LPWAN Modules Provide Long Range Connectivity

Anmerkung der Redaktion: Um die intelligente Landwirtschaft über das Internet der Dinge (IoT) zu ermöglichen, benötigen Systementwickler eine zuverlässige, kostengünstige und umfassende Funkdatenübertragung. Teil 1 dieser zweiteiligen Serie stellt Funkmodule von Murata und Radiocrafts vor und zeigt, wie diese dich zielführend für LoRaWAN- und Sigfox-basierte Kommunikation in unlizenzierten ISM-Bändern einsetzen lassen. Teil 2 betrachtet Funkmodule für den Betrieb in lizenzierten Mobilfunk-Frequenzbändern.

Um den erwarteten globalen Nahrungsmittelbedarf zu decken, müssen sich die landwirtschaftlichen Methoden und Verfahren rasch weiterentwickeln und effizienter wie auch produktiver werden. Der digitale Wandel hin zur intelligenten Landwirtschaft und zur Präzisionsagrarwirtschaft vollzieht sich jedoch nur zögerlich. Dies liegt nicht zuletzt an der schwierigen, weiträumigen drahtlosen Vernetzung von Landmaschinen, Sensoren und Aktoren.

Dieses Hindernis zu überwinden und Landwirtschaft 4.0 wirklich zu ermöglichen, erfordert seitens der Entwickler eine zuverlässige Kommunikationsschnittstelle, die wichtigen Kriterien wie niedrige Kosten, geringen Stromverbrauch, große Reichweite und einfache Bedienung erfüllt. Sie muss zudem die Möglichkeit bieten, viele Knoten zu verbinden und bereitzustellen, wenn die Anwendung nach oben skaliert. Low-Power Wide Area Networks (LPWAN) wie LoRaWAN und Sigfox (benannt nach seinem Entwickler) wurden genau für diesen Zweck entwickelt.

Der Beitrag diskutiert die Bedeutung der Konnektivität beim Smart Farming und stellt anschließend drahtlose Lösungen von Murata (LoRaWAN) und Radiocrafts (Sigfox) vor. Der Schwerpunkt liegt dabei auf batteriebetriebenen Sensoren, die intermittierende Übertragungsmuster in kleinen Datenmengen über unlizenzierte ISM-Bänder versenden. Verschiedene Wege zeigen Entwicklern, wie sie ihre Applikation unkompliziert über bekannte Schnittstellen mithilfe dieser Fertigmodule drahtlos anbinden können – ohne spezielle HF-Kenntnisse!

Entwicklungstrends mit hohem Datenaufkommen

Die Landwirtschaft muss intelligenter und effizienter werden. Nach Angaben der U.S. Food and Agriculture Organization (FAO) muss sie ihr Produktionswachstum bis 2050 um 70% steigern, um den Nahrungsmittelbedarf der prognostizierten Weltbevölkerung zu decken. Die derzeit verfügbaren IoT-Technologien werden zu einer besseren Nutzung der Ressourcen beitragen, was jedoch eine bessere drahtlose Konnektivität mit entsprechender Abdeckung erfordert.

Die Anwendungen für eine drahtlose Datenübertragung in der Landwirtschaft sind vielfältig.

Smart Farming bedeutet für das Herdenmanagement im freien Feld, mit Kameras und Sensoren das Geschehen auf entfernten Weideflächen zu überwachen, Füllstände von Wassertanks zu kontrollieren oder die Tiere zu orten. In der Fischzucht bewirkt eine verbesserte Kontrolle und Steuerung vieler Wasserqualitätsparameter deutlich bessere Überlebensquoten der Fische.

Auf dem Acker, im Obst- wie auch Gemüseanbau und in der Bienenzucht geht der Trend in Richtung Precision Agriculture, ein intelligentes und präzises effizientes Bewirtschaften von Feldern, Treibhäusern, Plantagen und Bienenvölkern. Messdaten und Luftbildaufnahmen helfen Dünger und Pflanzenschutzmitteln bedarfsgenau zu steuern und insgesamt zu reduzieren.

