Beschleunigen Sie LoRaWAN-IoT-Projekte mit einem kompletten Starterkit

Entwickler von Sensor- und Aktornetzwerken für Fernüberwachungs- und -steuerungsanwendungen im Internet der Dinge (IoT), die von der Landwirtschaft über den Bergbau bis hin zur intelligenten Stadt reichen, benötigen eine drahtlose Schnittstelle mit großer Reichweite, die sicher, robust, wartungsarm und relativ einfach zu implementieren ist. Eine gute Option für solche Anwendungen ist LoRaWAN, mit einer Reichweite von bis zu 15 Kilometern (km) über ländliche Sichtverbindungen und bis zu 5 Kilometern (km) in städtischen Gebieten - unter Verwendung von Endgeräten mit Batterien, die bis zu 10 Jahre halten können.

LoRaWAN ist zwar eine ausgereifte LPWAN-Technologie (Low-Power-Wide-Area-Network), aber die Entwickler sind immer auf der Suche nach Möglichkeiten zur Vereinfachung der Bereitstellung und zur Anbindung an die Cloud.

Die Herausforderung für Ingenieure, die neu in LoRaWAN-IoT-Projekte einsteigen, besteht darin, nicht nur das drahtlose Endgerät einzurichten, sondern auch die Schnittstelle mit dem Gateway und einer Cloud-IoT-Plattform zu bewältigen. Die Aufgabe wird durch Starterkits von Anbietern, die alle für den Bau und Betrieb eines Prototyps erforderlichen Elemente enthalten, erheblich erleichtert.

In diesem Artikel wird LoRaWAN vorgestellt und erläutert, wie die Technologie drahtlose Sensornetzwerke mit geringer Reichweite ergänzt, indem sie ein LPWAN zur Weiterleitung von Sensordaten an die Cloud bildet. Anschließend wird beschrieben, wie man das Starterkit XON-9-L1-KIT-001 von Digi, das ein Multisensor-Endgerät, ein Mehrkanal-Gateway und eine Gerät-zu-Cloud-IoT-Plattform enthält, zum Entwerfen, Entwickeln und Konfigurieren einer LoRaWAN-IoT-Lösung auf Basis einer industriellen Plattform verwendet.

Was sind LoRa und LoRaWAN?

LoRaWAN ist eine LPWAN-Technologie für IoT-Geräte, die sich durch eine Reichweite von mehreren Dutzend Kilometern, einen geringen Durchsatz (250 Bits pro Sekunde (bits/s) bis 50 Kilobits pro Sekunde (Kbits/s) je nach Trägerfrequenz) und einen sehr geringen Stromverbrauch (für eine Batterielebensdauer von bis zu einem Jahrzehnt, je nach Anwendung) auszeichnet. Tabelle 1 zeigt, wie LoRaWAN im Vergleich zu anderen IoT-Technologien abschneidet.

Tabelle 1: LoRaWAN ist ein LPWAN-Funkprotokoll für das Internet der Dinge mit Eigenschaften, die für einen Betrieb mit geringem Durchsatz und großer Reichweite geeignet sind. Die Tabelle zeigt, wie sie im Vergleich zu anderen drahtlosen IoT-Technologien abschneidet. (Bildquelle: Semtech)

Die LoRa-Spezifikation definiert die physikalische Schicht (PHY) und die Modulationstechnik, die LoRaWAN zugrunde liegt. Die MAC-Schicht (Media Access Control) des Protokollstapels wird durch den LoRaWAN-Standard spezifiziert (Abbildung 1).

