Acelere projetos IoT LoRaWAN com um kit de iniciante de ponta a ponta

Os projetistas de redes de sensores e atuadores da Internet das Coisas (IoT) para aplicações de monitoramento e controle remoto, desde agricultura e mineração até a cidade inteligente, exigem uma interface sem fio de longo alcance que seja segura, robusta, de baixa manutenção e relativamente fácil de implantar. Uma boa opção para tais aplicações é o LoRaWAN, com um alcance de até 15 quilômetros (km) através de conexões de linha de visada rural e até 5 quilômetros (km) em áreas urbanas — usando dispositivos terminais com baterias que podem durar até 10 anos.

Embora LoRaWAN seja uma tecnologia madura de rede de baixa potência e de área ampla (LPWAN), os desenvolvedores sempre precisam de maneiras de simplificar a implantação e a conexão com a nuvem.

O desafio para os engenheiros novatos nos projetos IoT LoRaWAN é lidar com as complexidades de não apenas montar o dispositivo terminal sem fio, mas também fazer a interface com o gateway e uma plataforma IoT na nuvem. A tarefa é muito mais fácil com os kits de iniciante do fornecedor que incluem todos os elementos necessários para construir e operar um protótipo.

Este artigo introduz o LoRaWAN e explica como a tecnologia complementa as redes de sensores sem fio de curto alcance, formando uma LPWAN para encaminhar os dados dos sensores para a nuvem. Em seguida, apresenta e descreve como usar o kit de iniciante XON-9-L1-KIT-001 da Digi — que inclui um dispositivo terminal multi-sensor, um gateway multicanal e uma plataforma IoT de dispositivo-para-nuvem — para projetar, desenvolver e configurar uma solução IoT LoRaWAN baseada em uma plataforma industrial.

O que são LoRa e LoRaWAN?

LoRaWAN é uma tecnologia LPWAN para dispositivos IoT caracterizada por um alcance de dezenas de quilômetros, baixa taxa de transferência (250 bits por segundo (bits/s) a 50 quilobits por segundo (Kbits/s), dependendo da frequência da portadora), e muito baixo consumo de energia (para duração da bateria até uma década, dependendo da aplicação). A tabela 1 ilustra como LoRaWAN se compara com outras tecnologias IoT.

Tabela 1: LoRaWAN é um protocolo sem fio IoT LPWAN com características adequadas para operação de baixa taxa de transferência e longo alcance. A tabela mostra como ela se compara com outras tecnologias IoT sem fio. (Fonte da imagem: Semtech)

A especificação LoRa define a camada física (PHY) e a técnica de modulação que sustenta a LoRaWAN. A camada de controle de acesso à mídia (MAC) da pilha de protocolos é especificada pelo padrão LoRaWAN (Figura 1).

Figura 1: LoRa camada física (PHY) e técnica de modulação e LoRaWAN MAC, mais a camada de aplicação, compõem a pilha do protocolo LoRaWAN. (Fonte da imagem: Semtech)

O segredo para o alcance da tecnologia é o uso de uma forma modificada de modulação direta de espectro espalhado (DSSS). O DSSS espalha o sinal por uma largura de banda maior do que a largura de banda da informação original, tornando-a menos suscetível a interferências, aumentando o alcance. Um lado negativo do DSSS é que ele requer um clock de referência altamente preciso (e caro). A técnica CSS (Chirp Spread Spectrum) LoRa oferece uma alternativa DSSS de baixo custo e baixa potência que elimina o clock. O CSS espalha o espectro do sinal gerando um sinal de chirp, ou trinados, que varia continuamente em frequência (Figura 2).

Figura 2: A técnica CSS LoRa espalha o espectro do sinal ao gerar um sinal de trinados que varia continuamente em frequência. A técnica elimina a necessidade dos clocks de referência caros utilizados no DSSS. (Fonte da imagem: Semtech)

Usando CSS, as compensações de tempo e frequência entre o transmissor e o receptor são equivalentes, reduzindo ainda mais a complexidade do projeto do receptor. A modulação LoRa também inclui um esquema de correção de erro variável que melhora a robustez do sinal transmitido, reforçando ainda mais o alcance. O resultado é uma sensibilidade de transmissão (Tx) e recepção (Rx) com balanço de energia em decibel miliwatt (dBm) de cerca de 154 dBm, permitindo que um único gateway ou estação base cubra cidades inteiras.

