Nie ma mowy o Internecie Rzeczy, Smart Cities, Industry 4.0 i wielu innych kluczowych trendach rozwoju branży elektronicznej bez sprawnej komunikacji bezprzewodowej. Śledząc na bieżąco zmiany i technologie można zauważyć, że dwie z nich: LTE-CAT.M/NB-IoT oraz LoRaWAN wydają się być liderami, biorąc pod uwagę zasięg i rosnącą liczbę sieci.

Rys.1. Mapa punktów dostępowych sieci LoRaWAN

Analizując powyższą mapę dochodzi się do wniosku, że wraz z przekroczeniem granic Polski liczba instalacji LoRaWAN dramatycznie spada. Dlaczego tak się dzieje? Być może mamy do czynienia z efektem jo-jo. Nie mając dostępu do sieci LoRaWAN, inżynierowie nie mogą przetestować swoich prototypów, a skoro nie ma prototypów nowych urządzeń, to nie ma potrzeby budowy nowych sieci LoRaWAN.

Zaintrygowani tym problemem inżynierowie z JM elektronik postanowili zbudować i udostępnić bramkę LoRaWAN. Gliwice to miasto, w którym Politechnika Śląska kształci tysiące przyszłych elektroników, informatyków i automatyków, miasto innowacyjnych firm i lokalizacja nowoczesnego Parku Technologicznego. Wydaje się więc, że udostępnienie tym wszystkim osobom możliwości skorzystania z sieci LoRaWAN dla testów to dobry pomysł. W dodatku, dzięki JM elektronik, Gliwice mogą dołączyć do liderów SmartCity w Polsce, a to dlatego, że lista miast objętych LoRaWAN jest naprawdę krótka.

Jak zbudować sieć LoRaWAN?

Zadali sobie to pytanie inzynierowie z JM elektronik.

Z urządzeniami końcowymi nie ma problemu – na rynku można znaleźć szereg zestawów ewaluacyjnych. Inżynierowie z JM skorzystali z modułu Microchip RN2483, który integruje mikrokontroler i radio pracujące w paśmie ISM 433/868 MHz, a także ma zaimplementowany kompletny, certyfikowany stos LoRaWAN. Trudniejszymi pytaniami, na które trzeba było odpowiedzieć, to jaki wybrać Gateway i chmurę, jak połączyć to razem i przetestować oraz jakie rozwiązania wybrać – komercyjne czy nieodpłatne – a także które konkretnie i ile to będzie kosztowało?

Rys. 2. Punkt dostępowy Wirnet iFemtoCell

Po zasięgnięciu informacji o dostępnych urządzeniach i ich możliwościach, inżynierowie z JM elektronik zdecydowali się na przetestowanie urządzenia Wirnet iFemtoCell. Jest to punkt dostępowy do zastosowania wewnątrz pomieszczeń/budynków, bardzo przypominający wyglądem klasyczny router sieci WiFi. Pomimo, że urządzenie ma niewielkie rozmiary i cenę, ze względu na właściwości transmisji LoRa, jest w stanie osiągnąć zasięg ok. 1,5 km. Od razu po zakupie otrzymuje się dostęp do przewodnika online (tzw. Kerlink Wiki), który prowadzi krok po kroku przez wszystkie możliwości gatewaya. Skraca to diametralnie czas przeznaczony na poznanie nowej platformy i technologii.

Rys. 3. Przewodnik konfiguracji urządzenia

Następnie przeanalizowane zostały dostępne platformy chmury. Wybór dostawcy tego typu usług jest szeroki, a wśród nich zidentyfikowano rozwiązanie darmowe, ogólnodostępne i tworzone przez użytkowników – sieć The Things Network. TTN obecny jest na rynku od roku 2015 i zrzesza tysiące użytkowników na całym świecie. Dzięki temu, że The Things Network jest platformą otwartą i ogólnodostępną, w internecie można wyszukać ogromną liczbę przykładów, use-casów i przewodników dotyczących integracji urządzeń z chmurą.

Uruchomienie komunikacji pomiędzy punktem dostępowym a chmurą sprowadza się do instalacji pakietu Pocket Forwarder na gatewayu i wskazania adresu IP oraz portu, na jaki mają być wysyłane wiadomości.

