Acelere los proyectos de IoT de LoRaWAN con un kit de inicio de extremo a extremo

Los diseñadores de redes de sensores y actuadores del Internet de las Cosas (IoT) para aplicaciones de supervisión y control remotos que van desde la agricultura y la minería hasta la ciudad inteligente requieren una interfaz inalámbrica de largo alcance que sea segura, resistente, de bajo mantenimiento y relativamente fácil de desplegar. Una buena opción para este tipo de aplicaciones es LoRaWAN, con un alcance de hasta 15 kilómetros (km) en conexiones rurales con línea de visión y hasta 5 kilómetros (km) en zonas urbanas, utilizando dispositivos finales con baterías que pueden durar hasta 10 años.

Aunque LoRaWAN es una tecnología madura de red de área amplia y bajo consumo (LPWAN), los desarrolladores siempre necesitan formas de simplificar el despliegue y la conexión a la nube.

El reto para los ingenieros que se inician en los proyectos de IoT de LoRaWAN consiste en afrontar la complejidad no sólo de la configuración del dispositivo final inalámbrico, sino también de la interfaz con la puerta de enlace y la plataforma de IoT en la nube. La tarea es mucho más fácil con los kits de inicio de los proveedores que incluyen todos los elementos necesarios para construir y operar un prototipo.

Este artículo presenta LoRaWAN y explica cómo esta tecnología complementa las redes de sensores inalámbricos de corto alcance formando una LPWAN para enviar los datos de los sensores a la nube. A continuación, presenta y describe cómo utilizar el kit de inicio de Digi XON-9-L1-KIT-001 que incluye un dispositivo final multisensor, una puerta de enlace multicanal y una plataforma IoT de dispositivo a nube- para diseñar, desarrollar y configurar una solución IoT LoRaWAN basada en una plataforma industrial.

¿Qué son LoRa y LoRaWAN?

LoRaWAN es una tecnología LPWAN para dispositivos IoT que se caracteriza por tener un alcance de decenas de kilómetros, un bajo rendimiento (de 250 bits por segundo (bits/s) a 50 kilobits por segundo (Kbits/s), dependiendo de la frecuencia de la portadora) y un consumo de energía muy bajo (para una duración de la batería de hasta una década, dependiendo de la aplicación). La tabla 1 ilustra la comparación de LoRaWAN con otras tecnologías IoT.

Tabla 1: LoRaWAN es un protocolo inalámbrico LPWAN IoT con características adecuadas para un funcionamiento de bajo rendimiento y largo alcance. La tabla muestra cómo se compara con otras tecnologías inalámbricas de IoT. (Fuente de la imagen: Semtech)

La especificación LoRa define la capa física (PHY) y la técnica de modulación que sustenta a LoRaWAN. La capa de control de acceso al medio (MAC) de la pila de protocolos está especificada en la norma LoRaWAN (Figura 1).

Figura 1: La capa física (PHY) y la técnica de modulación de LoRa, y la MAC de LoRaWAN, además de la capa de aplicación, conforman la pila de protocolos de LoRaWAN. (Fuente de la imagen: Semtech)

La clave del alcance de esta tecnología es el uso de una forma modificada de modulación de espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS). El DSSS distribuye la señal en un ancho de banda mayor que el de la información original, lo que la hace menos susceptible a las interferencias y aumenta el alcance. El inconveniente del DSSS es que requiere un reloj de referencia muy preciso (y caro). La técnica LoRa Chirp Spread Spectrum (CSS) ofrece una alternativa DSSS de bajo costo y bajo consumo que elimina el reloj. El CSS extiende el espectro de la señal generando una señal chirp que varía continuamente en frecuencia (Figura 2).

Figura 2: La técnica LoRa CSS extiende el espectro de la señal generando una señal chirp que varía continuamente en frecuencia. La técnica elimina la necesidad de los costosos relojes de referencia utilizados en DSSS. (Fuente de la imagen: Semtech)

Utilizando el CSS, los desfases de tiempo y frecuencia entre el transmisor y el receptor son equivalentes, lo que reduce aún más la complejidad del diseño del receptor. La modulación de LoRa también incluye un esquema de corrección de errores variable que mejora la resistencia de la señal transmitida, aumentando aún más el alcance. El resultado es una potencia de transmisión (Tx) y una sensibilidad de recepción (Rx) en milivatios (dBm) de unos 154 dBm, lo que permite que una sola puerta de enlace o estación base cubra ciudades enteras.

