Vítejte, dnes je
středa
25.
prosinec 2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky 
Technologie LoRa® (Long Range) zvyšuje dosah u systémů internetu věcí (IoT). Spojuje zde totiž bezdrátovou propojitelnost na dlouhé vzdálenosti s nízkopříkonovými vlastnostmi. Ať již to budou chytrá města, či zemědělství nebo např. sledování v oblasti dodavatelského řetězce, LoRa je ideálním řešením, se kterým vytvoříte flexibilní sítě IoT pracující jak ve městě, tak i na venkově. Jak moc jednoduché ale ve skutečnosti bude vyvinout nové řešení LoRa, příp. na ně migrovat?
Pochopit novou bezdrátovou technologii a zvolit správné řešení pro vaši aplikaci může být náročné. Návrh bezdrátových vysokofrekvenčních (vf) systémů si obvykle žádá hluboké znalosti a pro vývojáře i nemálo času. V článku si proto představíme čtyři hlavní součásti síťové architektury LoRa a podrobněji rozebereme některé nejčastější problémy, kterým musí vývojáři v souvislosti s koncovými prvky LoRa čelit. Zároveň si ukážeme, jak se mohou s takovými nástrahami vypořádat certifikované moduly LoRa a zkrátit přitom dobu potřebnou k uvedení produktu na trh.
V souvislosti s LoRa hovoříme o formě bezdrátové modulace, resp. fyzické vrstvě, která umožňuje nízkopříkonovým koncovým zařízením komunikovat na velké vzdálenosti. LoRaWAN pak bude bezdrátovým síťovým protokolem vystupujícím jako vrstva MAC (Media Access Control) s implementací nad fyzickou vrstvou LoRa. Specifikace LoRaWAN podrobně popisuje komunikační protokol i síťovou architekturu, to vše s cílem zajistit bezpečnou komunikaci koncových zařízení a interoperabilitu v rámci dané sítě.
Síť LoRa se skládá ze čtyř částí, přesně jak je to znázorněno na obr. 1.
Obr. 1 Sítě LoRa a jejich čtyři součásti (zdroj: LoRa Alliance)
1) Koncová zařízení
jsou prvky ekosystému LoRa, které data ze senzorů shromažďují a rovněž je i odesílají, resp. přijímají. Obvykle se připojují na dálku a k napájení používají baterii.
2) Bránou
je myšleno evidentní spojení mezi koncovými zařízeními a síťovým serverem. Koncová zařízení ke spojení s bránou obvykle využívají LoRaWAN, přičemž brány pro připojení k sítím použijí prostředky s vysokou šířkou pásma typu Wi-Fi, ethernetu či mobilních technologií.
3) Síťový server
se připojuje k většímu počtu bran. Shromažďuje jejich data a také filtruje duplicitní zprávy, rozhoduje o tom, která brána by měla reagovat na zprávy z koncového zařízení, a přizpůsobuje přenosové rychlosti tak, aby se prodloužila výdrž baterie v koncovém zařízení.
4) Aplikační server
sbírá data z koncových zařízení a reguluje jejich činnost.
Nyní se pojďme blíže podívat, co to jsou koncová zařízení LoRa a jaké náročné úkoly se s nimi při návrhu pojí.
Koncová zařízení zde představují obyčejné věci, jako jsou senzory či akční členy. Obvykle se bude jednat o „věci“ v rámci internetu věcí IoT. V ekosystému LoRaWAN poté koncová zařízení komunikují se síťovým serverem prostřednictvím jedné nebo i více bran.
Koncová zařízení LoRa jsou nejčastěji levné aplikace napájené z baterií s důrazem na nízkou cenu a také spotřebu energie. Pokud jde o dobu vývoje, cílovou částku, výkonovou spotřebu nebo i zkušenosti s vývojem vf systémů, které jsou k dispozici, existuje zde několik možností, jak taková zařízení LoRa vystavět. Ještě předtím se ale pojďme podívat na nejčastější potíže, kterým vývojáři musí při návrhu koncových zařízení čelit, abychom si pak mohli zvolit správný produkt.
Mezi nejběžnější komplikace při návrhu zmiňované architektury koncového zařízení patří níže uvedených pět oblastí.
1) Návrh vf systému
Podobně jako u kteréhokoli dalšího bezdrátového řešení bude i v případě návrhu koncových zařízení LoRa zapotřebí značných zkušeností s vývojem vf systému. Použijeme-li SoC / SiP LoRa, bude vývojář koncového zařízení zodpovídat za celé vf řešení, včetně schématu zapojení, rozpisky součástek, layoutu desky plošného spoje, přizpůsobení antény a dalšího vf hardwaru.
Návrh vf systému není pokaždé jednoduchý, dokonce ani s tou nejlepší dokumentací nebo příručkami pro návrh aplikace. Nepůjde zde jen o hluboké znalosti, ale také o výraznou časovou zátěž pro vývojáře. Ladění vf návrhů si běžně žádá i speciální vybavení, což náklady spojené s vývojem dále navyšuje. Někteří výrobci proto nabízí SoC, resp. SiP doplněné o vynikající dokumentaci, certifikované referenční návrhy a také detailní soubory, pokud jde o návrhy vystavěné od samotného základu. Z pohledu nejkratší doby potřebné k vývoji a také snížených rizik však budou skoro vždy nejlepší volbou vysokofrekvenčně optimalizované, testované a také certifikované moduly LoRa nabízející ucelené řešení v podobě jediné součástky.