Landmaschinen und intelligente Geräte erhalten von der Betriebszentrale per Funk Koordinatenpläne und Parameterdateien für die Feldbearbeitung oder müssen diese während des Feldeinsatzes miteinander synchronisieren. Fahr- und Prozessüberwachungskameras erzeugen in Verbindung mit LiDAR und Radar große Mengen an Bilddaten. Im Obstbau kommen autarke mobile Erntesysteme zum Einsatz, die den Reifegrad kontrollieren, die Früchte selbstständig ernten und die genaue Position der Erntemenge in die Cloud übertragen. In naher Zukunft erledigen ganze Schwärme autonomer Minitraktoren eine mechanische punktgenaue Unkrautbekämpfung ohne Chemie oder leisten eine präzise Aussaat, ohne den Ackerboden zu verdichten (Bild 1).

Bild 1: Autarke Minitraktoren übernehmen in naher Zukunft die Pflanzenkosmetik, überprüfen die Pflanzenentwicklung sowie Bodenwerte und machen eine präzise Aussaat. (Bildquelle: Terre-Net)

So automatisiert und autark Maschinen und Prozesse auch sein mögen, ohne Funkverbindung zur Steuerungszentrale und in die Cloud geht es nicht.

Schmalband-Funkprotokolle in großer Auswahl

Nicht alle Drahtlos-Applikationen benötigen große Bandbreiten wie bei LTE oder Wi-Fi, um große Datenmengen möglichst schnell und störungsfrei zu übertragen. In der intelligenten Landwirtschaft tendieren viele kleine Sensor-Endgeräte dazu, geringe Datenmengen intermittierend zu übertragen. Die Anforderungen an das Design konzentrieren sich dabei auf geringe Größe, Kosteneffizienz, eine Reichweite von mehreren Kilometern und die Fähigkeit, über Jahre hinweg wartungsfrei zu arbeiten. Für solche Anwendungen sind Schmalbandfunkmodule, die über die lizenzfreien ISM-Frequenzen arbeiten, eine ausgezeichnete Lösung.

Zu dem Sammelbegriff LPWAN (Low Power Wireless Area Network) zählen Protokolle wie NB-IoT (Narrow-Band Internet of Things), Sigfox, RIIoT (Review, Interview, Identify, observe and Test), LoRaWAN, Weightless, Nwave, Symphony Link, RMPA (Rate Maximizing Power Allocation in Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) systems) und viele weitere. In der nachfolgenden Besprechung stehen zwei zertifizierte Funkmodule, eines von Murata (LoRaWAN) und eines von Radiocrafts (Sigfox) im Mittelpunkt.

Warum LoRaWAN und Sigfox einsetzen?

Die vielen Protokolle und Netzwerkarchitekturen der unterschiedlichen kommerziellen Anbieter und Open-Source-Gemeinschaften im Schmalbandfunk variieren in wichtigen Merkmalen wie Datenrate und -sicherheit, Energieeffizienz, Übermittlungsgarantie und ‑kosten sowie Latenzzeiten (Bild 2).

Bild 2: Jedes Protokoll hat im Schmalbandfunk seine ganz besonderen Vorzüge: LTE (Long-Term Evolution) und NB-IoT sind teuer, dafür störsicher und schnell, die LPWANs haben kleine Datenraten, sich aber kostengünstig. (Bildquelle: Smart-Makers)

LTE-M (Long-Term Evolution Machine Type Communications) eignet sich mit geringen Latenzzeiten von 10 bis 15 ms für Steuerungsaufgaben in Echtzeit bei für LTE-Verhältnisse kleinen Datenraten. Mit Latenzen von 1,6 bis 10 Sekunden, dafür aber hoher Energieeffizienz, eignet sich NB-IoT gut für komplexere Low-Power-Sensorknoten, die zur störungsfreien Datenübertragung Providerkosten in Kauf nehmen.

Für einzelne Sensoren, die jahrelang von einer Batterie versorgt werden und sehr kleine Datenmengen einmal am Tag versenden, bietet sich ein günstiger Datentransfer über LoRaWAN oder Sigfox an. Beide Standards sind auf große Reichweite und sehr hohe Energieeffizienz für batteriebetriebene Sensoren ausgelegt. Entsprechen klein sind die Übertragungskapazitäten von LoRaWAN mit 300 bit/s bis 50 kbit/s. Sigfox ist mit 140 12-Byte-Telegrammen pro Tag bei 100 bit/s bereits extrem eingeschränkt, bedient dafür aber bis zu einer Million Endgeräte pro Basisstation.

