Beschleunigen der Entwicklung von Netzwerklösungen mit großer Reichweite mit einem zertifizierten LoRaWAN-Modul

Bei vielen sensorbasierten Anwendungen mit hohem Datenaufkommen in der Landwirtschaft, bei der Bestandsüberwachung, bei Versorgungsunternehmen und im Internet der Dinge (IoT) müssen die Entwickler eine sichere Vernetzung über größere Betriebsbereiche hinweg gewährleisten. Das LoRaWAN-Protokoll (Long Range Wide Area Network), das für die Unterstützung sehr großer Netze solcher Geräte entwickelt wurde, kann eine wirksame Lösung darstellen, erfordert jedoch entsprechende Kenntnisse und Erfahrungen, um ein optimiertes Kommunikationsteilsystem schnell zu implementieren.

Dieser Artikel beschreibt kurz LoRaWAN und seine Möglichkeiten. Anschließend wird ein LoRaWAN-zertifiziertes Modul von Murata Electronics vorgestellt, das Entwicklern eine einsatzbereite Lösung für eine extrem weitreichende Vernetzung über Low-Power-Wide-Area-Netzwerke (LPWANs) bietet. Um das Prototyping zu beschleunigen, werden auch das Entwicklungsboard und die Softwareunterstützung beschrieben.

Was ist LoRaWAN?

Unter den verfügbaren drahtlosen Vernetzungsoptionen hat sich LoRaWAN als effektive Lösung für serverbasierte Anwendungen herauskristallisiert, die mit stromsparenden Endgeräten verbunden sind, die sich weit außerhalb der Reichweite bekannter drahtloser Optionen wie Wi-Fi oder Bluetooth befinden. In einem LoRaWAN-Netz kommunizieren die Anwendungsserver über herkömmliche TCP/IP-Netzwerke (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) mit LoRaWAN-Gateways (Abbildung 1).

Abbildung 1: In einer typischen LoRaWAN-Netzanwendung stellen Server eine Verbindung zu Gateways her, die ihrerseits die Langstrecken- und Niedrigstromfähigkeiten der LoRa-Technologie nutzen, um Endgeräte zu verbinden, die viele Kilometer entfernt sein können. (Bildquelle: Murata Electronics)

Die LoRaWAN-Gateways wiederum kommunizieren mit den Endgeräten über die LoRa-Sub-Gigahertz-Funkfrequenz(HF)-Technologie, die in den nicht lizenzierten ISM-Frequenzbändern (Industrie, Wissenschaft und Medizin) arbeitet. Die LoRa-Technologie ist für Anwendungen mit relativ niedriger Bitrate gedacht und bietet eine maximale Bitrate von etwa 10 Kilobit pro Sekunde (Kbit/s), hat aber einzigartige Vorteile für Anwendungen mit großer Reichweite.

Basierend auf der Spreizspektrum-Technologie ermöglicht LoRa-HF den Entwicklern, Bitrate gegen Reichweite einzutauschen und so auf einfache Weise eine zuverlässige Zwei-Wege-Kommunikation über Entfernungen von mehr als 15 Kilometern (km) in ländlichen Gebieten oder über 5 km in Innenräumen in dichten städtischen Gebieten zu erreichen.

Das LoRaWAN-Protokoll schützt den Kommunikationsverkehr dank des Sicherheitsmodells von LoRaWAN. LoRaWAN verwendet zwei Sicherheitsschlüssel: einen, um die Authentizität und Integrität auf Paketebene zu gewährleisten, und einen weiteren, um die End-to-End-Sicherheit von Nachrichten zwischen Endgeräten und Anwendungsservern zu gewährleisten.

Das LoRaWAN-Protokoll bietet weitere Vorteile, um den Stromverbrauch der Endgeräte mit den Kommunikationsanforderungen der Anwendung in Einklang zu bringen. In einem LoRaWAN-Netzwerk können Geräte in einer von drei Klassen betrieben werden: Klasse A, Klasse B oder Klasse C. Ein Gerät in einer beliebigen Klasse kann nach Bedarf Nachrichten senden, aber seine Klasse bestimmt, wann es Nachrichten empfangen kann.