Na América do Norte, a LoRaWAN utiliza a alocação de espectro ISM (industrial, científica e médica) de 902 a 928 megahertz (MHz). O protocolo sem fio define 64 canais uplink de 125 quilohertz (kHz) de 902,3 a 914,9 MHz em incrementos de 200 kHz. Há mais oito canais uplink de 500 kHz em incrementos de 1,6 MHz de 903 MHz a 914,9 MHz. Os oito canais downlink têm 500 kHz de largura, começando de 923,3 MHz a 927,5 MHz. A potência máxima TX na América do Norte é de 30 dBm, mas para a maioria das aplicações, 20 dBm de potência TX é suficiente. Sob os regulamentos da FCC dos EUA não há limitações do ciclo de trabalho, mas há um tempo máximo de 400 milissegundos (ms) de permanência por canal.

A rede de malha é uma técnica para aumentar o alcance através do encaminhamento de mensagens entre nós para alcançar as bordas da rede, mas acrescenta complexidade, reduz a capacidade e diminui a vida útil da bateria. Em vez de utilizar redes em malha, a LoRaWAN emprega uma topologia em estrela na qual cada nó (de longo alcance) se conecta diretamente com um gateway. Os nós não estão associados a um gateway específico. Ao invés disso, os dados transmitidos por um nó são normalmente recebidos por vários gateways. Cada gateway então encaminha o pacote recebido do nó terminal para o servidor de rede baseado na nuvem através de alguma forma de backhaul (tipicamente celular, Ethernet, satélite ou Wi-Fi) (Figura 3).

Figura 3: A LoRaWAN emprega uma topologia em estrela, na qual cada dispositivo terminal se conecta diretamente com um ou mais gateways. Cada gateway então encaminha as informações para o servidor de rede baseado na nuvem através de uma conexão backhaul. (Fonte da imagem: Semtech)

Para viabilizar uma rede em estrela de longo alcance, o gateway deve ser capaz de receber mensagens de um grande número de nós. A LoRaWAN atinge esta alta capacidade empregando uma taxa de dados adaptável e usando gateways que podem receber mensagens simultâneas em vários canais. Um único gateway de oito canais pode suportar algumas centenas de milhares de mensagens por dia. Assumindo que cada dispositivo terminal envie dez mensagens por dia, tal gateway pode suportar cerca de 10.000 dispositivos. Se for necessário mais capacidade, gateways adicionais podem ser acrescentados à rede.

Kit de iniciante LPWAN para prototipagem rápida

As tecnologias LPWAN são complexas e podem ser um desafio para o engenheiro inexperiente. O desenvolvedor não só tem que configurar o dispositivo terminal sem fio com uma conexão segura e robusta, mas também fazer a interface com o gateway, provisioná-lo como parte da rede, e então fazer a conexão com uma plataforma de IoT na nuvem.

Esta construção de uma solução IoT LoRaWAN de ponta a ponta é simplificada usando um kit de iniciante personalizado, como o XON-9-L1-KIT-001 LoRaWAN da Digi (Figura 4). Com tal kit de iniciante, um engenheiro pode se familiarizar rapidamente com cada etapa do processo, seguro no conhecimento de que a próxima etapa pode então ser rapidamente incorporada. Como resultado, um não-especialista pode rapidamente fazer um protótipo completo de uma solução IoT LoRaWAN.

Figura 4: O kit de iniciante XON-9-L1-KIT-001 LoRaWAN inclui tudo o que é necessário para fazer o protótipo de uma conexão de rede, incluindo o gateway Ethernet HXG3000, uplink e downlink, uma placa Client Shield, antena, fonte de alimentação e uma interface de programação. (Fonte da imagem: Digi)

O LoRa apresenta classes de dispositivos que equilibram a latência de comunicação de downlink de rede contra a vida útil da bateria; o kit de iniciante da Digi oferece suporte para LoRaWAN Classe A (dispositivos terminais bidirecionais de menor potência), e Classe C (dispositivos terminais bidirecionais de menor latência, receptor do dispositivo terminal sempre ligado).

