LoRaWAN jako uzupełnienie infrastruktury Smart City IoT. Poznaj moduł Masters z układem STM32WL.


 
W naturalny sposób aplikacje opierające się o LoRaWAN wykorzystywane są m.in. w rozwiązaniach inteligentnych miast i inteligentnych fabryk w ramach wciąż rozwijającego się trendu związanego z tzw. Przemysłem 4.0. Inteligentne urządzenia wymagają połączenia wielu dziedzin i w trakcie ich projektowania mogą pojawić się problemy związane z dobraniem pasującego hardware’u, zapewnieniem odpowiedniej łączności oraz oprogramowania. Jednak firmy produkujące inteligentne urządzenia mogą skorzystać z gotowych układów. Na rynku pojawiają się uniwersalne moduły, które w zasadniczy sposób ułatwiają i usprawniają pracę inżynierów-konstruktorów. Takie moduły umożliwiają szybkie przeniesienie pomysłu z obszaru wirtualnego do prototypu, a potem rozwiązania komercyjnego.

Aplikacje IoT a wyzwania z hardware’em

Adaptacja i realizacja rozwiązań Internetu Rzeczy w praktyce zderza się z wieloma przeciwnościami. Najistotniejsze wyzwanie stojące przed inżynierami i projektantami jest skupione na ograniczeniach w obszarze konsumpcji energii i zasięgu, co oznacza, że trzeba sprostać wymagania minimalnego zapotrzebowania na energię przy maksymalnie dużym zasięgu.

Brak wystarczającej ilości energii w długiej jednostce czasu dla rozwiązań bateryjnych pozbawionych możliwości doładowania ze źródeł odnawialnych (np. panele fotowoltaiczne, generatory mechaniczne i piezoelektryczne, etc. ) oznacza konieczność limitowania częstotliwości interakcji urządzeń z systemami składowania danych.

Niewystarczający poziom energii w aplikacjach IoT generuje zazwyczaj konieczność ograniczenia mocy części komunikacyjnej, co w rezultacie obniża zasięg. Oznacza to zmniejszanie wartości biznesowej rozwiązania i przesądza o nieopłacalności inwestycji i wdrożenia na rynek, na czym finalnie tracimy My jako użytkownicy.

Dążenie do zapewnienia komunikacji bezprzewodowej w rozwiązaniach IoT wymaga podjęcia decyzji w zakresie doboru właściwej techniki komunikacyjnej, co łączy się z wyborem pomiędzy pracą w pasmach licencjonowanych, a nielicencjonowanych.

Oparcie komunikacji o sieć GSM daje możliwość przeniesienia dużej części ciężaru na infrastrukturę telekomunikacyjną, ale niesie za sobą konsekwencje w postaci opłat i ograniczeń związanych m.in. z podwyższoną konsumpcją energii. Wybranie komunikacji CAT.M albo NB-IoT znacznie poprawia bilans energetyczny. Natomiast dla wielu rozwiązań nadal jest to poziom nieakceptowalny.
W takim przypadku godnym rozważenia rozwiązaniem jest zastosowanie techniki komunikacyjnej działającej w paśmie nielicencjonowanym, najbliżej odpowiadającej poziomowi bezpieczeństwa i uniwersalności sieci GSM. Drugi aspekt to zapewnienie mniejszej konsumpcji energii o kilka rzędów wielkości.

płyta ewaluacyjna STM32WL z LoRa

LoRa WAN – jak działa i jakie są korzyści z jej zastosowania?

