Accelerare i progetti IoT LoRaWAN con uno starter kit end-to-end

I progettisti di reti di sensori e attuatori di Internet delle cose (IoT) per applicazioni di monitoraggio e controllo remoto - dall'agricoltura e l'estrazione mineraria alla città intelligente - richiedono un'interfaccia wireless a lungo raggio che sia sicura, robusta, a bassa manutenzione e relativamente facile da implementare. Una buona opzione per tali applicazioni è LoRaWAN, con una portata fino a 15 km attraverso connessioni rurali in linea di vista e fino a 5 km in aree urbane, utilizzando dispositivi finali con batterie che possono durare fino a 10 anni.

Sebbene LoRaWAN sia una tecnologia matura di rete ad ampio raggio e a bassa potenza (LPWAN), gli sviluppatori hanno sempre bisogno di modi per semplificare l'implementazione e la connessione al cloud.

La sfida per gli ingegneri nuovi ai progetti IoT LoRaWAN viene dall'affrontare le complessità sia di impostare il dispositivo finale wireless, sia di interfacciarsi con il gateway e una piattaforma IoT cloud. Il compito è reso molto più facile con gli starter kit che includono tutti gli elementi necessari per costruire e far funzionare un prototipo.

Questo articolo presenta LoRaWAN e spiega come la tecnologia completi le reti di sensori wireless a corto raggio formando una LPWAN per inoltrare i dati dei sensori al cloud. Quindi presenta e descrive l'uso dello starter kit XON-9-L1-KIT-001 di Digi, che include un dispositivo finale multi-sensore, un gateway multicanale e una piattaforma IoT dispositivo-cloud, per progettare, sviluppare e configurare una soluzione IoT LoRaWAN basata su una piattaforma industriale.

Che cosa sono LoRa e LoRaWAN?

LoRaWAN è una tecnologia LPWAN per dispositivi IoT caratterizzata da una portata di decine di chilometri, un basso throughput (da 250 bps) a 50 kbps a seconda della frequenza della portante) e un consumo energetico molto basso (per una durata della batteria fino a un decennio, a seconda dell'applicazione). La tabella 1 illustra il confronto tra LoRaWAN e altre tecnologie IoT.

Tabella 1: LoRaWAN è un protocollo wireless IoT LPWAN con caratteristiche adatte al funzionamento a basso throughput e a lungo raggio. La tabella mostra come si confronta con altre tecnologie IoT wireless. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

La specifica LoRa definisce lo strato fisico (PHY) e la tecnica di modulazione alla base di LoRaWAN. Lo strato MAC (Media Access Control) dello stack di protocollo è specificato dallo standard LoRaWAN (Figura 1).

Figura 1: Lo strato fisico (PHY) LoRa e la tecnica di modulazione, e MAC LoRaWAN, più lo strato applicativo, costituiscono lo stack di protocollo LoRaWAN. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

Essenziale per la portata della tecnologia è l'uso di una forma modificata di modulazione a divisione di spettro in sequenza diretta (DSSS). DSSS diffonde il segnale su una larghezza di banda più ampia di quella dell'informazione originale, rendendolo meno suscettibile alle interferenze, aumentando dunque la portata. Uno svantaggio di DSSS è che richiede un clock di riferimento molto accurato (e costoso). La tecnica LoRa a divisione di spettro chirp (CSS) offre un'alternativa DSSS a basso costo e bassa potenza che elimina il clock. CSS diffonde lo spettro del segnale generando un segnale chirp la cui frequenza varia continuamente (Figura 2).

Figura 2: La tecnica CSS LoRa diffonde lo spettro del segnale generando un segnale chirp la cui frequenza varia continuamente. La tecnica elimina la necessità dei costosi clock di riferimento utilizzati in DSSS. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

Usando CSS, gli offset di tempo e di frequenza tra il trasmettitore e il ricevitore sono equivalenti, il che riduce ulteriormente la complessità del progetto del ricevitore. La modulazione LoRa include anche uno schema di correzione degli errori variabile che migliora la robustezza del segnale trasmesso, aumentando ulteriormente la portata. Il risultato è una potenza di trasmissione (Tx) e sensibilità del ricevitore (Rx) del bilancio di collegamento di circa 154 dBm, permettendo a un singolo gateway o stazione base di coprire intere città.