Vom Funk auf den eigenen Server – oder in die Cloud

Die Technologie von LPWAN, kleine Datentelegramme im Halb-Duplex in intermittierend kurzen Burst-Impulsen zu übertragen, benötigt nur sehr wenig Bandbreite und extrem kurze Sendezeiten. Das spart Sendeenergie und resultiert in weniger Interferenzen und damit größeren Reichweiten.

Der sparsame Funkverkehr bei extrem geringem Energieverbrauch wird aber erst durch Verwaltung der Verbindungen und Datenströme über eine LoRaWAN-Netzwerkserver oder die Sigfox-Backend-Cloud möglich. Zudem erfordern beide Nicht-IP-Protokolle eine Art Routing und Verarbeitung, bevor vom Gateway aufgefangene Nachrichten durch das Internet übermittelt werden können. Bei LoRaWAN kann das zum Beispiel im Backend-System von The Things Network (TTN), ein Open-Source-Projekt, erfolgen. Das Sigfox-Backend betreibt selbst Funk-Gateways, welche die empfangenen Daten über Internetverbindung an den Web-Server des Vertragskunden weiterleiten.

Zumindest bei LoRaWAN (Long Range Wide Area Networks) hat der Entwickler die Wahl, Gateways und/oder das Backend selbst zu entwickeln. Alternativ kauft er ein LoRaWAN-Gateway und nutzt über seinen Internetanschluss einen Network-Server des Open-Source-Backends TTN oder anderer kommerzielle Anbieter. Die dritte Option, für Internet-unabhängigen Datentransfer im privaten Netzwerk, ist die Benutzung eines eigenen LoRaWAN-Gateways mit integriertem Network-Server.

LoRaWAN im Betrieb

Das LoRaWAN-Schicht-Protokoll zielt auf drahtlose batteriebetriebene Systeme und sichere bidirektionale Kommunikation über groß Reichweiten. Konzipiert für große öffentliche Netze mit einem einzigen Betreiber, basiert es auf dem Modulationsschema LoRa von Semtech. Die Netzwerkarchitektur des LoRaWAN ist typischerweise in einer Sterntopologie angeordnet, bei der die Gateways die Verbindung zwischen den Endgeräten und dem zentralen Netzwerkserver herstellen. Die Gateways sind über eine Standard-IP-Verbindung mit einem Netzwerkserver verbunden, per Kabel oder auch über 3G/4G-Mobilfunk, während die Endgeräte eine drahtlose Single-Hop-Funkverbindung zu einem oder mehreren Gateways verwenden (Bild 3).

Bild 3: LoRaWAN ist typischerweise in Sterntopologie angeordnet, bei der die Gateways die Verbindung zwischen den Endgeräten und dem zentralen Netzwerkserver herstellen. (Bildquelle: Smart-Makers)

Das Protokoll von LoRaWAN biete viele Konfigurationsmöglichkeiten bezüglich Energieeffizienz, Erreichbarkeit, Übermittlungsgarantie und Datensicherheit. Befinden sich sehr viele Endgeräte in einem engeren Bereich mit wenigen Gateways, erlauben es einstellbare Spread-Faktoren von SF7 – SF11 zwischen Übertragungsdauer und Störungen durch Kollisionen einen optimalen Kompromiss zu finden.

Endknoten können in drei verschiedenen Energieeffizienzklassen arbeiten, welche sich auf die Erreichbarkeit und das Downlink-Zeitfenster auswirken. Energiesparsame Sensoren die eher senden als empfangen wählen Klasse A mit kurzem Downlink-Zeitfenster im Verbindungsmoment. Klasse B hat eine verlängerte Dauer für mehr Downlink-Kapazität, während Klasse C für stationäre Steuerungsanwendungen mit Netzstromversorgung dauerhaft mit maximaler Downlink-Kapazität erreichbar ist. LoRaWAN unterstützt Firmware-Over-The-Air (FOTA) Updates.