Geräte der Klasse A sind am energieeffizientesten und für den ereignisgesteuerten Betrieb ausgelegt, z. B. wenn ein Sensor eine Veränderung in seiner Umgebung feststellt. Geräte der Klasse A können zwischen den Ereignissen im Ruhezustand verbleiben und werden nach der Sensordatenerfassung nur so lange aufgeweckt, bis sie Daten übertragen haben. Anschließend öffnen sie Downlink-Empfangsfenster mit bestimmten Verzögerungen (RX1 und RX2) im Anschluss an die Uplink-Übertragung (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die energieeffizienteste LoRaWAN-Klasse, Klasse A, ermöglicht es den Geräten, so lange wie möglich im Ruhezustand zu verbleiben und nur aktiv zu werden, um Daten an Gateways zu übertragen (Uplink) und anschließend ein erstes Empfangsfenster (RX1) und ein zweites Empfangsfenster (RX2) zu öffnen, nachdem der Uplink abgeschlossen ist. (Bildquelle: Murata Electronics)

Geräte der Klasse B unterstützen den periodischen Betrieb nach einem für die Anwendung erforderlichen Zeitplan. Bei Geräten der Klasse B ermöglicht das LoRaWAN-Protokoll den Geräten, ein Downlink-Empfangsfenster nach einem bestimmten Zeitplan zu öffnen, wobei ein vom Gateway gesendeter Beacon zur Synchronisierung des Endgeräts mit dem Netzwerk verwendet wird (Abbildung 3).

Abbildung 3: LoRaWAN-Geräte der Klasse B ermöglichen synchronisierte Downlinks unter Verwendung eines Beacons, der vom angeschlossenen Gateway gesendet wird, um das Timing zu erhalten. (Bildquelle: Murata Electronics)

Geräte der Klasse C sind für Anwendungen konzipiert, bei denen die Endgeräte ständig auf Downlink-Nachrichten hören müssen. Da Geräte der Klasse C aktiv bleiben müssen, werden sie in der Regel über das Stromnetz und nicht wie Geräte der Klasse A und sogar der Klasse B über Batterien betrieben (Abbildung 4).

Abbildung 4: LoRaWAN-Geräte der Klasse C werden in der Regel von einer konstanten Stromquelle gespeist und bleiben immer aktiv, indem sie ständig auf Downlink-Nachrichten warten, wenn sie keine Uplink-Nachrichten senden. (Bildquelle: Murata Electronics)

Obwohl das Konzept scheinbar einfach ist, erfordert die Implementierung von LoRaWAN-Netzen viel Wissen und Erfahrung, um das richtige Gleichgewicht zwischen den detaillierten Betriebsparametern des LoRaWAN-Protokolls und der zugrunde liegenden LoRa-Technologie zu finden.

Zertifiziertes LoRaWAN-Modul bietet einsatzbereite Lösung

Das Modul LBAA0QB1SJ-296 von Murata Electronics und die zugehörige Firmware bieten eine direkt einsatzbereite Lösung zur Beschleunigung der LoRaWAN-Vernetzung und stellen eine komplette LoRaWAN-zertifizierte Lösung für Endgeräte dar. Das Modul enthält den LoRa-Transceiver SX1262 von Semtech, den Mikrocontroller STM32L072 von STMicroelectronics mit 192 Kilobyte (KByte) Flash-Speicher, einen HF-Schalter und einen temperaturkompensierten Quarzoszillator (TCXO). Es wird in einem abgeschirmten Gehäuse aus Kunstharz geliefert, das nur 10,0 x 8,0 x 1,6 Millimeter (mm) misst (Abbildung 5).

Abbildung 5: Das Modul LBAA0QB1SJ-296 von Murata Electronics bietet eine komplette LoRaWAN-Netzwerklösung mit einem LoRa-Transceiver SX1262 von Semtech und einem Mikrocontroller STM32L072 von STMicroelectronics, auf dem ein vorinstallierter LoRaWAN-Stack läuft. (Bildquelle: Murata Electronics)

Das Modul wird mit einer einzigen 3,3-Volt-Versorgung betrieben und verbraucht nur 15,5 Milliampere (mA) bei einer Bandbreite von 125 Kilohertz (kHz), während es eine Empfängerempfindlichkeit von -135,5 Dezibel, bezogen auf 1 Milliwatt (mW) (dBm), bei einer Paketfehlerrate von 1 % bei gleicher Bandbreite und maximalem Spreizfaktor bietet. Der Spreizfaktor ist definiert als die Anzahl der Chirps pro Bit in der LoRa-Chirp-Spreizspektrum-Technologie. Für die Übertragung bietet das Modul eine Sendeleistung von bis zu +21,5 dBm bei einem Stromverbrauch von 118 mA bei maximaler Sendeleistung.

Das Modul LBAA0QB1SJ-296 unterstützt LoRaWAN der Klassen A, B und C und bietet mehrere stromsparende Betriebsmodi, die es Entwicklern ermöglichen, Leistung und Stromverbrauch in Einklang zu bringen. Für batteriebetriebene Endgeräte (die typischerweise in Klasse A oder Klasse B betrieben werden) kann das Modul in einem Modus mit ultraniedriger Leistungsaufnahme betrieben werden, der nur etwa 1,3 Mikroampere (µA) bei Echtzeit-Taktbetrieb verbraucht und einen jahrelangen Betrieb ermöglicht.

