Accelerare lo sviluppo della connettività a lungo raggio con un modulo LoRaWAN certificato

In molte applicazioni ad alto volume basate su sensori per l'agricoltura, il monitoraggio delle risorse, le utenze e l'Internet delle cose (IoT), gli sviluppatori devono fornire una connettività sicura in intervalli di funzionamento estesi. Progettato per supportare reti molto estese di tali dispositivi, il protocollo LoRaWAN (WAN ad ampio raggio) può risultare una soluzione efficace, ma richiede un'adeguata familiarità e competenza per implementare rapidamente un sottosistema di comunicazione ottimizzato.

Questo articolo descrive brevemente LoRaWAN e le sue funzionalità. Presenta quindi un modulo certificato LoRaWAN di Murata Electronics che offre agli sviluppatori una soluzione drop-in per una connettività a lunghissimo raggio attraverso reti LPWAN (WAN a bassa potenza). Per accelerare la prototipazione, si parla anche della scheda di sviluppo e del supporto software.

Che cos'è LoRaWAN?

Tra le opzioni di connettività wireless disponibili, LoRaWAN è emersa come una soluzione efficace per le applicazioni basate su server che si connettono con dispositivi finali a bassa potenza situati ben al di là del raggio d'azione di opzioni wireless familiari come Wi-Fi o Bluetooth. In una rete LoRaWAN, i server applicativi comunicano attraverso reti TCP/IP convenzionali con i gateway LoRaWAN (Figura 1).

Figura 1: In una tipica applicazione di rete LoRaWAN, i server si collegano ai gateway che a loro volta utilizzano le capacità a lungo raggio e a bassa potenza della tecnologia LoRa per collegare dispositivi finali che potrebbero trovarsi a molti chilometri di distanza. (Immagine per gentile concessione di Murata Electronics)

I gateway LoRaWAN, a loro volta, comunicano con i dispositivi finali utilizzando la tecnologia LoRa a radiofrequenza (RF) sub-gigahertz che opera nelle bande di frequenza ISM (Industrial, Scientific, Medical) senza licenza. Destinata ad applicazioni a bitrate relativamente basso, la tecnologia LoRa offre un bitrate massimo di circa 10 kbit/s, ma presenta vantaggi unici per le applicazioni a lungo raggio.

Basata sulla tecnologia a spettro diffuso, LoRa RF consente agli sviluppatori di scambiare la velocità di trasmissione con la portata, ottenendo facilmente comunicazioni bidirezionali affidabili a distanze superiori a 15 km in aree rurali o superiori a 5 km in luoghi chiusi in aree urbane dense.

Il protocollo LoRaWAN protegge il traffico di comunicazione grazie al modello di sicurezza LoRaWAN. LoRaWAN utilizza una coppia di chiavi di sicurezza: una per garantire l'autenticità e l'integrità a livello di pacchetto e un'altra per garantire la sicurezza end-to-end dei messaggi tra dispositivi finali e server applicativi.

Il protocollo LoRaWAN offre ulteriori vantaggi per bilanciare il consumo energetico dei dispositivi finali con le esigenze di comunicazione dell'applicazione. Una rete LoRaWAN consente ai dispositivi di operare in una delle tre classi: Classe A, Classe B o Classe C. Un dispositivo di qualsiasi classe può trasmettere messaggi quando necessario, ma la sua classe determina quando può ricevere messaggi.

I dispositivi di Classe A sono i più efficienti dal punto di vista energetico e sono progettati per il funzionamento in base agli eventi, ad esempio quando un sensore rileva un cambiamento nell'ambiente. I dispositivi di Classe A possono rimanere in stato di sospensione tra un evento e l'altro, riattivandosi dopo l'acquisizione dei dati del sensore solo per il tempo necessario a trasmettere i dati, per poi aprire finestre di ricezione downlink a ritardi specificati (RX1 e RX2) dopo la trasmissione uplink (Figura 2).

