a serwerem sieciowym. Zazwyczaj węzły końcowe używają protokołu LoRaWAN do łączenia się z nią, podczas gdy brama wykorzystuje inne sieci, np. o dużej przepustowości takie jak Wi-Fi, Ethernet lub sieć komórkową, do łączenia z innymi sieciami i zasobami.
3. Serwer sieciowy łączy się z wieloma bramami. Gromadzi odebrane od nich dane, odfiltrowuje zduplikowane wiadomości, decyduje, która brama powinna obsługiwać komunikaty z danego węzła końcowego i reguluje szybkości transmisji, aby wydłużyć żywotność baterii w węzłach.
4. Serwer aplikacji zbiera dane z węzłów końcowych i kontroluje działanie węzłów.

Przyjrzyjmy się bliżej węzłom LoRa i wyzwaniom związanym z ich projektowaniem. Węzły sieci to proste urządzenia, takie jak czujniki i elementy wykonawcze i pracujące na końcu połączenia sieciowego. Są to zwykle właśnie "rzeczy" w IoT. W środowisku LoRaWAN węzły komunikują się one z serwerem sieciowym przez jedną lub wiele bram.

Najczęściej węzły LoRa są prostymi aplikacjami zasilanymi z baterii, które muszą być niedrogie w produkcji i energooszczędne. W zależności od czasu, który można poświęcić na ich opracowanie, kosztów, zużycia energii i wiedzy na temat układów RF, można zdecydować się na kilka opcji. Zanim jednak przyjrzymy się dostępnym możliwościom, wymienimy niektóre z najczęstszych problemów, z którymi mierzą się projektanci. Rozważania te mogą pomóc wybrać odpowiedni produkt.

Projekt układu RF

Podobnie jak w przypadku każdego innego układu komunikacji bezprzewodowej, do projektowania węzłów końcowych sieci LoRa potrzebna jest wiedza specjalistyczna w zakresie układów radiowych. Korzystając z układów scalonych SoC/SiP, inżynier musi cały projekt RF wykonać samodzielnie, w tym stworzyć schemat, BOM, mozaikę PCB, obwody dopasowania anteny i podobne. Nawet korzystając z najlepszej dokumentacji i not aplikacyjnych, projektowanie toru radiowego nie zawsze jest łatwe. Takie podejście wydłuża czas tworzenia aplikacji, bo trzeba wiele koncepcji wypróbować. Uruchamianie prototypów układów RF wymaga również posiadania aparatury, co zwiększa koszty projektu. Z tego powodu niektórzy dostawcy oferują układy SoC/SiP razem z wyczerpującą dokumentacją, certyfikowanymi projektami referencyjnymi i chipy w wielu obudowach do integracji chip-down. To jest podejście pośrednie. Najkrótszy czas projektowania i najmniejsze ryzyko, przynosi użycie gotowego, przetestowanego i certyfikowanego modułu LoRa, który może stanowić kompletne rozwiązanie w formie pojedynczego komponentu.

 

Rys. 2. Schemat blokowy modułu LoRa WLR089U0

Zgodność z przepisami i certyfikaty

Transceivery LoRa/sub-GHz zazwyczaj działają w nielicencjonowanych pasmach częstotliwości ISM, a wykorzystywane częstotliwości różnią się w zależności od regionu, co sprawia, że zapewnienie działania urządzenia w dowolnej lokalizacji jest wyzwaniem dla projektantów warstwy sprzętowej i deweloperów oprogramowania. Celem jest uzyskanie w pełni zgodnego z wymaganiami prawnymi rozwiązania przy minimalnych kosztach. Ponadto regulacje prawne dotyczące dostępu do częstotliwości radiowych stale się zmieniają, nadążanie za zmianami w przepisach, ponowne testowanie urządzeń i certyfikacja pod kątem zgodności może dużo kosztować. Lepiej takie wydatki przekierować na prace inżynierskie nad nowymi projektami. Użycie certyfikowanego modułu LoRa rozwiązuje ten problem, ponieważ to jego producent dba o spełnienie wymagań prawnych i recertyfikację modułów zgodnie z najnowszymi specyfikacjami, gdy zajdzie konieczność. Wszystkich tych kosztów i czasu poświęconego na zgodność z przepisami można całkowicie uniknąć, wybierając certyfikowany moduł LoRa.

