การพัฒนาความเร็วของการเชื่อมต่อระยะไกลด้วยโมดูล LoRaWAN ที่ผ่านการรับรอง

ในการใช้งานที่ใช้เซ็นเซอร์ปริมาณมากสำหรับการเกษตร การติดตามทรัพย์สิน สาธารณูปโภค และอินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง ( Internet of Things, IoT) นักพัฒนาจำเป็นต้องจัดให้มีการเชื่อมต่อที่ปลอดภัยตลอดช่วงการทำงานที่ขยายออกไป โปรโตคอลเครือข่ายบริเวณกว้างระยะไกล (Long Range Wide Area Network, LoRaWAN) ที่ออกแบบมาเพื่อรองรับเครือข่ายขนาดมหึมาของอุปกรณ์ดังกล่าว สามารถมอบโซลูชันที่มีประสิทธิภาพ แต่ต้องใช้ความคุ้นเคยและความเชี่ยวชาญที่เหมาะสมเพื่อนำระบบการสื่อสารย่อยที่ได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมมาใช้อย่างรวดเร็ว

บทความนี้จะอธิบายโดยย่อเกี่ยวกับ LoRaWAN และความสามารถของ LoRaWAN จากนั้นจะแนะนำโมดูลที่ได้รับการรับรอง LoRaWAN จาก Murata Electronics ที่นำเสนอโซลูชันแบบดรอปอินสำหรับนักพัฒนาเพื่อให้บรรลุการเชื่อมต่อระยะไกลอย่างยิ่งผ่านเครือข่ายบริเวณกว้างที่ใช้พลังงานต่ำ (LPWAN) เพื่อเร่งการสร้างต้นแบบ เรายังได้แนะนำบอร์ดพัฒนาและการสนับสนุนซอฟต์แวร์อีกด้วย

LoRaWAN คืออะไร

ในบรรดาตัวเลือกการเชื่อมต่อไร้สายที่มีอยู่ LoRaWAN ได้กลายเป็นโซลูชันที่มีประสิทธิภาพสำหรับการใช้งานบนเซิร์ฟเวอร์ที่เชื่อมต่อกับอุปกรณ์ที่ใช้พลังงานต่ำซึ่งอยู่นอกเหนือตัวเลือกไร้สายที่คุ้นเคย เช่น Wi-Fi หรือ Bluetooth ในเครือข่าย LoRaWAN แอปพลิเคชันเซิร์ฟเวอร์สื่อสารผ่านเครือข่าย Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) แบบธรรมดากับเกตเวย์ LoRaWAN (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: ในการใช้งานเครือข่าย LoRaWAN ทั่วไป เซิร์ฟเวอร์จะเชื่อมต่อกับเกตเวย์ ซึ่งจะใช้ความสามารถระยะไกลและใช้พลังงานต่ำของเทคโนโลยี LoRa เพื่อเชื่อมต่ออุปกรณ์ปลายทางที่อาจอยู่ห่างออกไปหลายกิโลเมตร (แหล่งที่มาภาพ: Murata Electronics)

ในทางกลับกัน เกตเวย์ LoRaWAN จะสื่อสารกับอุปกรณ์ปลายทางโดยใช้เทคโนโลยีความถี่วิทยุ (RF) กิกะเฮิรตซ์ย่อย LoRa ซึ่งทำงานในย่านความถี่อุตสาหกรรม วิทยาศาสตร์ และการแพทย์ (ISM) ที่ไม่ได้รับอนุญาต ซึ่งมีไว้สำหรับการใช้งานที่มีบิตเรตค่อนข้างต่ำ โดยเทคโนโลยี LoRa ให้บิตเรตสูงสุดประมาณ 10 กิโลบิตต่อวินาที (Kbits/s) แต่มีข้อได้เปรียบเฉพาะสำหรับการใช้งานในระยะไกล

ด้วยเทคโนโลยีสเปรดสเปกตรัม ทำให้ LoRa RF สามารถช่วยให้นักพัฒนาสามารถแลกเปลี่ยนบิตเรตสำหรับช่วงต่างๆ ได้อย่างง่ายดาย บรรลุการสื่อสารสองทางที่เชื่อถือได้ในระยะทางมากกว่า 15 กิโลเมตร (กม.) ในพื้นที่ชนบท หรือมากกว่า 5 กม. ในสถานที่ในร่มในเขตเมืองที่หนาแน่น

โปรโตคอล LoRaWAN ปกป้องการรับส่งข้อมูลการสื่อสารด้วยโมเดลความปลอดภัยของ LoRaWAN โดย LoRaWAN ใช้คีย์ความปลอดภัยคู่หนึ่ง: อันหนึ่งเพื่อรับรองความถูกต้องและความสมบูรณ์ในระดับแพ็กเก็ต และอีกอันเพื่อให้การรักษาความปลอดภัยข้อความระหว่างอุปกรณ์ปลายทางและเซิร์ฟเวอร์แอปพลิเคชัน