Figura 2: La classe LoRaWAN più efficiente dal punto di vista energetico, Classe A, consente ai dispositivi di rimanere in sospensione il più a lungo possibile, attivandosi solo per trasmettere (uplink) i dati ai gateway e successivamente aprire una prima finestra di ricezione (RX1) e una seconda finestra di ricezione (RX2) al termine dell'uplink. (Immagine per gentile concessione di Murata Electronics)

I dispositivi di Classe B supportano il funzionamento periodico secondo un programma richiesto dall'applicazione. Per i dispositivi di Classe B, il protocollo LoRaWAN consente di aprire una finestra di ricezione in downlink secondo un orario specifico, utilizzando un radiofaro trasmesso dal gateway per sincronizzare il dispositivo finale con la rete (Figura 3).

Figura 3: I dispositivi LoRaWAN di Classe B consentono downlink sincronizzati utilizzando un radiofaro trasmesso dal gateway collegato per mantenere la temporizzazione. (Immagine per gentile concessione di Murata Electronics)

I dispositivi di Classe C sono progettati per applicazioni che richiedono ai dispositivi finali un ascolto continuo dei messaggi in downlink. Poiché i dispositivi di Classe C devono rimanere attivi, sono tipicamente alimentati in rete piuttosto che a batteria, come i dispositivi di Classe A e persino di Classe B (Figura 4).

Figura 4: Tipicamente alimentati da una fonte di energia costante, i dispositivi LoRaWAN di Classe C rimangono sempre attivi, in costante ascolto di messaggi downlink quando non trasmettono messaggi uplink. (Immagine per gentile concessione di Murata Electronics)

Sebbene il concetto sia apparentemente semplice, l'implementazione di una rete LoRaWAN richiede conoscenze ed esperienze significative per trovare il giusto equilibrio tra i parametri operativi dettagliati del protocollo LoRaWAN e la tecnologia LoRa sottostante.

Il modulo LoRaWAN certificato offre una soluzione "drop-in".

Il modulo LBAA0QB1SJ-296 di Murata Electronics e il firmware associato sono una soluzione drop-in per accelerare la connettività di rete LoRaWAN, fornendo una soluzione completa certificata LoRaWAN per i dispositivi finali. Il modulo integra il transceiver LoRa SX1262 di Semtech, il microcontroller STM32L072 di STMicroelectronics con 192 kB di memoria flash, uno switch RF e un oscillatore a cristallo termocompensato (TCXO). È offerto in un contenitore stampato in resina e schermato di soli 10,0 x 8,0 x 1,6 mm (Figura 5).

Figura 5: Il modulo LBAA0QB1SJ-296 di Murata Electronics, che offre una soluzione di connettività LoRaWAN completa, integra un transceiver LoRa SX1262 di Semtech e un microcontroller STM32L072 di STMicroelectronics con uno stack LoRaWAN precaricato. (Immagine per gentile concessione di Murata Electronics)

Funzionando da una singola alimentazione da 3,3 V, il modulo consuma solo 15,5 mA con una larghezza di banda di 125 kHz e offre una sensibilità del ricevitore di -135,5 mW/dBm con un tasso di errore dei pacchetti dell'1% con la stessa larghezza di banda e il massimo fattore di divisione. Il fattore di divisione è definito come il numero di chirp per bit nell'implementazione della tecnologia a divisione di spettro chirp LoRa. Per la trasmissione, il modulo offre una potenza di trasmissione fino a +21,5 dBm con un consumo di 118 mA alla massima potenza di trasmissione.

Il modulo LBAA0QB1SJ-296 supporta LoRaWAN di Classe A, B o C e offre diverse modalità operative a bassa potenza che consentono agli sviluppatori di bilanciare prestazioni e consumi. Per i dispositivi finali alimentati a batteria (tipicamente operanti in Classe A o Classe B), il modulo può funzionare in una modalità a bassissima potenza che consuma solo circa 1,3 µA con funzionamento del clock in tempo reale, assicurando un funzionamento per anni.