Abbildung 1: Physikalische Schicht (PHY) von LoRa und Modulationsverfahren sowie LoRaWAN-MAC und die Anwendungsschicht bilden den LoRaWAN-Protokollstapel. (Bildquelle: Semtech)

Entscheidend für die Reichweite der Technologie ist die Verwendung einer modifizierten Form der DSSS-Modulation (Direct Sequence Spread Spectrum, Direktsequenz-Spreizspektrum). DSSS verteilt das Signal über eine größere Bandbreite als die ursprüngliche Informationsbandbreite, wodurch es weniger anfällig für Störungen ist und die Reichweite erhöht wird. Ein Nachteil von DSSS ist, dass es einen sehr genauen (und teuren) Referenztakt benötigt. Die LoRa-CSS-Technik (CSS: Chirp-Spreizspektrum) bietet eine kostengünstige und stromsparende DSSS-Alternative, bei der der Taktgeber entfällt. CSS spreizt das Spektrum des Signals, indem es ein Chirp-Signal erzeugt, das sich kontinuierlich in der Frequenz ändert (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die LoRa-CSS-Technik spreizt das Spektrum des Signals, indem sie ein Chirp-Signal erzeugt, dessen Frequenz kontinuierlich variiert. Diese Technik macht die teuren Referenztakte, die bei DSSS verwendet werden, überflüssig. (Bildquelle: Semtech)

Bei Verwendung von CSS sind die Zeit- und Frequenzabweichungen zwischen Sender und Empfänger gleichwertig, was die Komplexität des Empfängerdesigns weiter reduziert. Die LoRa-Modulation umfasst auch ein variables Fehlerkorrekturverfahren, das die Robustheit des übertragenen Signals verbessert und die Reichweite weiter erhöht. Das Ergebnis ist eine Link-Budget-Sendeleistung (Tx) und Empfangsempfindlichkeit (Rx) in Dezibel-Milliwatt (dBm) von rund 154 dBm, so dass ein einziges Gateway oder eine Basisstation ganze Städte abdecken kann.

In Nordamerika nutzt LoRaWAN den Frequenzbereich 902 bis 928 Megahertz (MHz) für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Anwendungen (ISM). Das Funkprotokoll definiert 64 x 125 Kilohertz (kHz) Uplink-Kanäle von 902,3 bis 914,9 MHz in 200kHz-Schritten. Zusätzlich gibt es acht 500kHz-Uplink-Kanäle in 1,6MHz-Schritten von 903 MHz bis 914,9 MHz. Die acht Downlink-Kanäle sind 500 kHz breit und reichen von 923,3 MHz bis 927,5 MHz. Die maximale Sendeleistung in Nordamerika beträgt 30 dBm, aber für die meisten Anwendungen sind 20 dBm Sendeleistung ausreichend. Gemäß den FCC-Bestimmungen in den USA gibt es keine Beschränkungen für den Arbeitszyklus, aber es gilt eine maximale Verweilzeit von 400 Millisekunden (ms) pro Kanal.

Maschennetzwerke sind eine Technik zur Erhöhung der Reichweite, indem Nachrichten zwischen Knoten weitergeleitet werden, um die Ränder des Netzwerks zu erreichen, aber sie erhöhen die Komplexität, verringern die Kapazität und verkürzen die Batterielebensdauer. Anstelle eines Maschennetzwerks verwendet LoRaWAN eine Sterntopologie, bei der jeder (weitreichende) Knoten direkt mit einem Gateway verbunden ist. Die Knoten sind nicht mit einem bestimmten Gateway verbunden. Stattdessen werden die von einem Knoten übertragenen Daten in der Regel von mehreren Gateways empfangen. Jedes Gateway leitet dann das empfangene Paket vom Endknoten über eine Art von Backhaul (in der Regel Mobilfunk, Ethernet, Satellit oder Wi-Fi) an den Cloud-basierten Netzwerkserver weiter (Abbildung 3).

Abbildung 3: LoRaWAN arbeitet mit einer Sterntopologie, bei der jedes Endgerät direkt mit einem oder mehreren Gateways verbunden ist. Jedes Gateway leitet die Informationen dann über eine Backhaul-Verbindung an den Cloud-basierten Netzwerkserver weiter. (Bildquelle: Semtech)

Damit ein Sternnetz mit großer Reichweite nutzbar ist, muss das Gateway in der Lage sein, Nachrichten von einer großen Anzahl von Knoten zu empfangen. LoRaWAN erreicht diese hohe Kapazität durch den Einsatz einer adaptiven Datenrate und von Gateways, die gleichzeitig Nachrichten auf mehreren Kanälen empfangen können. Ein einziges Acht-Kanal-Gateway kann einige hunderttausend Nachrichten pro Tag verarbeiten. Geht man davon aus, dass jedes Endgerät zehn Nachrichten pro Tag sendet, kann ein solches Gateway etwa 10.000 Geräte unterstützen. Wenn mehr Kapazität benötigt wird, können zusätzliche Gateways in das Netz integriert werden.