Po przeprowadzeniu poprawnej konfiguracji, rejestracji gatewaya w serwisie TTN i podłączeniu gatewaya do sieci oraz zasilania, status punktu dostępowego w TTN powinien zmienić się na connected. Oznacza to, że serwer nawiązał komunikację z gatewayem i co jakiś czas wysyła sygnał tzw. Still Alive, aktualizując status połączenia bramki.

Rys. 4. Stan połączenia z bramką na stronie The Things Network

Na ten moment urządzenie było przygotowane do odbierania i wysyłania danych z chmury za pośrednictwem sieci LoRaWAN.

W kolejnym kroku należy założyć tzw. Aplikację i zarejestrować urządzenia końcowe, które będą się z nią komunikować. Aplikacja, w odniesieniu do chmury, stanowi więc logiczny interfejs urządzenia końcowego z serwerem. Urządzeń może być kilka, kilkanaście czy kilkaset, w zależności od ich zastosowania – czy będzie to system parkingowy, sieć czujników temperatury bądź zanieczyszczeń powietrza, czy może sygnalizacja stanów alarmowych.

Po rejestracji urządzeń w Aplikacji, można przystąpić do nadawania wiadomości. Jak wspomniano wcześniej, w czasie nauki i poznawania możliwości sieci LoRaWAN korzystano z modułu RN2483 wyprodukowanego przez Microchip. Dzięki niezwykle przyjaznemu interfejsowi obsługa jest prosta, a samo uruchomienie komunikacji zajmuje dosłownie kilka komend wysyłanych za pomocą dostępnego interfejsu szeregowego modułu.

Po wysłaniu kilku wiadomości można podejrzeć logi komunikacji w obszarze aplikacji.

Rys. 5. Przykład wiadomości odebranych od urządzenia końcowego

Prezentowany przykład został zrealizowany w oparciu o darmową usługę chmury The Things Network, ale występują również komercyjne rozwiązania. Tutaj sprawdzono jak działa serwis Loriot. Konfiguracja i użytkowanie wygląda niemal identycznie jak w przypadku TTN – tu mamy jednak bardziej rozbudowany interfejs, więcej opcji integracji z zewnętrznymi usługami  i pewność działania serwera.

Rys. 6. Test pracy z usługą chmurową Loriot

Podsumowanie

Technologia LoRaWAN pozwala na osiągnie niedostępnych do tej pory zasięgów dla urządzeń pracujących w paśmie ISM (868MHz). Ze względu na użycie nielicencjonowanego pasma, każdy może zbudować sieć stosunkowo tanim kosztem. Dedykowana jest do przesyłania niewielkich paczek danych – wszędzie tam gdzie wysyłanie statusu, rezultatu pomiaru czy stanu urządzenia realizowane jest raz na jakiś czas. Ten typ przesyłu danych znajduje zastosowanie w projektach z zakresów m.in. IoT, SmartCity, Industry 4.0, HVAC oraz wielu innych wykorzystujących LoRaWAN do komunikacji pomiędzy urządzeniami.

Czy warto korzystać z tej technologii? Na pewno warto wiedzieć czym jest, jakie ma zalety oraz ograniczenia. W tej chwili, jako dystrybutor elementów elektronicznych współpracujący bezpośrednio z działami konstrukcyjnymi naszych klientów, widzimy wyraźną tendencję do stosowania niskomocowych i bezprzewodowych mediów transmisyjnych. LoRaWAN wpisuje się w ten model idealnie. Jej popularność na zachodzie Europy utwierdza nas w tym przeświadczeniu. Dlatego nasza współpraca z firmą Kerlink przekształciła się w umowę dystrybucyjną i już jako oficjalni partnerzy wspieramy naszych klientów w realizacji ich pomysłów i projektów.

Jeśli są Państwo zainteresowani szczegółowymi informacjami dotyczącymi LoRaWAN – inżynierowie z JM elektronik zapraszają serdecznie do kontaktu. JM elektronik dysponuje zestawami demonstracyjnymi LoRaWAN, które w fazie Proof-of-Concept projektu pozwalają na przeprowadzenie testów funkcjonalnych. Dział techniczny może również przeprowadzić szkolenie z zakresu konfiguracji i użytkowania urządzeń i modułów działających w technologii LoRaWAN. Sieć będzie też przedmiotem wykładu podczas Wireless Day.