In Nord America, LoRaWAN utilizza lo spettro allocato da 902 a 928 MHz nella banda ISM (Industrial, Scientific, Medical). Il protocollo wireless definisce 64 canali uplink a 125 kHz da 902.3 a 914.9 MHz in incrementi di 200 kHz. Ci sono altri otto canali uplink a 500 kHz in incrementi di 1,6 MHz da 903 MHz a 914,9 MHz. Gli otto canali downlink sono a 500 kHz, a partire da 923,3 MHz fino a 927,5 MHz. La potenza massima di trasmissione in Nord America è di 30 dBm, ma per la maggior parte delle applicazioni è sufficiente una potenza di trasmissione di 20 dBm. Secondo le norme FCC vigenti negli Stati Uniti non esistono limitazioni al ciclo di lavoro, ma c'è un tempo massimo di permanenza di 400 ms per canale.

La connettività di rete a maglie è una tecnica per aumentare la portata inoltrando messaggi tra i nodi per raggiungere i confini della rete, ma aggiunge complessità, riduce la capacità e la durata della batteria. Invece di usare la rete a maglie, LoRaWAN impiega una topologia a stella in cui ogni nodo (a lungo raggio) si collega direttamente a un gateway. I nodi non sono associati a un gateway specifico. Invece, i dati trasmessi da un nodo tipicamente sono ricevuti da più gateway. Ogni gateway quindi inoltra il pacchetto ricevuto dal nodo finale al server di rete basato sul cloud attraverso un backhaul (tipicamente cellulare, Ethernet, satellite o Wi-Fi) (Figura 3).

Figura 3: LoRaWAN impiega una topologia a stella in cui ogni dispositivo finale si collega direttamente a uno o più gateway. Ogni gateway inoltra poi le informazioni al server di rete basato sul cloud tramite una connessione backhaul. (Immagine per gentile concessione di Semtech)

Per la fattibilità di una rete a stella a lungo raggio, il gateway deve essere in grado di ricevere messaggi da un numero elevato di nodi. LoRaWAN assicura questa capacità elevata impiegando una velocità dati adattiva e utilizzando gateway che possono ricevere messaggi simultanei su più canali. Un singolo gateway a otto canali può supportare alcune centinaia di migliaia di messaggi al giorno. Supponendo che ogni dispositivo finale invii dieci messaggi al giorno, un tale gateway può supportare circa 10.000 dispositivi. Se è necessaria una maggiore capacità, si possono aggiungere altri gateway alla rete.

Starter kit LPWAN per la prototipazione rapida

Le tecnologie LPWAN sono complesse e possono essere problematiche per l'ingegnere inesperto. Non solo lo sviluppatore deve impostare il dispositivo finale wireless con una connessione sicura e robusta, ma deve anche interfacciarlo con il gateway, fornirlo come parte della rete e poi eseguire la connessione a una piattaforma IoT cloud.

Questa costruzione di una soluzione IoT LoRaWAN end-to-end è resa più semplice utilizzando uno starter kit su misura, come XON-9-L1-KIT-001 di Digi (Figura 4). Con questo starter kit, un ingegnere può familiarizzare rapidamente con ogni passo del processo, sicuro del fatto che la fase successiva può essere incorporata rapidamente. Di conseguenza, uno sviluppatore non esperto può prototipare rapidamente una soluzione IoT LoRaWAN completa.

Figura 4: Lo starter kit XON-9-L1-KIT-001 LoRaWAN include tutto l'occorrente per prototipare una connessione di rete, compreso il gateway Ethernet HXG3000, uplink e downlink, una scheda Client Shield, antenna, alimentatore e un'interfaccia di programmazione. (Immagine per gentile concessione di Digi)

LoRa presenta classi di dispositivi che compensano la latenza di comunicazione downlink della rete rispetto alla durata della batteria; lo starter kit di Digi fornisce il supporto per LoRaWAN di classe A (dispositivi finali bidirezionali a bassa potenza) e di classe C (latenza più bassa, ricevitore del dispositivo finale sempre acceso, dispositivi finali bidirezionali).