LPWAN-Starterkit für schnelles Prototyping

LPWAN-Technologien sind komplex und können für den unerfahrenen Ingenieur eine Herausforderung darstellen. Der Entwickler muss nicht nur das drahtlose Endgerät mit einer sicheren und robusten Verbindung einrichten, sondern es auch mit dem Gateway verbinden, es als Teil des Netzwerks bereitstellen und dann die Verbindung zu einer Cloud-IoT-Plattform herstellen.

Der Aufbau einer durchgängigen LoRaWAN-IoT-Lösung wird durch die Verwendung eines maßgeschneiderten Starterkits vereinfacht, wie z. B. des LoRaWAN-Starterkits XON-9-L1-KIT-001 von Digi (Abbildung 4). Mit einem solchen Starterkit kann sich ein Ingenieur schnell mit jedem Schritt des Prozesses vertraut machen, in der Gewissheit, dass die nächste Stufe dann schnell integriert werden kann. So kann auch ein Laie schnell einen Prototyp einer kompletten LoRaWAN-IoT-Lösung erstellen.

Abbildung 4: Das LoRaWAN-Starterkit XON-9-L1-KIT-001 enthält alles, was für den Prototyp einer Netzwerkverbindung benötigt wird, einschließlich des Ethernet-Gateways HXG3000, Uplink und Downlink, einer Client-Shield-Platine, Antenne, Stromversorgung und einer Programmierschnittstelle. (Bildquelle: Digi)

LoRa bietet Geräteklassen, die die Latenz der Netzwerk-Downlink-Kommunikation gegen die Batterielebensdauer abwägen; das Starterkit von Digi bietet Unterstützung für LoRaWAN Klasse A (niedrigster Stromverbrauch, bidirektionale Endgeräte) und Klasse C (niedrigste Latenz, Endgeräteempfänger immer eingeschaltet, bidirektionale Endgeräte).

Das Starterkit enthält alles, was für den schnellen und sicheren Aufbau eines LoRaWAN-Prototyps benötigt wird. Im Einzelnen umfasst es einen Uplink/Downlink, eine Erweiterungsplatine oder „Client-Shield“ mit einem LoRaWAN-Modul, eine LED, einen digitalen Eingang, Temperatursensoren, ein 8-Kanal-LoRaWAN-Ethernet-Gateway HXG3000 von Digi, eine eingebettete Programmierschnittstelle (API) für Entwickler und ein 30-tägiges kostenloses Testkonto für eine Gerät-zu-Cloud-Plattform mit Scan-and-Go-Mobilfunkanbindung.

Das Gateway HXG3000 ermöglicht eine Zwei-Wege-Kommunikation über LoRaWAN mit großer Reichweite und ohne Sichtverbindung und kann bis zu 1,5 Millionen Nachrichten pro Tag verarbeiten. Das Produkt umfasst eine omnidirektionale Funkkomponente mit 1,7 dBm, bis zu 27 dBm Sendeleistung und -138 dBm Empfangsempfindlichkeit. Der Betrieb erfolgt im lizenzfreien US-Band für 902 bis 928 MHz. Das Gerät wird entweder über eine Wechselstromversorgung oder über Power-over-Ethernet (PoE) mit Strom versorgt. Es sind Ethernet- und LTE-Cat-M1-Backhaul-Modelle verfügbar.