โปรโตคอล LoRaWAN มีข้อดีเพิ่มเติมสำหรับการปรับสมดุลการใช้พลังงานของอุปกรณ์ปลายทางกับความต้องการด้านการสื่อสาร โดยเครือข่าย LoRaWAN ช่วยให้อุปกรณ์ทำงานในคลาสใดคลาสหนึ่งในสามคลาส: คลาส A, คลาส B หรือคลาส C โดยอุปกรณ์ในคลาสใด ๆ สามารถส่งข้อความได้ตามต้องการ แต่คลาสจะกำหนดว่าสามารถรับข้อความได้เมื่อใด

อุปกรณ์คลาส A ประหยัดพลังงานมากที่สุด ออกแบบมาเพื่อการทำงานตามเหตุการณ์ เช่น เมื่อเซ็นเซอร์ตรวจพบการเปลี่ยนแปลงในสภาพแวดล้อม อุปกรณ์คลาส A สามารถคงอยู่ในโหมดสลีประหว่างเหตุการณ์ต่างๆ ได้ โดยจะตื่นหลังจากการรับข้อมูลเซ็นเซอร์เพียงนานพอที่จะส่งข้อมูล จากนั้นจึงเปิดหน้าต่างรับดาวน์ลิงก์ตามความล่าช้าที่ระบุ (RX1 และ RX2) ตามการส่งข้อมูลอัปลิงก์ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: การดำเนินการคลาส A ของคลาส LoRaWAN ที่ประหยัดพลังงานมากที่สุด ช่วยให้อุปกรณ์เข้าสู่โหมดสลีปได้นานที่สุด โดยจะเปิดใช้งานเพื่อส่งข้อมูล (อัปลิงก์) ไปยังเกตเวย์เท่านั้น จากนั้นจึงเปิดหน้าต่างการรับครั้งแรก (RX1) และหน้าต่างการรับครั้งที่สอง (RX2) หลังจากที่อัปลิงค์เสร็จสิ้น (แหล่งที่มาภาพ: Murata Electronics)

อุปกรณ์คลาส B รองรับการทำงานเป็นระยะตามกำหนดเวลาที่การใช้งานต้องการ สำหรับอุปกรณ์คลาส B โปรโตคอล LoRaWAN อนุญาตให้อุปกรณ์เปิดหน้าต่างรับดาวน์ลิงก์ตามกำหนดเวลาที่กำหนด โดยใช้บีคอนที่ส่งผ่านเกตเวย์เพื่อซิงโครไนซ์อุปกรณ์ปลายทางกับเครือข่าย (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: อุปกรณ์ LoRaWAN คลาส B เปิดใช้งานดาวน์ลิงก์แบบซิงโครไนซ์โดยใช้บีคอนที่ส่งโดยเกตเวย์ที่เชื่อมต่อเพื่อรักษาเวลา (แหล่งที่มาภาพ: Murata Electronics)

อุปกรณ์คลาส C ได้รับการออกแบบมาสำหรับการใช้งานที่ต้องการให้อุปกรณ์ปลายทางรับข้อความดาวน์ลิงก์อย่างต่อเนื่อง เนื่องจากอุปกรณ์คลาส C จำเป็นต้องยังคงทำงานอยู่เสมอ โดยทั่วไปอุปกรณ์เหล่านี้จึงใช้พลังงานจากสายไฟมากกว่าแบตเตอรี่ เช่นเดียวกับอุปกรณ์คลาส A และแม้แต่คลาส B (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: โดยทั่วไปแล้วขับเคลื่อนโดยแหล่งพลังงานคงที่ อุปกรณ์ LoRaWAN คลาส C จะยังคงทำงานอยู่เสมอ โดยคอยฟังข้อความดาวน์ลิงก์อย่างต่อเนื่องเมื่อไม่ได้ส่งข้อความอัปลิงก์ (แหล่งที่มาภาพ: Murata Electronics)

แม้ว่าแนวคิดจะดูตรงไปตรงมา แต่การใช้งานเครือข่าย LoRaWAN ต้องใช้ความรู้และประสบการณ์ที่สำคัญเพื่อค้นหาสมดุลที่เหมาะสมระหว่างพารามิเตอร์การทำงานโดยละเอียดของโปรโตคอล LoRaWAN และเทคโนโลยี LoRa ที่เป็นรากฐาน