O kit de iniciante fornece tudo o que é necessário para montar um protótipo LoRaWAN de forma rápida e segura. Especificamente, ele inclui um uplink/downlink, uma placa de expansão ou "Client Shield" com um módulo LoRaWAN, um LED, uma entrada digital, sensores de temperatura, um gateway Ethernet HXG3000 LoRaWAN de 8 canais da Digi, uma interface de programação de aplicativos (API) integrada do desenvolvedor e uma conta de teste gratuita de 30 dias para uma plataforma de dispositivo à nuvem provida com informações digitalizadas via celular (tecnologia scan-and-go).

O gateway HXG3000 fornece comunicações de longo alcance, sem linha de visada, nos dois sentidos através do LoRaWAN, e pode lidar com até 1,5 milhões de mensagens por dia. O produto inclui um rádio omnidirecional de 1,7 dBm, até 27 dBm de potência Tx e -138 dBm de sensibilidade Rx. A operação está na faixa de 902 a 928 MHz com licença livre nos EUA. O dispositivo é energizado por uma fonte CA ou por Alimentação via Ethernet (PoE). Os modelos backhaul disponíveis são Ethernet e LTE Cat M1.

O LoRaWAN Client Shield da Digi é a parte do kit de iniciante que dá suporte aos engenheiros que buscam protótipos e desenvolvem sensores LoRaWAN. Fornece conectividade para selecionar placas de desenvolvimento de microcontroladores compatíveis com o STMicroelectronics Nucleo (por exemplo o NUCLEO-L053R8) e Arduino ARM Keil® Cortex®-Classe M para conectividade no lado do cliente LoRaWAN. Além dos conectores empilháveis da Arduino, o Client Shield possui um sensor de temperatura com termistor de baixa potência, interruptor deslizante de entrada digital e um LED vermelho, verde, azul (RGB) controlado digitalmente. A placa tem um conector U.FL e a antena associada está incluída como parte do kit. A placa também incorpora o módulo LoRaWAN que opera na faixa de 902 a 928 MHz com licença livre nos EUA. A potência TX é de 14 a 20 dBm (Figura 5).

Figura 5: O Client Shield XON-9-L1-KIT-001, que abriga o módulo LoRaWAN, pode ser montado em um STMicroelectronics Nucleo (mostrado aqui) ou numa placa de desenvolvimento Arduino. (Fonte da imagem: Digi)

Digi X-ON é uma plataforma completa de dispositivo à nuvem para dispositivos terminais IoT. A plataforma fornece tanto uma solução de desenvolvimento quanto uma solução operacional em nuvem. X-ON incorpora um servidor de rede LoRaWAN integrado e se junta ao servidor para dar suporte aos dispositivos e gateways rodando o protocolo sem fio LoRaWAN. O servidor de junção manipula o fluxo de junção, incluindo autenticação de rede e servidor de aplicações e geração de chave de sessão.

A plataforma permite ao desenvolvedor:

• Configurar, monitorar e diagnosticar dispositivos ou gateways a partir da web e da interface móvel
• Automatizar a implantação de dispositivos e gateways com o aplicativo de provisionamento
• Gerenciar gateways de rede sem fio
• Coletar e analisar dados diretamente dos dispositivos terminais
• Usar uma API inter-nuvem para dados de dispositivos em tempo real e bidirecionais entre várias plataformas de nuvem
• Registrar e rastrear mensagens de dados em tempo real para operações interativas e solução de problemas com dispositivos terminais e gateways
• Integrar dados através de APIs abertas para desenvolver aplicações mais complexas com utilitários de terceiros (Figura 6)

Figura 6: O Digi X-ON é uma plataforma de dispositivo à nuvem para dispositivos IoT terminais que permite ao desenvolvedor automatizar a implantação de dispositivos e gateways com o aplicativo de provisão do smartphone. O desenvolvedor pode então configurar, monitorar e diagnosticar dispositivos ou gateways a partir da web e da interface móvel. (Fonte da imagem: Digi)