Eine mehrschichtige Verschlüsselung biete Datensicherheit auf Netzwerkebene mit eindeutigem Netzwerkschlüssel (EUI64), Applikationsschlüssel (EUI64) und einer gerätespezifischen ID (EUI128).

Nach der Festlegung einiger wesentlicher Parameter geht es als nächstes mit den verfügbaren Implementierungsmöglichkeiten weiter.

LoRaWAN und Sigfox in einen Funkmodul

Da sowohl LoRaWAN als auch Sigfox im gleichen Frequenzband arbeiten, hat Murata beide im Funkmodul CMWX1ZZABZ-078 implementiert (Bild 4). Auch die On-Off-Keying (OOK) Modulation ist enthalten, da sie einfach zu implementieren ist und für sehr einfache Steuerungsanwendungen nützlich ist.

Das für Europa vorzertifizierte 868-MHz-Funkmodul enthält den Funktransceiver SX1276 Ultra von Semtech und den STM32L0 von STMicroelectronics, ein 32-Bit-Mikrocontroller ARM Cortex M0+ (Bild 4). Die Kommunikation des 12,5 × 11,6 × 1,76 mm³ großen Bausteins kann über USB, UART, SPI oder I²C erfolgen. Zur Programmierung stehen 192 kByte Flash und 20 kByte RAM bereit und für bessere Netzwerksicherheit lässt sich in optionales STSAFE-Sicherheitselement in die MCU integrieren.

Bild 4: Das vorzertifizierte Funkmodul enthält den Funktransceiver SX1276 von Semtech und den 32-Bit-ARM-Controller STM32L0 von STMicroelectronics, der alle Modul-Schnittstellen steuert. (Bildquelle: Murata)

Das Modul wird in LoRaWAN-Konfiguration geliefert, es lässt sich jedoch Hardware-seitig für Sigfox-Netzwerke wie folgt umkonfigurieren (Details im Datenblatt):

• TCXO_OUT (Pin 47) mit PH0-OSC_IN (Pin46) verbinden
• PA12 (Pin 1) mit TXCO_VCC (Pin48) verbinden
• SX1276_DIO4 (Pin10) mit PA5 (Pin21) verbinden

Evaluieren und testen können Entwickler das Funkmodul CMWX1ZZZABZ mit dem Evaluation Board „Arduino MKR WAN 1300“ ABX00017. Es vereint die Funktionalität des MKR Zero, basiert auf dem SAMD21 Prozessor von Microchip Technology, mit LoRa-Konnektivität und eignet sich für experimentelle IoT-Projekte (Bild 5). Zur Stromversorgung genügen zwei 1,5V AA- oder AAA-Batterien, eine externe 5-V-Spannungsquelle oder der USB-Anschluss.

Bild 5: Das Evaluation Board “Arduino MKR WAN 1300“ vereint die Funktionalität des MKR Zero mit LoRa-Konnektivität und eignet sich für experimentelle IoT-Projekte (Bildquelle: Murata/Arduino)

Weitere Merkmale des CMWX1ZZZABZ:

• Spannungsversorgung: 3,3 V
• 8 × Digital-I/O, jeweils 7 mA Ausgangsstrom
• 12 × PWM
• 7 × Analogeingang (ADC 8/10/12 Bit)
• 1 × Analogausgang (DAC 10 Bit)
• 8 × Externer Interrupt
• Serielle Schnittstellen: UART, SPI, I²C

Datenaustausch zwischen Arduino MKR und The Things Network

Die Webseite arduino.cc biete zum „Arduino MKR WAN 1300“ eine Demo-Applikation an, die eine LoRaWAN-Verbindung zum „The Things Network“ (TTN) herstellt. Bedingung für einen Kommunikationstest ist mindestens ein erreichbares Gateway eines TTN-Community-Mitglieds in nächster Umgebung. Die geografische Karte auf der TTN-Webseite hilft bei der Suche. Ist ein Gateway gefunden, geht‘s los:

• Einen TTN-Benutzer-Account einrichten
• Das MKR-Board per USB-Kabel am PC anschließen und die Arduino-IDE starten
• Die MKRWAN-Bibliothek im Arduino-Lib-Verzeichnis zufügen und per Sketch „First Configuration” die EUI-Nummer des MKR-Boards auslesen
• Bei TTN einloggen, eine neue App anlegen, eine Anwendungs-ID erstellen, die Beschreibung eingeben und den Handler für EU auswählen.
• Die Parameter Device-ID und Device-EUI eintragen und mit „Registrieren“ speichern
• Über „Registered Device” sind alle Parameter prüfbar; „App EUI” und „App Key” merken; OTAA (Over-The-Air Activation) auswählen
• Sketch „First Configuration” nochmals ausführen und „App EUI” und „App Key” eintragen für eine künftige sichere Datenübertragung
• Nach erfolgreicher Bestätigungs-Nachricht im IDE-Terminal-Fenster lässt sich zum Empfangstest auf TTN auf der Registerkarte „Data” die Nachricht „HeLoRa world! ” eintippen und senden

Der folgende Beispiel-Code für den LoRaWAN-Datenaustausch zwischen dem „Arduino MKR WAN 1300“ und dem TTN-Network-Server ist nicht ganz vollständig. Unabhängig davon beschränkt sich die Konfiguration auf eine Hand voll Parameter. Arduinos LPGL-Code (GNU Lesser General Public License) empfiehlt sich nicht für die firmeneigene Produktentwicklung, hilft jedoch, die Spezifikationen schneller zu verstehen und liefert Ideen für Code-Strukturen.

Copy
/*
  Lora Send And Receive
*/
 
#include <MKRWAN.h>
 
[...]
 
#include "arduino_secrets.h"
// Please enter your sensitive data in the Secret tab or arduino_secrets.h
String appEui = SECRET_APP_EUI;
String appKey = SECRET_APP_KEY;
 
void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  Serial.begin(115200);
  while (!Serial);
  // change this to your regional band (eg. US915, AS923, ...)
  if (!modem.begin(EU868)) {
    Serial.println("Failed to start module");
    while (1) {}
  };
  Serial.print("Your module version is: ");
  Serial.println(modem.version());
  Serial.print("Your device EUI is: ");
  Serial.println(modem.deviceEUI());
 
  int connected = modem.joinOTAA(appEui, appKey);
  if (!connected) {
    Serial.println("Something went wrong; are you indoor? Move near a window and retry");
    while (1) {}
  }
  modem.minPollInterval(60);
}
 
void loop() {
  Serial.println();
  Serial.println("Enter a message to send to network");
  Serial.println("(make sure that end-of-line 'NL' is enabled)");
 
  while (!Serial.available());
  String msg = Serial.readStringUntil('\n');
 
  Serial.println();
  Serial.print("Sending: " + msg + " - ");
  for (unsigned int i = 0; i < msg.length(); i++) {
    Serial.print(msg[i] >> 4, HEX);
    Serial.print(msg[i] & 0xF, HEX);
    Serial.print(" ");
  }
  Serial.println();
 
  int err;
  modem.beginPacket();
  modem.print(msg);
  err = modem.endPacket(true);
  if (err > 0) {
    Serial.println("Message sent correctly!");
  } else {
    Serial.println("Error sending message :(");
    Serial.println("(you may send a limited amount of messages per minute, depending on the signal strength");
    Serial.println("it may vary from 1 message every couple of seconds to 1 message every minute)");
  }
  delay(1000);
  if (!modem.available()) {
    Serial.println("No downlink message received at this time.");
    return;
  }
  char rcv[64];
  int i = 0;
  while (modem.available()) {
    rcv[i++] = (char)modem.read();
  }
  Serial.print("Received: ");
  for (unsigned int j = 0; j < i; j++) {
    Serial.print(rcv[j] >> 4, HEX);
    Serial.print(rcv[j] & 0xF, HEX);
    Serial.print(" ");
  }
  Serial.println();
}

Listing 1: Beispiel-Code für den LoRaWAN-Datenaustausch zwischen dem „Arduino MKR WAN 1300“ und dem TTN-Network-Server. (Listing-Quelle: Arduino.CC)

Sigfox für riesige Weitbereichs-Funksensor-Netzwerke

Als führende Technologie für LPWAN wurde Sigfox entwickelt, um kostengünstige, sehr energieeffiziente Verbindungen für Machine-to-Machine (M2M) und IoT-Geräte über Sigfox-Basisstationen herzustellen. Die Datenübertragung erreicht durch langsame Modulationsraten und kurze Burst-Datenpakete große Reichweiten um die 30 bis 50 km und mehr bei Sichtverbindung.