2) Soulad s předpisy a certifikace
LoRa či vf systémy provozované do 1 GHz obvykle pracují v bezlicenčním pásmu ISM a jejich kmitočet se bude měnit v závislosti na konkrétním území, což práci HW/SW vývojářů jen komplikuje. K návrhu zcela vyhovujícího řešení za minimální cenu, pokud jde o počet součástek, je proto zapotřebí zvýšeného úsilí. Rovněž se nám neustále mění požadavky regulačních orgánů související s vf přenosy. Pokud tedy máme udržet krok, může si opětovné testování produktu, včetně nových certifikací, vyžádat tisíce dolarů, ale i čas, který pak nemohou vývojáři koncového zařízení věnovat novým projektům. Situaci ale může snadno vyřešit nasazení certifikovaného modulu LoRa, kdy jeho výrobce dbá na dodržování takových náležitostí a moduly s ohledem na nejnovější specifikace znovu certifikuje. S takto řešeným modulem LoRa se proto veškerým nákladům, ale i časové ztrátě spojené s dodržováním předpisů, zcela vyhneme.
3) Provoz v různých oblastech
Zařízení LoRa podporují v závislosti na daném regionu několik frekvencí. Výrobci koncových zařízení své produkty často nabízí nejprve v jedné klíčové oblasti. Jakmile se začne poptávka zvyšovat, zvažují firmy rozšíření stejného návrhu i v dalších regionech. Díky jedinému SKU s podporou pro různé oblasti pak lze bez potíží přecházet a rozšiřovat koncové produkty v odlišných zemích či regionech. Z tohoto pohledu je ideální právě certifikovaný modul LoRa pracující v různých kmitočtových pásmech.
4) Robustní software
Moduly LoRa v sobě zpravidla integrují celý stack LoRaWAN a vývojář koncového zařízení proto jen potřebuje zajistit inicializaci společně s komunikací. V případě SoC či SiP a také samostatných modulů LoRa poskytne takový stack buď výrobce, nebo musí vývojáři použít svůj vlastní. Abychom zde dokázali omezit vývoj softwaru, doporučuje se zvolit moduly či integrované obvody (IO) LoRa s podporou stacku LoRaWAN právě ze strany výrobce. Takové osvědčené stacky LoRaWAN pak zajistí interoperabilitu koncových prvků s hlavními sítěmi a branami LoRaWAN, takže mohou zařízení v různých sítích pracovat i s menším rizikem.
5) Přechod od modulů k SoC
Mnoho firem u svých prototypů a počáteční výroby začíná s certifikovanými moduly, aby tak omezili riziko a dostali své produkty rychleji na trh. Když pak jejich produkty začnou narůstat, mohou se firmy rozhodnout ke změně a přejít na SoC či integrované obvody LoRa, i když to nemusí znamenat rostoucí flexibilitu ani nižší náklady na součástky. Přechod není vždy jednoduchý, a proto je velmi důležité zvážit samostatné moduly, které snadnou změnu mezi moduly a IO z pohledu softwaru také umožňují. Rovněž je nezbytné zvolit výrobce, kteří prodávají jak moduly, tak i SoC, takže vývojová platforma pak s doprovodnou strukturou zůstávají stejné.
Moduly LoRa zahrnují všechny potřebné bezdrátové součásti společně se stackem LoRaWAN a vf obvody, takže jsou ideálním řešením pro ještě rychlejší vývoj koncových zařízení LoRaWAN. Protože se vývoj vf části společně s certifikací odehrává přímo u výrobce modulu, budou jakékoli změny, pokud jde o specifikace či náhradu součástek, zcela v jeho režii a výrobcům koncových zařízení se tak během vývoje ušetří kvanta času, stejně jako náklady spojené s opětovnou certifikací.
Samostatné moduly a také obvody LoRa s vysokou mírou integrace nabízí dostatek paměti k činnosti, a to jak pro aplikační kód, tak i stack LoRaWAN. Zbavíme se tak potřeby vnějšího mikrokontroléru a ušetříme i místo na desce, včetně systémových nákladů. Jednoduchou ukázku takového samostatného modulu vidíme na obr. 2 a 3. Modul WLR089U0 založený na rodině IO SAM R34/35 od společnosti Microchip Technology je kompaktním řešením s 256 kB paměti Flash a 40 kB RAM a hodit se bude právě pro aplikace s nedostatkem místa. Modul rovněž zahrnuje integrovaný vf switch a umožňuje činnost ve více pásmech, takže stejné řešení využijete i v různých zemích, ve kterých pak můžete s koncovými produkty snadněji proniknout na trh. WLR089U0 je zároveň podporován osvědčeným stackem LoRaWAN od Microchipu a chráněným softwarem peer-to-peer, což vývoj softwaru pro koncové uživatele pracující s technologií LoRa dále zjednodušuje. Protože jsou moduly založené na integrovaných obvodech SAM R34/35, bude mnohem jednodušší i samotný přechod od modulů k IO a obráceně. Volba takového modulu pomůže zvládnout všechny běžné komplikace spojené s vývojem koncových zařízení LoRa, zatímco vše dále i zjednodušuje.
Obr. 2 Způsob řešení modulu LoRa WLR089U0
Obr. 3 Modul LoRa WLR089U0
Vývoj koncových zařízení LoRa může být složitý a časově náročný. Při návrhu ale mohou jednoduše pomoci osvědčené a také certifikované moduly LoRa s vysokou mírou integrace. V takovém případě se zaměřte na klíčové oblasti, jako jsou např. spolehlivý software, větší paměť, integrované vf switche nebo i certifikace. Výběr modulu LoRa se správnou certifikací pomůže nejen zjednodušit proces návrhu, ale vývojářům koncových zařízení rovněž umožní zdárně odlišit jejich produkty a dostat je rychleji na trh.
Pro více informací navštivte stránky www.microchip.com.