Começando com um projeto LoRaWAN

Como as placas de desenvolvimento Client Shield, STMicroelectronics Nucleo, e Arduino usam microcontroladores ARM Keil embarcados e, portanto, são "habilitadas por ARM Keil Mbed", iniciar um projeto com o kit de iniciante da Digi é relativamente simples. (ARM Keil Mbed é uma plataforma e sistema operacional (SO) para dispositivos IoT baseado em microcontroladores ARM Keil Cortex classe M de 32 bits.) O Client Shield inclui uma linguagem de comando AT incorporada e uma API embutida ARM Keil Mbed C++ simplificada que é projetada para abstrair as complexidades do projeto, simplificando o desenvolvimento.

A compatibilidade do kit de iniciante Digi LoRaWAN permite o trabalho de desenvolvimento de aplicações usando recursos on-line Mbed da ARM Keil. Os recursos compreendem três opções. O compilador Mbed on-line permite que o desenvolvedor inicie instantaneamente o desenvolvimento de aplicações sem instalar nada. Tudo o que é necessário é uma conta Mbed.

Para o desenvolvimento de aplicações mais avançadas, o kit de iniciante Digi LoRaWAN pode ser conectado ao Mbed Studio, um ambiente de desenvolvimento integrado (IDE) para criação, compilação e depuração de programas Mbed. Finalmente, há a Mbed CLI, uma ferramenta de linha de comando que pode ser integrada na IDE preferida do desenvolvedor.

O caminho mais rápido para o desenvolvimento é primeiro criar a conta X-ON da Digi. Em seguida, o desenvolvedor precisa se inscrever para uma conta on-line do compilador Mbed. Então, após montar o Client Shield na placa de desenvolvimento, o conjunto precisa ser conectado a um computador desktop usando um cabo USB. O LED "PWR" no Client Shield e o LED "COM" na placa de desenvolvimento acenderão indicando assim que a eletrônica está ligada.

O compilador Mbed on-line, em seguida, guia o desenvolvedor através de um conjunto de passos simples para adicionar a plataforma de hardware ao compilador. Uma vez adicionado o hardware, o código pode ser importado para o compilador a partir dos exemplos de aplicações de sensores no repositório Mbed (ou outras bibliotecas) e baixado para a placa de desenvolvimento. O compilador também pode ser usado para mudar as configurações do LoRaWAN, tais como a classe do dispositivo e o modo de junção de rede (Figura 7).

Figura 7: É simples mudar as configurações do LoRaWAN, tais como classe do dispositivo e modo de junção de rede usando o compilador Mbed on-line da ARM Keil. (Fonte da imagem: Digi)

Desde que o gateway esteja funcionando, o Client Shield/placa de desenvolvimento se unirá à rede e começará a enviar uplinks a cada 15 s (no modo padrão). Na página da conta X-ON, uma vez pressionado o botão "Stream", os dados transmitidos a partir do dispositivo serão exibidos na tela.

Conclusão

Para os projetistas de redes de sensores e atuadores IoT, a tecnologia LoRaWAN oferece acesso RF com licença livre, alcance de dezenas de quilômetros, baixo consumo de energia, boa segurança e escalabilidade, além de conectividade robusta. Entretanto, como muitos protocolos IoT sem fio, pode ser um desafio lidar com a conectividade do dispositivo terminal, provisionamento, gateways e o fluxo de dados dos sensores para a nuvem.

Como mostrado, o kit de iniciante Digi LoRaWAN aborda muitas destas questões. Ele apresenta um Client Shield com uma API embutida ARM Keil Mbed C++ simplificada, um gateway LoRaWAN com backhaul Ethernet e uma plataforma X-ON de dispositivo para nuvem com provisionamento via celular através da tecnologia scan-and-go. Usando o kit de iniciante, o desenvolvedor pode rapidamente se mexer e trabalhar com um protótipo de hardware LoRaWAN, desenvolver e portar código de aplicação de sensor e atuador, além de analisar e apresentar dados usando a plataforma de nuvem.