Acelere o desenvolvimento da conectividade de longo alcance com um módulo LoRaWAN certificado

Em muitas aplicações de alto volume baseadas em sensores para agricultura, rastreamento de ativos, serviços públicos e Internet das Coisas (IoT), os desenvolvedores precisam fornecer conectividade segura em alcances operacionais maiores. Projetado para suportar redes muito grandes de tais dispositivos, o protocolo de rede de longo alcance e área ampla (LoRaWAN) pode oferecer uma solução eficaz, mas requer familiaridade e conhecimento adequados para implementar rapidamente um subsistema de comunicações otimizado.

Este artigo descreve brevemente a LoRaWAN e seus recursos. Em seguida, apresenta um módulo com certificação LoRaWAN da Murata Electronics que oferece aos desenvolvedores uma solução pronta para uso para obter conectividade de alcance extremamente longo por meio de redes de área ampla e baixa potência (LPWANs). Para acelerar a criação de protótipos, sua placa de desenvolvimento e o suporte de software também são apresentados.

O que é LoRaWAN?

Entre as opções de conectividade sem fio disponíveis, a LoRaWAN surgiu como uma solução eficaz para aplicações baseadas em servidor que se conectam a dispositivos finais de baixa potência localizados muito além do alcance de opções sem fio conhecidas, como Wi-Fi ou Bluetooth. Em uma rede LoRaWAN, os servidores de aplicações se comunicam por meio de redes TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) convencionais com gateways LoRaWAN (Figura 1).

Figura 1: Em uma aplicação típica de rede LoRaWAN, os servidores se conectam a gateways que, por sua vez, usam os recursos de longo alcance e baixo consumo de energia da tecnologia LoRa para conectar dispositivos finais que podem estar localizados a muitos quilômetros de distância. (Fonte da imagem: Murata Electronics)

Os gateways LoRaWAN, por sua vez, comunicam-se com dispositivos finais usando a tecnologia de radiofrequência (RF) LoRa de sub-gigahertz que opera nas bandas de frequência industriais, científicas e médicas (ISM) não licenciadas. Destinada a aplicações de taxa de bits relativamente baixa, a tecnologia LoRa oferece uma taxa de bits máxima de cerca de 10 quilobits por segundo (Kbits/s), mas tem vantagens exclusivas para aplicações de longo alcance.

Com base na tecnologia de espectro espalhado, a RF LoRa permite que os desenvolvedores compensem a taxa de bits pelo alcance, atingindo facilmente comunicações bidirecionais confiáveis a distâncias de mais de 15 quilômetros (km) em áreas rurais ou mais de 5 km em locais fechados de áreas urbanas densas.

O protocolo LoRaWAN protege o tráfego de comunicações graças ao modelo de segurança do LoRaWAN. A LoRaWAN usa um par de chaves de segurança: uma para garantir a autenticidade e a integridade no nível do pacote e outra para fornecer segurança de ponta a ponta das mensagens entre os dispositivos finais e os servidores de aplicações.

O protocolo LoRaWAN oferece outras vantagens para equilibrar o consumo de energia dos dispositivos finais com as necessidades de comunicação da aplicação. Uma rede LoRaWAN permite que os dispositivos operem em uma das três classes: Classe A, Classe B ou Classe C. Um dispositivo em qualquer classe pode transmitir mensagens conforme necessário, mas sua classe determina quando ele pode receber mensagens.

Os dispositivos de classe A são os mais eficientes em termos de energia, projetados para operação acionada por eventos, como quando um sensor detecta uma alteração em seu ambiente. Os dispositivos de classe A podem permanecer suspensos entre os eventos, despertando após a aquisição de dados do sensor apenas o tempo suficiente para transmitir dados e, em seguida, abrir janelas de recepção de downlink em atrasos especificados (RX1 e RX2) após a transmissão de uplink (Figura 2).

Figura 2: A mais eficiente das classes LoRaWAN em termos de energia, a operação de Classe A, permite que os dispositivos se suspendam o máximo possível, tornando-se ativos apenas para transmitir (uplink) dados para gateways e, posteriormente, abrir uma primeira janela de recepção (RX1) e uma segunda janela de recepção (RX2) após a conclusão do uplink. (Fonte da imagem: Murata Electronics)

Os dispositivos de classe B suportam operação periódica em uma programação exigida pela aplicação. Para dispositivos de Classe B, o protocolo LoRaWAN permite que os dispositivos abram uma janela de recepção de downlink em uma programação específica, usando um sinalizador/beacon transmitido pelo gateway para sincronizar o dispositivo final com a rede (Figura 3).

Figura 3: Os dispositivos LoRaWAN Classe B permitem downlinks sincronizados usando um beacon transmitido pelo gateway conectado para manter a sincronização. (Fonte da imagem: Murata Electronics)

Os dispositivos de classe C são projetados para aplicações que exigem que os dispositivos finais escutem continuamente as mensagens de downlink. Como é necessário que os dispositivos de Classe C permaneçam ativos, eles normalmente são alimentados por linha de energia e não por bateria, como acontece com os dispositivos de Classe A e até mesmo de Classe B (Figura 4).

Figura 4: Normalmente alimentados por uma fonte de energia constante, os dispositivos LoRaWAN Classe C permanecem sempre ativos, ouvindo constantemente as mensagens de downlink quando não estão transmitindo mensagens de uplink. (Fonte da imagem: Murata Electronics)

Embora o conceito pareça simples, a implementação da rede LoRaWAN requer conhecimento e experiência significativos para encontrar o equilíbrio certo entre os parâmetros operacionais detalhados do protocolo LoRaWAN e sua tecnologia LoRa subjacente.