Das LoRaWAN-Client-Shield von Digi ist der Teil des Starterkits, der Ingenieure bei der Entwicklung von Prototypen und LoRaWAN-Sensoren unterstützt. Es bietet Anschlussmöglichkeiten für ausgewählte kompatible Nucleo-Entwicklungsboards von STMicroelectronics (zum Beispiel das NUCLEO-L053R8) und Mikrocontroller-Entwicklungsboards der Cortex®-M-Klasse von Arduino und ARM Keil® für die LoRaWAN-Client-Vernetzung. Zusätzlich zu den stapelbaren Anschlüssen von Arduino verfügt das Client-Shield über einen stromsparenden Thermistor-Temperatursensor, einen digitalen Eingangsschiebeschalter und eine digital gesteuerte rote, grüne und blaue (RGB) LED. Das Shield bietet einen U.FL-Steckverbinder und die zugehörige Antenne ist Teil des Kits. Das Shield enthält zudem das LoRaWAN-Modul, das im lizenzfreien US-Band von 902 bis 928 MHz arbeitet. Die Sendeleistung beträgt 14 bis 20 dBm (Abbildung 5).

Abbildung 5: Das Client-Shield XON-9-L1-KIT-001, in dem das LoRaWAN-Modul untergebracht ist, kann auf einem Nucleo von STMicroelectronics (hier abgebildet) oder einem Entwicklungsboard von Arduino montiert werden. (Bildquelle: Digi)

Das X-ON von Digi ist eine vollständige Gerät-zu-Cloud-Plattform für IoT-Endgeräte. Die Plattform bietet sowohl eine Entwicklungs- als auch eine betriebsfertige Cloud-Lösung. Das X-ON verfügt über einen integrierten LoRaWAN-Netzwerkserver und unterstützt Geräte und Gateways, die das drahtlose LoRaWAN-Protokoll verwenden, über den Server. Der Verbindungsserver wickelt den Verbindungsablauf ab, einschließlich der Netz- und Anwendungsserver-Authentifizierung und der Sitzungsschlüsselgenerierung.

Die Plattform ermöglicht dem Entwickler die:

• Konfiguration, Überwachung und Diagnose der Geräte oder Gateways über die Web- und Mobilschnittstelle
• Automatisierung von Bereitstellung von Geräten und Gateways mit der Provisioning-App
• Verwaltung drahtloser Netzwerk-Gateways
• Sammlung und Analyse von Daten direkt von Endgeräten
• Verwendung einer Inter-Cloud-API für Echtzeit-Gerätedaten, die in beide Richtungen zwischen mehreren Cloud-Plattformen übertragen werden
• Protokollierung und Verfolgung von Echtzeit-Datenmeldungen für interaktive Vorgänge und Fehlerbehebung mit Endgeräten und Gateways
• Integration von Daten über offene APIs zur Entwicklung komplexerer Anwendungen mit Dienstprogrammen von Drittanbietern (Abbildung 6)

Abbildung 6: Das X-ON von Digi ist eine Gerät-zu-Cloud-Plattform für IoT-Endgeräte, die es dem Entwickler ermöglicht, die Bereitstellung von Geräten und Gateways mit der Smartphone-App zu automatisieren. Der Entwickler kann dann die Konfiguration, Überwachung und Diagnose der Geräte oder Gateways über die Web- und Mobilschnittstelle vornehmen. (Bildquelle: Digi)

Erste Schritte zu einem LoRaWAN-Projekt

Da das Client-Shield und die Entwicklungsboards Nucleo von STMicroelectronics und Arduino eingebettete Mikrocontroller von ARM Keil verwenden und somit für „Mbed von ARM Keil vorbereitet“ sind, ist der Einstieg in ein Projekt mit dem Starterkit Digi relativ einfach. (Mbed von ARM Keil ist eine Plattform und ein Betriebssystem (OS) für IoT-Geräte, die auf 32-Bit-Mikrocontrollern der Cortex-M-Klasse von ARM Keil basieren) Das Client-Shield enthält eine eingebettete AT-Befehlssprache und eine vereinfachte Mbed-C++-Embedded-API von ARM Keil, die darauf ausgelegt ist, die Designkomplexität zu abstrahieren und die Entwicklung zu vereinfachen.