Minęło zaledwie kilka lat i LoRaWAN stała się jedną z najpopularniejszych technik komunikacyjnych wykorzystywanych w urządzeniach Internetu Rzeczy. Zwiększeniu popularności sprzyja ciągły wzrost zapotrzebowania na możliwie bezobsługowe rozwiązania bateryjne lub zasilane ogólnodostępną energią. Dynamiczny przyrost ilości aplikacji jest wynikiem właściwości, które leżały u podstaw tworzenia założeń tej sieci. Najważniejszy cel to zapewnienie maksymalnego zasięgu przy optymalizacji poboru energii. Transmisja odbywa się w nielicencjonowanych pasmach w topologii gwiazdy w dwóch warstwach logicznych:

  • fizycznej – modulacja LoRa z rozpraszaniem widma polegającym na zmianie częstotliwości w czasie przy zachowaniu określonej szerokości pasma,
  • MAC – definiującej protokół umożlwiający komunikację w ramach sieci LoRaWAN.

Rozwiązanie tego typu gwarantuje wysoką odporność na zakłócenia. W rezultacie odpowiedni poziom propagacji przekłada się na zasięgi. W terenach niezurbanizowanych dochodzi do około 30 km, a w terenach silnie zurbanizowanych do 2 km w zależności od warunków propagacyjnych.

W efekcie dostępna jest przepustowość transmisji LoRa w przedziale 0,3 – 50 kbps. Rozwiązanie jest odpowiednie dla usług niewymagających przesyłania danych w czasie rzeczywistym gdzie okresowa komunikacja jest akceptowalna.

Topologia rozszerzonej gwiazdy LoRaWAN składa się z urządzeń końcowych (end-point) i bram sieciowych (Gateway). Brama ma na celu agregację komunikacji z urządzeń i przesłanie danych na dedykowany, wskazany serwer sieciowy. Z założenia brama dla urządzeń końcowych powinna być przezroczysta. Wyjątkiem jest zarządzanie uprawnieniami dostępu.

Stały rozwój LoRaWAN umożliwia obecnie prowadzenie skutecznej lokalizacji urządzeń końcowych poprzez pomiar poziomu sygnałów przy użyciu matematycznej metody triangulacji.

płyta ewaluacyjna STM32WL z LoRa

Od pomysłu, przez prototyp do rozwiązania komercyjnego

Prototypowanie to niezbędny, ale niestety i kosztowny etap w projektowaniu. Prototypowanie poprzedza wdrożenie, angażuje zasoby i cenny czas zespołów projektowych. Z definicji cechuje się złożonością i niepewnością jeśli chodzi o efekt końcowy. Celem prototypowania jest umożliwienie weryfikacji założeń mechanicznych i elektronicznych, zidentyfikowanie problemów funkcjonalnych przed rozpoczęciem produkcji oraz zapewnienie optymalizacji kosztów produkcji masowej. W wyniku tych wszystkich działań, powstały prototyp ma pełnić funkcję demonstracyjną z możliwością przeniesienia części lub całości know-how wprost do rozwiązania komercyjnego.

Płyta ewaluacyjna Masters z pierwszym na świecie SoC z LoRa. Przyspieszamy fazę prototypowania.

Płyta ewaluacyjna Masters opiera się na układzie radiowym STM32WL od firmy ST Microelectronics. Moduł wykonany jest w technologii SoC. Integruje transceiver posiadający modulację LoRa z wydajnym mikrokontrolerem wyposażonym w rdzeń Cortex M4. Układ STM32WL jest pionierem rodziny STM32 w zakresie łączności bezprzewodowej w paśmie sub-GHz, oferując łatwość użytkowania i niezawodność.
Cecha wyróżniającą płytę ewaluacyjną Masters z STM32WL jest zapewnienie użytkownikowi platformy prototypowej, która jest wyposażona w najistotniejsze elementy niezbędne na etapie prototypowania bez konieczności prowadzenia dodatkowych kabli. Płyta zawiera wbudowaną antenę PIFA firmy Proant , której cechą charakterystyczną jest wysoka stabilność i odporność na odstrojenie częstotliwościowe, nawet w bliskiej odległości elementów metalowych lub dłoni.