En Norteamérica, LoRaWAN utiliza la asignación del espectro industrial, científico y médico (ISM) de 902 a 928 megahercios (MHz). El protocolo inalámbrico define 64 canales de enlace ascendente de 125 kilohercios (kHz) desde 902.3 a 914.9 MHz en incrementos de 200 kHz. Hay ocho canales adicionales de enlace ascendente de 500 kHz en incrementos de 1.6 MHz desde 903 MHz hasta 914.9 MHz. Los ocho canales del enlace descendente tienen una anchura de 500 kHz, empezando por 923.3 MHz hasta 927.5 MHz. La potencia máxima de transmisión en Norteamérica es de 30 dBm, pero para la mayoría de las aplicaciones es suficiente una potencia de transmisión de 20 dBm. Según la normativa de la FCC de EE.UU., no hay limitaciones de ciclo de trabajo, pero hay un tiempo máximo de permanencia de 400 milisegundos (ms) por canal.

Las redes en malla son una técnica para aumentar el alcance mediante el reenvío de mensajes entre nodos para llegar a los bordes de la red, pero añaden complejidad, reducen la capacidad y disminuyen la duración de la batería. En lugar de utilizar una red en malla, LoRaWAN emplea una topología en estrella en la que cada nodo (de largo alcance) se conecta directamente con una puerta de enlace. Los nodos no están asociados a una puerta de enlace específica. En cambio, los datos transmitidos por un nodo suelen ser recibidos por varias puertas de enlace. A continuación, cada puerta de enlace reenvía el paquete recibido desde el nodo final al servidor de red basado en la nube a través de alguna forma de backhaul (normalmente celular, Ethernet, satélite o Wi-Fi) (Figura 3).

Figura 3: LoRaWAN emplea una topología en estrella en la que cada dispositivo final se conecta directamente con una o más puertas de enlace. A continuación, cada puerta de enlace envía la información al servidor de la red basada en la nube a través de una conexión de retorno. (Fuente de la imagen: Semtech)

Para que una red en estrella de largo alcance sea viable, la puerta de enlace debe ser capaz de recibir mensajes de un elevado número de nodos. LoRaWAN consigue esta alta capacidad empleando una tasa de datos adaptable y utilizando puertas de enlace que pueden recibir mensajes simultáneos en varios canales. Una sola puerta de enlace de ocho canales puede soportar unos cientos de miles de mensajes al día. Suponiendo que cada dispositivo final envíe diez mensajes al día, una puerta de enlace de este tipo puede soportar unos 10,000 dispositivos. Si se necesita más capacidad, se pueden añadir más puertas de enlace a la red.

Kit de inicio de LPWAN para la creación rápida de prototipos

Las tecnologías LPWAN son complejas y pueden suponer un reto para los ingenieros sin experiencia. El desarrollador no solo tiene que configurar el dispositivo final inalámbrico con una conexión segura y resistente, sino también interconectarlo con la puerta de enlace, aprovisionarlo como parte de la red y, a continuación, realizar la conexión a una plataforma de IoT en la nube.

Esta construcción de una solución IoT LoRaWAN de extremo a extremo se simplifica utilizando un kit de inicio a medida, como el kit de inicio XON-9-L1-KIT-001 LoRaWAN Digi (Figura 4). Con este kit de inicio, un ingeniero puede familiarizarse rápidamente con cada paso del proceso, con la seguridad de que la siguiente etapa puede incorporarse rápidamente. Como resultado, una persona no experta puede crear rápidamente un prototipo de una solución IoT LoRaWAN completa.

Figura 4: El kit de inicio de LoRaWANXON-9-L1-KIT-001 incluye todo lo necesario para crear un prototipo de conexión de red, incluida la puerta de enlace Ethernet HXG3000, el enlace ascendente y descendente, una placa Client Shield, la antena, la fuente de alimentación y una interfaz de programación. (Fuente de la imagen: Digi)

LoRa cuenta con clases de dispositivos que compensan la latencia de la comunicación de enlace descendente de la red con la duración de la batería; el kit de inicio Digi es compatible con la clase A de LoRaWAN (dispositivos finales bidireccionales de menor potencia) y la clase C (dispositivos finales bidireccionales de menor latencia y con el receptor siempre activado).

El kit de inicio proporciona todo lo necesario para configurar un prototipo de LoRaWAN de forma rápida y segura. En concreto, incluye un enlace ascendente/descendente, una placa de expansión o "Client Shield" con un módulo LoRaWAN, un LED, una entrada digital, sensores de temperatura, una puerta de enlace Ethernet LoRaWAN HXG3000 de 8 canales Digi, una interfaz de programación de aplicaciones (API) para desarrolladores integrada y una cuenta de prueba gratuita de 30 días para una plataforma de dispositivo a nube con aprovisionamiento móvil "escanear y avanzar".