Schnelle Entwicklung von LoRaWAN-vernetzten Geräten

Die Verwendung des Moduls LBAA0QB1SJ-296 zur Erweiterung eines Endgerätes um LoRaWAN-Vernetzung ist relativ einfach. Auf der Hardwareseite wird das Modul über die universelle asynchrone Empfänger-/Senderschnittstelle (UART) mit einem Host-Prozessor des Endgeräts verbunden. Neben der UART-Schnittstelle für die Host-Kommunikation benötigt das Modul nur eine externe Antenne und ein paar zusätzliche Komponenten, um ein komplettes LoRaWAN-Hardware-Subsystem zu bilden (Abbildung 6).

Abbildung 6: Mit dem Modul LBAA0QB1SJ-296 von Murata Electronics benötigen Entwickler nur wenige zusätzliche Komponenten, um ihren Endgeräte-Designs zertifizierte LoRaWAN-Vernetzung hinzuzufügen. (Bildquelle: Murata Electronics)

Softwareseitig wird das Modul LBAA0QB1SJ-296 mit einem kompletten Stack für den LoRaWAN-Betrieb im 915MHz-ISM-Band vorkonfiguriert. Im Betrieb steuert und überwacht der Host-Prozessor des Endgeräts den Betrieb des Moduls mithilfe eines AT-Befehlssatzes.

Obwohl die Hardwareschnittstelle des Moduls und die vorinstallierte Firmware dazu beitragen, die kundenspezifische Entwicklung zu beschleunigen, können Entwickler mit dem Evaluierungsboard LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK von Murata sofort mit dem Rapid Prototyping beginnen und die Entwicklung von Produktionsdesigns beschleunigen (Abbildung 7).

Abbildung 7: Das Evaluierungsboard LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK von Murata wurde entwickelt, um die Evaluierung und das Rapid Prototyping von LoRaWAN-Vernetzung zu beschleunigen, und kombiniert ein LBAA0QB1SJ-296-Modul mit Peripheriekomponenten und Anschlüssen. (Bildquelle: Murata Electronics)

Das Evaluierungsboard unterstützt das integrierte Modul LBAA0QB1SJ-296 mit mehreren Benutzerschnittstellen-Komponenten, darunter Leuchtdioden (LEDs), ein Thermistor und Drucktasten. Entwickler können die Funktionalität des Boards weiter ausbauen, indem sie benötigte Peripheriegeräte über die Arduino-Uno-V3-Anschlüsse des Boards hinzufügen.

Um mit der Evaluierung von LoRaWAN für ihre Anwendung zu beginnen, müssen Entwickler lediglich eine geeignete 915MHz-HF-Subminiatur-Antenne der Version A (SMA) anbringen, das Board über eine externe Quelle mit Strom versorgen und es über den USB-Anschluss mit einem Host-Entwicklungssystem verbinden.

Nachdem das Board hochgefahren ist, können Entwickler den Betrieb des Moduls mit einem Terminal-Emulationsprogramm oder einem Testwerkzeug mit grafischer Benutzeroberfläche (GUI) testen, das registrierten Board-Benutzern zur Verfügung steht. Für ein erweitertes Debugging bietet das Board einen Serial Wire Debugger (SWD) und einen USB-Anschluss für den Anschluss eines ST-LINK-Debuggers/Programmers von STMicroelectronics.

Für die End-to-End-Anwendungsevaluierung und das Software-Debugging können Entwickler einfach ein leicht erhältliches LoRaWAN-Gateway hinzufügen, um die Kommunikationsverbindung zwischen dem Evaluierungsboard und den Anwendungsservern zu vervollständigen.

Fazit

Das LoRaWAN-Protokoll und die zugrundeliegende LoRa-Technologie bieten eine effektive Lösung für die Vernetzung von Endgeräten über große Entfernungen hinweg, ohne das begrenzte Energiebudget zu gefährden. Das Modul LBAA0QB1SJ-296 von Murata Electronics ist eine LoRaWAN-zertifizierte, direkt einsatzbereite Lösung, die den Aufbau von stromsparenden Weitbereichsnetzen beschleunigen soll. Mit dem auf dem LBAA0QB1SJ-296 basierenden Evaluierungsboard LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK von Murata Electronics können Entwickler ihre LoRaWAN-Netzwerkanwendungen schnell prototypisieren und evaluieren.