โมดูล LoRaWAN ที่ผ่านการรับรองนำเสนอโซลูชันแบบดรอปอิน

โมดูล LBAA0QB1SJ-296 และเฟิร์มแวร์ที่เกี่ยวข้องของ Murata Electronics นำเสนอโซลูชันแบบดรอปอินเพื่อเร่งการเชื่อมต่อเครือข่าย LoRaWAN โดยมอบโซลูชันที่ได้รับการรับรอง LoRaWAN ที่สมบูรณ์แบบสำหรับอุปกรณ์ปลายทาง โมดูลได้รวมเครื่องรับส่งสัญญาณ LoRa รุ่น SX1262 ของ Semtech, ไมโครคอนโทรลเลอร์ STM32L072 ของ STMicroelectronics ที่มีหน่วยความจำแฟลช 192 กิโลไบต์ (Kbyte), สวิตช์ RF รวมถึงคริสตัลออสซิลเลเตอร์ชดเชยอุณหภูมิ (TCXO) มาในบรรจุภัณฑ์ขึ้นรูปด้วยเรซินที่มีฉนวนหุ้ม ซึ่งมีขนาดเพียง 10.0 x 8.0 x 1.6 มิลลิเมตร (มม.) (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: โมดูล LBAA0QB1SJ-296 ของ Murata Electronics นำเสนอโซลูชันการเชื่อมต่อ LoRaWAN ที่สมบูรณ์แบบ โดยผสานรวมตัวรับส่งสัญญาณ LoRa ของ Semtech SX1262 และไมโครคอนโทรลเลอร์ STMicroelectronics STM32L072 ที่ใช้งานสแต็ก LoRaWAN ที่โหลดไว้ล่วงหน้า (แหล่งที่มาภาพ: Murata Electronics)

โมดูลนี้ทำงานจากแหล่งจ่ายไฟ 3.3 โวลต์เพียง 15.5 มิลลิแอมแปร์ (mA) โดยมีแบนด์วิธ 125 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) ในขณะที่ให้ความไวของตัวรับสัญญาณที่ -135.5 เดซิเบล อ้างอิงถึง 1 มิลลิวัตต์ (mW) (dBm) ที่อัตราข้อผิดพลาดของแพ็กเก็ตที่ 1% ที่แบนด์วิธเดียวกันและค่าสเปรดสูงสุด ปัจจัยการแพร่กระจายถูกกำหนดเป็นจำนวน Chirp ต่อบิตในการใช้เทคโนโลยี Chirp Spread Spectrum ของ LoRa สำหรับการส่งสัญญาณ โมดูลมีกำลังส่งสูงสุด +21.5 dBm ในขณะที่ใช้ 118 mA ที่กำลังส่งสูงสุด

โมดูล LBAA0QB1SJ-296 รองรับ LoRaWAN คลาส A, B หรือ C โดยมีโหมดการทำงานที่ใช้พลังงานต่ำหลายโหมด ซึ่งช่วยให้นักพัฒนาสามารถปรับสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและการใช้พลังงาน สำหรับอุปกรณ์ปลายทางที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ (โดยทั่วไปทำงานในคลาส A หรือคลาส B) โมดูลสามารถทำงานในโหมดพลังงานต่ำพิเศษซึ่งกินกระแสไฟเพียงประมาณ 1.3 ไมโครแอมแปร์ (µA) ด้วยการทำงานของนาฬิกาแบบเรียลไทม์ ทำให้สามารถใช้งานได้นานหลายปี

การพัฒนาอย่างรวดเร็วของอุปกรณ์ที่เชื่อมต่อกับ LoRaWAN

การใช้โมดูล LBAA0QB1SJ-296 เพื่อเพิ่มการเชื่อมต่อ LoRaWAN ให้กับระบบอุปกรณ์ปลายทางนั้นค่อนข้างตรงไปตรงมา ในด้านฮาร์ดแวร์ โมดูลจะเชื่อมต่อกับโปรเซสเซอร์โฮสต์ของอุปกรณ์ปลายทางผ่านอินเทอร์เฟซตัวรับ/ส่งสัญญาณแบบอะซิงโครนัส (UART) ของโมดูล นอกจากอินเทอร์เฟซ UART สำหรับการสื่อสารโฮสต์แล้ว โมดูลยังต้องการเพียงเสาอากาศภายนอกและส่วนประกอบเพิ่มเติมบางอย่างเพื่อจัดเตรียมระบบย่อยฮาร์ดแวร์ LoRaWAN ที่สมบูรณ์ (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: การใช้โมดูล Murata Electronics LBAA0QB1SJ-296 นักพัฒนาต้องการส่วนประกอบเพิ่มเติมเพียงไม่กี่อย่างเพื่อเพิ่มการเชื่อมต่อ LoRaWAN ที่ผ่านการรับรองให้กับการออกแบบอุปกรณ์ปลายทาง (แหล่งที่มาภาพ: Murata Electronics)