Das Protokoll ist eine ausgezeichnete Option für Anwendungen, die nur selten kleine Datenstöße senden müssen. Ein Frequenzsprungverfahren vermeidet dabei Störungen. Die Ultra-Schmalbandübertragungstechnik ermöglicht die Skalierbarkeit und den geringen Energieverbrauch.

Über 868 MHz bedient eine Sigfox-Basisstationen direkt bis zu 1 Million Endknoten in Sterntopologie. Bei den abgesicherten Ende-zu-Ende Verbindungen ist ein bidirektionaler Datentransfer möglich, Sigfox verfolgt jedoch im Schwerpunkt den Upload und bremst den DL mit 4 x 8 Byte/Tag. Das Sigfox-Backend betreibt die Funkgateways und leitet die empfangenen Daten aus der Sigfox-Cloud über eine sichere Internetverbindung an den Heimserver des Vertragskunden weiter. Gemäß den ETSI-Vorschriften dauert der Sendebetrieb von Sigfox-Endknoten nur 1 % einer Stunde, was einer Gesamtsendezeit von 36 s/Stunde entspricht. Bei einer Leistung von 16 dBm spart dies Energie und entlastet insgesamt den Funkverkehr (Bild 6).

Bild 6: Das Sigfox-Backend betreibt Funk-Gateways und leitet die empfangenen Daten aus der Sigfox-Cloud über eine sichere Internetverbindung an den Web-Server des Vertragskunden weiter. (Bildquelle: Sigfox)

Sigfox-Funkmodule mit integriertem Sensor-Interface

Für Sigfox RZ1 Europa bietet Radiocrafts aus Norwegen zwei vollintegrierte LPWAN-Module an: den Baustein RC1682-SIG mit UART Schnittstelle, und den unidirektionalen Baustein RC1682-SSM mit UART- und Sensor-Schnittstelle, der nur Uplink-fähig ist (Bild 7). Regulären bidirektionalen Datentransfer unterstützt nur das Funkmodul RC1682-SIG für Endknoten, die beispielsweise auch Steuerungskommandos über den Downlink empfangen müssen.

Bild 7: Im 12,7 × 25,4 × 3,7 mm³ kleinen SMD-Gehäuse beherbergt das Funkmodul viele I/O-Schnittstellen für den direkten Anschluss diverser Sensoren – ideal für drahtlose Sensor-Endknoten. (Bildquelle: Radiocrafts)

Das hier vorgestellte Modul RC1682-SSM mit Sensor-Interface ist speziell für Sensor-Endkonten konzipiert und arbeitet nur im Uplink-Modus. Telegramme versendet es dreifach redundant auf drei unterschiedlichen Kanälen. Verschiedene Sensoren sind an diesem Modul direkt zu betrieben, ohne dass ein externer Mikrocontroller die Schnittstelle verwalten muss. Ein vollständiger Sensorknoten erfordert neben dem Funkmodul das Anschließen der gewünschten Sensoren, einer Stromversorgung und einer Antenne. Im freien Feld sind bei 25 dBm Sendeleistung 30 bis 50 km Reichweite möglich. Als einfache Antenne genügt oft schon ein Stück Draht oder Leiterbahn mit ¼ der Wellenlänge.

Weitere technische Merkmale:

• I/O-Schnittstellen: SPI, I²C, 1 × Analogeingang, 4 × Digital-I/O
• SMD-Gehäuse mit 12,7 × 25,4 × 3,7 mm³
• HF-Ausgang für 50-Ω-Antenne, mindestens ¼ Wellenlänge
• Empfindlichkeit: -126 dBm
• Sendeleistung: 14/25 dBm

Die kleinen Funkmodule sind als einfache fertige Sensor-Endknoten konzipiert: einbauen, anschalten, registrieren, konfigurieren und senden lassen. Sie verfügen über eingebaute Software-Treiber für verschiedene Sensoren:

• Temperatur und Feuchte: Sensirion SHT35 (SHT35-DIS-B2.5KS)
• Temperatur und Feuchte: Texas Instruments HDC2010 (HDC2010YPAR)
• Analoger Fotosensor: Everlight ALS-PT-315C (ALS-PT19-315C/L177/TR8)
• VOC-Gassensor: Sensirion SGPC3 (SGP30-2.5K)
• Hall-Detektor: Honeywell SL353LT, alternativ SS39ET (SS39ET)
• Beschleunigungssensor: ST Microelectronics LIS3DE, alternativ LIS3DHTR (LIS3DHTR)

Entwickeln und Testen mit dem Sigfox-Development Kit

Radiocrafts bietet fürs Design und Prototyping Development Kits an und liefert die PC-Suite RCTools-SIG kostenlos dazu. RC1682-SIG-DK enthält zwei Sigfox-Endknoten-Boards, das RC1682-SSM-DK (Bild 8) nur eines, jedoch bestückt mit allen oben aufgeführten Sensoren. Prinzipiell lassen sich alle Funkmodule auch einfach per UART-Schnittstelle über den COM-Port eines beliebigen Terminal-Programms ansprechen. Für eine schnelle Entwicklung, Verwaltung und Skalierung von IoT-Projekten empfiehlt Radiocrafts die Open-Source-IoT-Plattform ThingsBoard.

Bild 8: Radiocrafts Development Kit RC1682-SSM-DK ist mit allen Sensoren bestückt, die das Funkmodul mithilfe seiner eingebauten Software-Treiber auslesen kann. (Bildquelle: Radiocrafts)

Jedes Demonstrations-Kit wird mit einem Sigfox-Abonnement auf Platinstufe geliefert, das 140 Uplink-Nachrichten und 4 Downlink-Nachrichten pro Tag für ein Jahr lang verfügbar macht. Über die ID und PAC (Porting Authorization Code) wird das Funkmodul im Sigfox-Backend-System registriert.

Im Sigfox-Backend sind alle Endgeräte-Parameter wie auch alle Datentransfer-Loggings verfügbar. Sogar ohne Beschaltung des Funkmoduls mit Sensoren erlauben Messwerte im Register „Information“ eine grobe Ortung (< 100 m Genauigkeit) anhand der Positionskoordinaten. Messwerte wie Pegel und letzte Empfangszeitpunkte lassen beispielsweise auf den Betriebszustand oder eine erschöpfte Batterie schließen (Bild 9).

Bild 9: Im Register „Information“ des Sigfox-Backends erlauben Geokoordinaten eine grobe Ortung und Pegel wie auch letzte Empfangszeitpunkte lassen auf den Betriebszustand des Endknotens schließen. (Bildquelle: Radiocrafts)

Fazit

LoRaWAN und Sigfox sind nur zwei von unzähligen alternativen Schmalbandfunkprotokollen für die lizenzfreien ISM (Industrial, Scientific and Medical) Frequenzbänder. Für Millionen weit entfernter einfacher Sensor- und Steuerungs-Endknoten mit Batteriestromversorgung und geringen Datendurchsatz stellen sie eine kostengünstige Alternative zu LTE-Mobilfunklösungen dar, die mehr auf große Datenraten konzipiert sind.

Der Beitrag diskutierte markante Unterschiede der LPWAN-Protokolle LoRaWAN und Sigfox, stellte zwei geeignete Funkmodule vor und schaute auf die nachfolgenden Netzwerkarchitekturen. Während IoT-Endknoten direkt mit Sigfox-Basisstationen kommunizieren, benötigt LoRaWAN Gateways und eine Netzwerkserver, der im privaten Netzwerk arbeitet oder von Internet-Backend-Systemen betrieben wird.

Wie gezeigt, sind beide Funktechnologien relativ einfach zu implementieren. Entwickler können die Funkmodems über vielfältige Schnittstellen programmieren, daran direkt Sensoren betrieben und Evaluation-Boards nutzen, um umfangreiche Code-Beispiele zu testen oder Mobil-Applikationen zu programmieren. Unterstützend bieten Hersteller fertige Betriebsfirmware und Zubehör für die Funkmodule und beraten bei der Projektplanung.