Questo starter kit fornisce tutto l'occorrente per impostare un prototipo LoRaWAN in modo rapido e sicuro. In particolare, include un uplink/downlink, una scheda di espansione o "Client Shield" con un modulo LoRaWAN, un LED, un ingresso digitale, sensori di temperatura, un gateway Ethernet LoRaWAN HXG3000 a 8 canali di Digi, un'interfaccia di programmazione delle applicazioni (API) per sviluppatori incorporata e un account di prova gratuito di 30 giorni per una piattaforma dispositivo-cloud con provisioning mobile scan-and-go.

Il gateway HXG3000 offre comunicazioni bidirezionali a lungo raggio, non in linea di vista, su LoRaWAN, e può gestire fino a 1,5 milioni di messaggi al giorno. Il prodotto include una radio omnidirezionale da 1,7 dBm, fino a 27 dBm di potenza Tx e -138 dBm di sensibilità Rx. Il funzionamento è nella banda 902-928 MHz senza licenza degli Stati Uniti. Il dispositivo è alimentato da un alimentatore c.a. o da Power-over-Ethernet (PoE). Sono disponibili modelli di backhaul Ethernet e LTE Cat M1.

Il LoRaWAN Client Shield di Digi è la parte dello starter kit che aiuta gli ingegneri a prototipare e sviluppare sensori LoRaWAN. Fornisce la connettività per selezionare le schede di sviluppo compatibili Nucleo di STMicroelectronics (come NUCLEO-L053R8) e schede di sviluppo per microcontroller ARM Keil® Cortex®-M di Arduino per la connettività lato client LoRaWAN. Oltre ai connettori impilabili di Arduino, il Client Shield dispone di un sensore di temperatura a termistore a bassa potenza, un interruttore a scorrimento per ingresso digitale e un LED rosso, verde e blu (RGB) a comando digitale. Lo shield ha un connettore U.FL e l'antenna associata è inclusa come parte del kit. Lo shield incorpora anche il modulo LoRaWAN che opera nella banda statunitense senza licenza da 902 a 928 MHz. La potenza Tx va da 14 a 20 dBm (Figura 5).

Figura 5: Il Client Shield XON-9-L1-KIT-001, che ospita il modulo LoRaWAN, può essere montato su una scheda di sviluppo Nucleo di STMicroelectronics (in figura) o di Arduino. (Immagine per gentile concessione di Digi)

X-ON di Digi è una piattaforma completa dispositivo-cloud per dispositivi finali IoT. La piattaforma è una soluzione di sviluppo e una soluzione cloud operativa. X-ON incorpora un server di rete LoRaWAN integrato e si unisce al server per supportare dispositivi e gateway che eseguono il protocollo wireless LoRaWAN. Il server gestisce il flusso di adesione, compresa l'autenticazione della rete e del server dell'applicazione e la generazione della chiave di sessione.

La piattaforma permette allo sviluppatore di:

• Configurare, monitorare e diagnosticare i dispositivi o i gateway dall'interfaccia web e mobile
• Automatizzare la distribuzione di dispositivi e gateway con l'app di provisioning
• Gestire i gateway di rete wireless
• Raccogliere e analizzare i dati direttamente dai dispositivi finali
• Utilizzare un'API inter-cloud per dati di dispositivi in tempo reale e bidirezionali tra più piattaforme cloud
• Registrare e tracciare i messaggi di dati in tempo reale per operazioni interattive e risolvere i problemi con i dispositivi finali e i gateway
• Integrare i dati attraverso API aperte per sviluppare applicazioni più complesse con utility di terze parti (Figura 6)

Figura 6: X-ON di Digi è una piattaforma dispositivo-cloud per dispositivi finali IoT che permette allo sviluppatore di automatizzare la distribuzione di dispositivi e gateway con l'app di provisioning per smartphone. Lo sviluppatore può quindi configurare, monitorare e diagnosticare i dispositivi o i gateway dall'interfaccia web e mobile. (Immagine per gentile concessione di Digi)