Płyta ewaluacyjna Masters z STM32WL posiada gniazdo SMA dla anten zewnętrznych i daje możliwość testów wszędzie tam, gdzie wymogiem w trakcie adaptacji aplikacji jest konieczność zastosowania anteny oddalonej o wysokim zysku energetycznym.

Przełączanie pomiędzy anteną PIFA, a złączem SMA odbywa się programowo tak, aby zapewnić użytkownikowi maksymalną użyteczność i wygodę. W układzie zastosowano również czujnik HTS221, aby podczas testów pojawiły się rzeczywiste i zmienne w czasie pomiarów dane. Natomiast zastosowanie baterii sprawia, że układ może być rozwiązaniem samodzielnym. Urządzeniem, które umożliwia przeprowadzenie pierwszego etapu prototypowania w fazie testów PoC.

płyta ewaluacyjna STM32WL z LoRa

Użyty mikrokontroler bazuje na dobrze znanym rdzeniu Arm® Cortex®-M4, a układ radiowy oparty jest o IP core SX126x. Układ może pracować nie tylko z modulacjąLoRa®. Zapewnia też wiele standardowych modulacji (G) FSK, (G) MSK, BPSK. Dzięki tym cechom w elastyczny sposób wpasowuje się w aplikacje bezprzewodowe z LoRaWAN® lub z innym protokołem np. na potrzeby aplikacji IoT. Stos LoRaWAN® dostępny jest opcjonalnie.

Układ został opracowany w tej samej technologii co mikrokontroler STM32L4, dzięki czemu STM32WL z jednej strony zawiera podobny zestaw peryferiów cyfrowych i analogowych, a z drugiej charakteryzuje się wyjątkowo niskim poborem mocy zapewniając długą żywotność baterii.

Aby zapewnić ogólnoświatową kompatybilność, MCU STM32WL są wyposażone w dwa wzmacniacze mocy w.cz. (15dBm oraz 22dBm) i szeroki zakres częstotliwości pracy (od 150 MHz do 960 MHz) umożliwiający pracę w zakresie nielicencjonowanego pasma RF Sub-GHz. Mikrokontrolery STM32WL zawierają wbudowane funkcje sprzętowe: szyfrowanie AES 128- / 256-bitowe, ochrona przed odczytem / zapisem PCROP oraz kryptografia klucza publicznego z silnikiem szyfrowania krzywej eliptycznej.

Linia STM32WLE5 obejmuje szeroką gamę funkcji komunikacyjnych, w tym do 43 GPIO, zintegrowaną przetwornicę DC/DC (SMPS) do optymalizacji zużycia energii, wiele trybów niskiego poboru mocy w celu maksymalizacji żywotności baterii.

Usługa End-to-End – komunikacja dobrana do Twojej aplikacji

Łatwość prototypowania to dostarczanie rozwiązań kompleksowych, dostępu do najnowszych układów ewaluacyjnych i zapewnienie dostępu do skalowalnych środowisk chmurowych. Płyta ewaluacyjna Masters STM32WL to gotowy do użycia układ zawierający osprzęt oraz programowanie. Jej użycie zapewnia znaczące przyspieszenie fazy prototypowania i testowania. Dzięki partnerstwu biznesowemu Masters i Orange Polska, możemy poszerzyć ofertę została o brakujący element, czyli connectivity do LoRaWAN.

Masters i Orange Polska zapewniają wsparcie dla klienta na każdym etapie tworzenia projektu, od transferu wiedzy w postaci seminariów technicznych i konsultacji inżynieryjnych przez dostarczanie platformy sprzętowej jakimi są płyty ewaluacyjne wraz z kompleksowym środowiskiem kolekcji danych, po usługi projektowe i produkcję wielkoseryjną. Dzięki całościowemu podejściu klienci zyskują czas, mogą zaoszczędzić fundusze oraz szybciej wprowadzić produkt na rynek.

Zachęcamy do kontaktu mailowego rd@masters.com.pl lub telefonicznego +48 502 825 627.