ในด้านซอฟต์แวร์ โมดูล LBAA0QB1SJ-296 ได้รับการกำหนดค่าล่วงหน้าด้วยสแต็กที่สมบูรณ์สำหรับการดำเนินการ LoRaWAN ในแถบความถี่ ISM 915 เมกะเฮิรตซ์ (MHz) ในการทำงาน โปรเซสเซอร์โฮสต์ของอุปกรณ์ปลายทางจะจัดการและตรวจสอบการทำงานของโมดูลโดยใช้ชุดคำสั่ง AT

แม้ว่าอินเทอร์เฟซฮาร์ดแวร์ของโมดูลและเฟิร์มแวร์ที่โหลดไว้ล่วงหน้าจะช่วยเร่งการพัฒนาแบบกำหนดเองได้ แต่บอร์ดประเมินผล LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK ของ Murata ช่วยให้นักพัฒนาเริ่มต้นได้ทันทีด้วยการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วและเร่งการพัฒนาการออกแบบการผลิต (รูปที่ 7)

รูปที่ 7: บอร์ดประเมินผล LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK ของ Murata ได้รับการออกแบบมาเพื่อเร่งความเร็วในการประเมินและสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วของการเชื่อมต่อ LoRaWAN ผสมผสานโมดูล LBAA0QB1SJ-296 เข้ากับอุปกรณ์ต่อพ่วงและตัวเชื่อมต่อ (แหล่งที่มาภาพ: Murata Electronics)

บอร์ดประเมินผลรองรับโมดูล LBAA0QB1SJ-296 ในตัวด้วยอุปกรณ์อินเทอร์เฟซผู้ใช้หลายตัว รวมถึงไดโอดเปล่งแสง (LED) เทอร์มิสเตอร์ และปุ่มกด นักพัฒนาสามารถขยายฟังก์ชันการทำงานของบอร์ดเพิ่มเติมได้โดยการเพิ่มอุปกรณ์ต่อพ่วงที่จำเป็นโดยใช้ตัวเชื่อมต่อ Arduino Uno V3 ของบอร์ด

เพื่อเริ่มประเมิน LoRaWAN สำหรับการใช้งานของตนเอง นักพัฒนาจำเป็นต้องแนบไฟล์ที่เหมาะสมเท่านั้น เสาอากาศ RF Subminiature Version A (SMA) ความถี่ 915 MHz จ่ายไฟจากแหล่งภายนอก และเชื่อมต่อบอร์ดผ่านขั้วต่อ USB เข้ากับระบบการพัฒนาโฮสต์

หลังจากที่บอร์ดปรากฏขึ้น นักพัฒนาสามารถทดสอบการทำงานของโมดูลโดยใช้โปรแกรมจำลองเทอร์มินัลหรือเครื่องมือทดสอบอินเทอร์เฟซผู้ใช้แบบกราฟิก (GUI) ที่มีให้สำหรับผู้ใช้บอร์ดที่ลงทะเบียน สำหรับการดีบักแบบขยาย บอร์ดจะมีซีเรียลไวร์ดีบัก (SWD) และขั้วต่อ USB สำหรับเชื่อมต่อดีบักเกอร์/โปรแกรมเมอร์ STMicroelectronicsST-LINK

สำหรับการประเมินการใช้งานแบบเอ็นทูเอ็นและการดีบักซอฟต์แวร์ นักพัฒนาสามารถเพิ่มการใช้งานที่พร้อมใช้งานได้เกตเวย์ LoRaWAN เพื่อทำให้การเชื่อมโยงการสื่อสารระหว่างบอร์ดประเมินผลและแอปพลิเคชันเซิร์ฟเวอร์นั้นสมบูรณ์

สรุป

โปรโตคอล LoRaWAN และเทคโนโลยี LoRa พื้นฐานมอบโซลูชันที่มีประสิทธิภาพสำหรับการเชื่อมต่ออุปกรณ์ปลายทางในระยะทางที่ขยายออกไป โดยไม่กระทบต่อขีดจำกัดด้านการใช้พลังงาน โดยโมดูล LBAA0QB1SJ-296 ของ Murata Electronics ได้รับการออกแบบเพื่อเพิ่มความเร็วในการปรับใช้เครือข่ายบริเวณกว้างที่ใช้พลังงานต่ำ มอบโซลูชันแบบดรอปอินที่ได้รับการรับรอง LoRaWAN การใช้บอร์ดประเมินผล LBAA0QB1SJ-296 ที่ใช้ LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK ของ Murata Electronics ช่วยให้นักพัฒนาสามารถสร้างต้นแบบและประเมินการใช้งานเครือข่าย LoRaWAN ได้อย่างรวดเร็ว