O módulo LoRaWAN certificado oferece uma solução pronta

O módulo LBAA0QB1SJ-296 da Murata Electronics e o firmware associado oferecem uma solução pronta para acelerar a conectividade da rede LoRaWAN, fornecendo uma solução completa com certificação LoRaWAN para dispositivos finais. O módulo integra o transceptor LoRa SX1262 da Semtech, o microcontrolador STM32L072 da STMicroelectronics com 192 quilobytes (Kbyte) de memória flash, um comutador de RF e um oscilador de cristal com compensação de temperatura (TCXO). Ele vem em um invólucro blindado moldado em resina, medindo apenas 10,0 x 8,0 x 1,6 milímetros (mm) (Figura 5).

Figura 5: Fornecendo uma solução completa de conectividade LoRaWAN, o módulo LBAA0QB1SJ-296 da Murata Electronics integra um transceptor LoRa SX1262 da Semtech e um microcontrolador STM32L072 da STMicroelectronics que executa uma pilha LoRaWAN pré-carregada. (Fonte da imagem: Murata Electronics)

Operando com uma única fonte de alimentação de 3,3 volts, o módulo consome apenas 15,5 miliamperes (mA) com uma largura de banda de 125 quilohertz (kHz) e oferece uma sensibilidade de receptor de -135,5 decibéis com referência a 1 miliwatt (mW) (dBm) a uma taxa de erro do pacote de 1% na mesma largura de banda e fator de espalhamento máximo. O fator de espalhamento é definido como o número de “chirps” por bit na implementação da tecnologia de espectro espalhado por chirp da LoRa. Para a transmissão, o módulo oferece até +21,5 dBm de potência de transmissão e consome 118 mA na potência máxima de transmissão.

O módulo LBAA0QB1SJ-296 é compatível com LoRaWAN Classe A, B ou C, oferecendo vários modos operacionais de baixo consumo de energia que permitem aos desenvolvedores equilibrar o desempenho e o consumo de energia. Para dispositivos finais alimentados por bateria (normalmente operando na Classe A ou na Classe B), o módulo pode operar em um modo de energia ultrabaixa que consome apenas cerca de 1,3 microamperes (µA) com operação de relógio em tempo real, permitindo a operação por anos.

Desenvolvimento rápido de dispositivos conectados à LoRaWAN

O uso do módulo LBAA0QB1SJ-296 para adicionar conectividade LoRaWAN a um sistema de dispositivo final é relativamente simples. No lado do hardware, o módulo se conecta a um processador host de dispositivo final por meio da interface UART (receptor/transmissor assíncrono universal) do módulo. Além da interface UART para comunicações com o host, o módulo requer apenas uma antena externa e alguns componentes adicionais para fornecer um subsistema de hardware LoRaWAN completo (Figura 6).

Figura 6: Usando o módulo LBAA0QB1SJ-296 da Murata Electronics, os desenvolvedores precisam de apenas alguns componentes adicionais para adicionar conectividade LoRaWAN certificada aos seus projetos de dispositivos finais. (Fonte da imagem: Murata Electronics)

Com relação ao software, o módulo LBAA0QB1SJ-296 vem pré-configurado com uma pilha completa para operação LoRaWAN na banda ISM de 915 megahertz (MHz). Em operação, o processador host do dispositivo final gerencia e monitora a operação do módulo usando um conjunto de comandos AT.

Embora a interface de hardware do módulo e o firmware pré-carregado ajudem a acelerar o desenvolvimento personalizado, a placa de avaliação LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK da Murata permite que os desenvolvedores comecem imediatamente com a prototipagem rápida e o desenvolvimento acelerado de projetos de produção (Figura 7).

Figura 7: Projetada para acelerar a avaliação e a prototipagem rápida da conectividade LoRaWAN, a placa de avaliação LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK da Murata combina um módulo LBAA0QB1SJ-296 com periféricos e conectores. (Fonte da imagem: Murata Electronics)

A placa de avaliação suporta o módulo LBAA0QB1SJ-296 integrado com vários dispositivos de interface de usuário, incluindo diodos emissores de luz (LEDs), um termistor e pushbuttons. Os desenvolvedores podem ampliar ainda mais a funcionalidade da placa adicionando os periféricos necessários usando os conectores Arduino Uno V3 da placa.

Para começar a avaliar o LoRaWAN para sua aplicação, os desenvolvedores só precisam conectar uma antena subminiatura de RF versão A (SMA) de 915 MHz adequada, fornecer energia de uma fonte externa e conectar a placa por meio de seu conector USB a um sistema de desenvolvimento host.

Depois que a placa for instalada, os desenvolvedores podem testar a operação do módulo usando um programa de emulação de terminal ou uma ferramenta de teste de interface gráfica do usuário (GUI) disponível para usuários registrados da placa. Para depuração estendida, a placa oferece uma depuração de fio serial (SWD) e um conector USB para conectar um depurador/gravador de memória ST-LINK da STMicroelectronics.

Para avaliação de aplicações de ponta a ponta e depuração de software, os desenvolvedores podem simplesmente adicionar um gateway LoRaWAN prontamente disponível para completar o link de comunicação entre a placa de avaliação e os servidores de aplicações.

Conclusão

O protocolo LoRaWAN e a tecnologia LoRa subjacente oferecem uma solução eficaz para conectar dispositivos finais em distâncias maiores sem comprometer os balanços limitados de energia. Projetado para acelerar a implantação de redes de baixa potência e de área ampla, o módulo LBAA0QB1SJ-296 da Murata Electronics oferece uma solução pronta certificada para LoRaWAN. Usando a placa de avaliação LBAA0QB1SJ-296 baseada em LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK da Murata Electronics, os desenvolvedores podem rapidamente criar protótipos e avaliar suas aplicações de rede LoRaWAN.