Sviluppo rapido di dispositivi connessi a LoRaWAN

L'utilizzo del modulo LBAA0QB1SJ-296 per aggiungere la connettività LoRaWAN a un sistema di dispositivi finali è relativamente semplice. Dal punto di vista hardware, il modulo si collega a un processore host del dispositivo finale attraverso l'interfaccia UART (ricetrasmettitore asincrono universale) del modulo. Oltre all'interfaccia UART per le comunicazioni con l'host, il modulo richiede solo un'antenna esterna e alcuni componenti aggiuntivi per fornire un sottosistema hardware LoRaWAN completo (Figura 6).

Figura 6: Utilizzando il modulo LBAA0QB1SJ-296 di Murata Electronics, gli sviluppatori necessitano di pochi componenti aggiuntivi per aggiungere la connettività LoRaWAN certificata ai loro progetti di dispositivi finali. (Immagine per gentile concessione di Murata Electronics)

Dal punto di vista software, il modulo LBAA0QB1SJ-296 è preconfigurato con uno stack completo per il funzionamento LoRaWAN nella banda ISM a 915 MHz. Durante il funzionamento, il processore host del dispositivo finale gestisce e controlla il funzionamento del modulo utilizzando un set di comandi AT.

Sebbene l'interfaccia hardware del modulo e il firmware precaricato contribuiscano a velocizzare lo sviluppo personalizzato, la scheda di valutazione LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK di Murata consente agli sviluppatori di iniziare immediatamente la prototipazione rapida e lo sviluppo accelerato di progetti di produzione (Figura 7).

Figura 7: Progettata per accelerare la valutazione e la prototipazione rapida della connettività LoRaWAN, la scheda di valutazione LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK di Murata combina un modulo LBAA0QB1SJ-296 con periferiche e connettori. (Immagine per gentile concessione di Murata Electronics)

La scheda di valutazione supporta il modulo LBAA0QB1SJ-296 con diversi dispositivi di interfaccia utente, tra cui diodi luminescenti (LED), un termistore e pulsanti. Gli sviluppatori possono estendere ulteriormente le funzionalità della scheda aggiungendo le periferiche necessarie utilizzando i connettori Arduino Uno V3 della scheda.

Per iniziare a valutare LoRaWAN per la propria applicazione, gli sviluppatori devono solo collegare un'antenna RF subminiaturizzata A (SMA) da 915 MHz, alimentare la scheda da una fonte esterna e collegarla a un sistema di sviluppo host tramite il connettore USB.

Dopo la messa in funzione della scheda, gli sviluppatori possono testare il funzionamento del modulo utilizzando un programma di emulazione di terminale o uno strumento di test con interfaccia grafica utente (GUI) disponibile per gli utenti registrati della scheda. Per il debug esteso, la scheda dispone di Serial Wire Debug (SWD) e di un connettore USB per il collegamento di un debugger/programmatore ST-LINK di STMicroelectronics.

Per la valutazione delle applicazioni end-to-end e il debug del software, gli sviluppatori possono semplicemente aggiungere un gateway LoRaWAN facilmente reperibile per completare il collegamento di comunicazione tra la scheda di valutazione e i server applicativi.

Conclusione

Il protocollo LoRaWAN e la tecnologia LoRa sottostante sono una soluzione efficace per collegare i dispositivi finali su distanze elevate senza compromettere la limitata potenza disponibile. Progettato per accelerare l'implementazione di reti a bassa potenza e ad ampio raggio, il modulo LBAA0QB1SJ-296 di Murata Electronics offre una soluzione drop-in certificata LoRaWAN. Utilizzando la scheda di valutazione LBAA0QB1SJ-296 di Murata Electronics basata su LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK, gli sviluppatori possono prototipare e valutare rapidamente le loro applicazioni di rete LoRaWAN.