Die Mbed-Kompatibilität des LoRaWAN-Starterkits von Digi ermöglicht die Anwendungsentwicklung mit den Mbed-Online-Ressourcen von ARM Keil. Die Ressourcen umfassen drei Optionen. Mit dem Mbed-Online-Compiler kann der Entwickler sofort mit der Anwendungsentwicklung beginnen, ohne etwas zu installieren. Alles, was Sie brauchen, ist ein Mbed-Konto.

Für die fortgeschrittene Anwendungsentwicklung kann das LoRaWAN-Starterkit von Digi mit Mbed Studio verbunden werden, einer integrierten Desktop-Entwicklungsumgebung (IDE) zum Erstellen, Kompilieren und Debuggen von Mbed-Programmen. Schließlich gibt es noch das Mbed CLI, ein Befehlszeilentool, das in die bevorzugte IDE des Entwicklers integriert werden kann.

Der schnellste Weg zur Entwicklung besteht darin, zunächst ein X-ON-Konto über Digi einzurichten. Als nächstes muss sich der Entwickler für ein Mbed-Online-Compiler-Konto registrieren. Nach der Montage des Client-Shields auf dem Entwicklungsboard muss die Baugruppe über ein USB-Kabel mit einem Desktop-Computer verbunden werden. Die „PWR“-LED auf dem Client-Shield und die „COM“-LED auf dem Entwicklungsboard leuchten dann auf und zeigen an, dass die Elektronik betriebsbereit ist.

Der Mbed-Online-Compiler führt den Entwickler dann durch eine Reihe von einfachen Schritten, um die Hardwareplattform zum Compiler hinzuzufügen. Sobald die Hardware hinzugefügt ist, kann der Code aus den Beispielen für Sensoranwendungen im Mbed-Repository (oder anderen Bibliotheken) in den Compiler importiert und auf das Entwicklungsboard heruntergeladen werden. Der Compiler kann auch verwendet werden, um die LoRaWAN-Konfigurationen wie die Geräteklasse und den Netzwerkverbindungsmodus zu ändern (Abbildung 7).

Abbildung 7: Mit dem Mbed-Online-Compiler von ARM Keil ist es einfach, die LoRaWAN-Konfigurationen wie Geräteklasse und Netzwerkverbindungsmodus zu ändern. (Bildquelle: Digi)

Wenn das Gateway in Betrieb ist, wird das Client-Shield/Entwicklungsboard dem Netzwerk beitreten und alle 15 Sekunden (im Standardmodus) mit dem Senden von Uplinks beginnen. Auf der X-ON-Kontoseite werden die vom Gerät übertragenen Daten auf dem Bildschirm angezeigt, sobald die Schaltfläche „Stream“ gedrückt wird.

Fazit

Für Entwickler von IoT-Sensor- und -Aktor-Netzwerken bietet LoRaWAN einen lizenzfreien HF-Zugang, eine Reichweite von mehreren zehn Kilometern, einen geringen Stromverbrauch, gute Sicherheit und Skalierbarkeit sowie eine robuste Vernetzung. Wie bei vielen IoT-Protokollen können jedoch die Vernetzung der Endgeräte, die Bereitstellung, die Gateways und das Streaming von Sensordaten in die Cloud eine Herausforderung darstellen.

Wie gezeigt, löst das LoRaWAN-Starterkit von Digi viele dieser Probleme. Es umfasst ein Client-Shield mit einer vereinfachten Mbed-C++-Embedded-API von ARM Keil, ein LoRaWAN-Gateway mit Ethernet-Backhaul und eine X-ON-Gerät-zu-Cloud-Plattform mit Scan-and-Go-Mobilfunkanbindung. Mit dem Starterkit kann der Entwickler schnell einen LoRaWAN-Hardware-Prototyp in Betrieb nehmen, Sensor- und Aktor-Anwendungscode entwickeln und portieren sowie Daten über die Cloud-Plattform analysieren und präsentieren.