Primi passi con un progetto LoRaWAN

Poiché le schede di sviluppo Client Shield Nucleo diSTMicroelectronics e Arduino usano microcontroller embedded di ARM Keil e quindi sono "abilitate per ARM Keil Mbed", iniziare un progetto con lo starter kit di Digi è relativamente semplice. (ARM Keil Mbed di è una piattaforma e un sistema operativo (OS) per dispositivi IoT basati su microcontroller di classe ARM Keil Cortex M a 32 bit) Il Client Shield include un linguaggio di comando AT incorporato e un'API ARM Keil Mbed C++ Embedded semplificata progettata per astrarre le complessità di progettazione, semplificando lo sviluppo.

La compatibilità Mbed dello starter kit LoRaWAN di Digi consente di lavorare allo sviluppo di applicazioni utilizzando le risorse online Mbed di ARM Keil. Le risorse comprendono tre opzioni. Il compilatore Mbed Online permette allo sviluppatore di iniziare immediatamente lo sviluppo di applicazioni senza installare altro. Tutto ciò che serve è un account Mbed.

Per lo sviluppo di applicazioni più avanzate, lo starter kit LoRaWAN di Digi può essere collegato a Mbed Studio, un ambiente di sviluppo integrato (IDE) per la creazione, la compilazione e il debug di programmi Mbed. Infine, c'è Mbed CLI, uno strumento basato sulla riga di comando che può essere integrato nell'IDE preferito dello sviluppatore.

Il percorso più veloce per lo sviluppo è quello di impostare prima l'account per X-ON di Digi. Successivamente, lo sviluppatore deve registrarsi per un account Mbed Online Compiler. Poi, dopo aver montato il Client Shield sulla scheda di sviluppo, deve collegare il gruppo a un computer desktop utilizzando un cavo USB. Il LED "PWR" sul Client Shield e il LED "COM" sulla scheda di sviluppo si illumineranno indicando che l'elettronica è alimentata.

Mbed Online Compiler guida quindi lo sviluppatore attraverso una serie di semplici passi per aggiungere la piattaforma hardware al compilatore. Una volta aggiunto l'hardware, il codice può essere importato nel compilatore dagli esempi di applicazioni per sensori nel repository Mbed (o altre librerie) e scaricato nella scheda di sviluppo. Il compilatore può anche essere usato per cambiare le configurazioni LoRaWAN come la classe del dispositivo e la modalità di adesione alla rete (Figura 7).

Figura 7: È semplice cambiare le configurazioni LoRaWAN come la classe del dispositivo e la modalità di adesione alla rete usando il compilatore online Mbed di ARM Keil. (Immagine per gentile concessione di Digi)

A condizione che il gateway sia in funzione, il Client Shield/scheda di sviluppo si unirà alla rete e inizierà a inviare uplink ogni 15 s (in modalità predefinita). Nella pagina dell'account X-ON, una volta premuto il pulsante "Stream", i dati trasmessi dal dispositivo verranno visualizzati sullo schermo.

Conclusione

Per i progettisti di reti di sensori e attuatori IoT, LoRaWAN offre accesso RF senza licenza, decine di chilometri di portata, basso consumo energetico, buona sicurezza e scalabilità, e connettività robusta. Tuttavia, come molti protocolli wireless IoT, può essere impegnativo gestire la connettività dei dispositivi finali, il provisioning, i gateway e lo streaming dei dati dei sensori al cloud.

Come mostrato, lo starter kit LoRaWAN di Digi risolve molti di questi problemi. È dotato di un Client Shield con un'API Mbed C++ Embedded semplificata di ARM Keil, un gateway LoRaWAN con backhaul Ethernet e una piattaforma X-ON dispositivo-cloud con provisioning mobile scan-and-go. Utilizzando lo starter kit, lo sviluppatore può rapidamente diventare operativo con un prototipo di hardware LoRaWAN, sviluppare e trasferire il codice applicativo di sensori e attuatori, e analizzare e presentare i dati utilizzando la piattaforma cloud.