Działanie w wielu regionach świata

Aplikacje LoRa działają w kilku pasmach częstotliwości w zależności od regionu. Często producenci najpierw wypuszczają na rynek swoje produkty w głównym dla nich regionie. Z czasem rozszerzają sprzedaż na inne kraje świata, dlatego produkt pracujący w zakresach obejmujących wiele kontynentów umożliwia taką bezproblemową migrację i ekspansję biznesu. Certyfikowany, wielopasmowy moduł LoRa jest idealną propozycją do tego typu działań.

Niezawodnie działające oprogramowanie

Ogólnie rzecz biorąc, moduły LoRa integrują cały stos protokołu LoRaWAN "wewnątrz" modułu, a inżynier dla węzła końcowego musi jedynie zaimplementować jego inicjalizację i komunikację obwodów aplikacji z modułem. W przypadku układów LoRa SoC/SiP i gotowych modułów LoRa stos musi być dostarczony przez producenta lub trzeba opracować własne oprogramowanie, gdy nie jest dostępne gotowy. Aby zminimalizować nakład pracy, zaleca się wybór modułów/ chipów LoRa, które są obsługiwane przez stos LoRaWAN dostarczany przez producenta. Zapewnia to interoperacyjność węzłów końcowych z innymi sieciami i bramami LoRaWAN.

 

Rys. 3. Moduł WLR089U0 LoRa

Dostępność ścieżki migracji z modułów do SoC

Wiele firm rozpoczyna tworzenie projektów urządzeń i pierwszych serii produkcyjnych z certyfikowanymi modułami, aby szybciej wprowadzić swoje produkty na rynek. Ale gdy sprzedaż zacznie wzrastać, firmy mogą rozważać przejście na chipy SoC LoRa w celu zwiększenia elastyczności lub obniżenia kosztów. Migracja nie zawsze jest łatwa, dlatego bardzo ważne jest rozważenie użycia takich modułów, które umożliwiają prostą migrację oprogramowania do układów scalonych. Niezbędne jest również wybranie dostawców, którzy sprzedają zarówno moduły, jak i SoC, aby platforma programistyczna, migracja oprogramowania i struktura wsparcia pozostały niezmienne.

Certyfikowane moduły LoRa upraszczają pracę inżynierów

Moduły komunikacyjne LoRa zawierają wszystkie niezbędne komponenty do realizacji toru radiowego wraz ze stosem LoRaWAN, co czyni je idealnym wyborem, gdy priorytetem jest szybkie przygotowanie urządzeń końcowych LoRaWAN. Ponieważ projekt RF i certyfikacja są po stronie producenta takiego modułu, wszelkie zmiany w specyfikacjach, użycie innych komponentów jest zadaniem wytwórcy, co nie tylko oszczędza mnóstwo czasu projektantom, ale także kosztów ponownej certyfikacji urządzeń końcowych (recertyfikacji).

Moduły LoRa mają wystarczającą ilość pamięci do uruchomienia kodu aplikacji i umieszczenia stosu LoRaWAN. Dzięki temu nie ma potrzeby użycia zewnętrznego mikrokontrolera, co nie tylko ogranicza wymagane miejsce na płytce drukowanej, ale i koszty systemu. Przykład takiej realizacji pokazano na rysunkach 2 i 3. Użyty tam moduł WLR089U0 oparty na rodzinie SAM R34/35 firmy Microchip to kompaktowe rozwiązanie z 256 KB pamięci Flash i 40 KB RAM. Ma on zintegrowany przełącznik RF, który umożliwia pracę w wielu pasmach częstotliwości i umożliwia korzystanie z gotowego stosu LoRaWAN firmy Microchip i oprogramowania peer-to-peer, ułatwiającego tworzenie aplikacji użytkownika. Ścieżka migracji też jest prosta, bo konstrukcja opiera się na platformie SAM R34/35. Wybór takiego modułu pomaga przezwyciężyć wszystkie typowe wyzwania projektowe podczas opracowywania węzłów końcowych LoRa, upraszczając cały proces projektowania.

Podsumowanie

Zintegrowane, certyfikowane moduły LoRa zapewniają łatwą realizację węzłów końcowych sieci LoRa. Dostępność oprogramowania, wbudowana duża ilość pamięci, zintegrowane przełączniki pasm radiowych i certyfikowana konstrukcja to tylko niektóre z kluczowych funkcji, których należy w nich szukać. Wybór wysoko certyfikowanego modułu LoRa nie tylko pomaga uprościć proces projektowania, ale także umożliwia programistom węzłów końcowych skuteczne różnicowanie swoich produktów i szybsze wprowadzanie ich na rynek.

Ramya Kota, Microchip Technology

Microchip Technology
www.microchip.com