La puerta de enlace HXG3000 ofrece comunicaciones bidireccionales de largo alcance, sin línea de visión, a través de LoRaWAN, y puede gestionar hasta 1.5 millones de mensajes al día. El producto incluye una radio omnidireccional de 1.7 dBm, una potencia Tx de hasta 27 dBm y una sensibilidad Rx de -138 dBm. Funciona en la banda estadounidense de 902 a 928 MHz, libre de licencia. El dispositivo se alimenta de una fuente de alimentación de CA o de Power-over-Ethernet (PoE). Existen modelos de backhaul Ethernet y LTE Cat M1.

El Digi LoRaWAN Client Shield es la parte del kit de inicio que apoya a los ingenieros que buscan crear prototipos y desarrollar sensores LoRaWAN. Proporciona conectividad para seleccionar placas de desarrollo de microcontroladores compatibles STMicroelectronics Nucleo (por ejemplo, el NUCLEO-L053R8) y Arduino supplierid:685® de clase Cortex®-M para la conectividad del lado del cliente de LoRaWAN. Además de los conectores apilables Arduino, el Client Shield cuenta con un sensor de temperatura termistor de bajo consumo, un interruptor deslizante de entrada digital y un LED rojo, verde y azul (RGB) controlado digitalmente. La pantalla tiene un conector U.FL y la antena asociada se incluye como parte del kit. El escudo también incorpora el módulo LoRaWAN, que opera en la banda estadounidense libre de licencia de 902 a 928 MHz. La potencia de transmisión es de 14 a 20 dBm (Figura 5).

Figura 5: El Client Shield XON-9-L1-KIT-001, que alberga el módulo LoRaWAN, puede montarse en una placa de desarrollo supplierid :497 Nucleo (mostrada aquí) o supplierid:1050. (Fuente de la imagen: Digi)

Digi X-ON es una plataforma completa de dispositivo a nube para dispositivos finales de IoT. La plataforma ofrece tanto una solución de desarrollo como una solución operativa en la nube. X-ON incorpora un servidor de red LoRaWAN integrado y se une al servidor para dar soporte a los dispositivos y puertas de enlace que ejecutan el protocolo inalámbrico LoRaWAN. El servidor de unión maneja el flujo de unión, incluyendo la autenticación de la red y del servidor de aplicaciones y la generación de la clave de sesión.

La plataforma permite al desarrollador:

• Configurar, supervisar y diagnosticar dispositivos o puertas de enlace desde la interfaz web y móvil
• Automatice el despliegue de dispositivos y puertas de enlace con la aplicación de aprovisionamiento
• Gestionar las puertas de enlace de la red inalámbrica
• Recoger y analizar los datos directamente desde los dispositivos finales
• Utilizar una API entre nubes para obtener datos de los dispositivos en tiempo real y de forma bidireccional entre varias plataformas en la nube
• Registrar y rastrear los mensajes de datos en tiempo real para las operaciones interactivas y la resolución de problemas con los dispositivos finales y las puertas de enlace
• Integrar los datos a través de API abiertas para desarrollar aplicaciones más complejas con utilidades de terceros (Figura 6)

Figura 6: El Digi X-ON es una plataforma dispositivo a nube para dispositivos finales de IoT que permite al desarrollador automatizar el despliegue de dispositivos y puertas de enlace con la app de aprovisionamiento para teléfonos inteligentes. El desarrollador puede entonces configurar, supervisar y diagnosticar los dispositivos o puertas de enlace desde la interfaz web y móvil. (Fuente de la imagen: Digi)

Cómo empezar un proyecto LoRaWAN

Dado que las placas de desarrollo Client Shield, supplierid: 497 Nucleo y Arduino utilizan microcontroladores integrados ARM Keil y, por tanto, son "ARM Keil Mbed enabled", empezar un proyecto con el kit de inicio Digi es relativamente sencillo. (ARM Keil Mbed es una plataforma y un sistema operativo (OS) para dispositivos IoT basados en microcontroladores ARM Keil Cortex clase M de 32 bits) El Client Shield incluye un lenguaje de comandos AT embebido y una API simplificada ARM Keil Mbed C++ Embedded que está diseñada para abstraer las complejidades del diseño, simplificando el desarrollo.

La compatibilidad con Mbed del Digi LoRaWAN Starter Kit permite trabajar en el desarrollo de aplicaciones utilizando los recursos en línea de Mbed ARM Keil. Los recursos comprenden tres opciones. El compilador en línea de Mbed permite al desarrollador comenzar instantáneamente el desarrollo de aplicaciones sin necesidad de instalar nada. Todo lo que se necesita es una cuenta Mbed.

Para el desarrollo de aplicaciones más avanzadas, el Digi LoRaWAN Starter Kit puede conectarse a Mbed Studio, un entorno de desarrollo integrado (IDE) de escritorio para crear, compilar y depurar programas Mbed. Por último, está el Mbed CLI, una herramienta de línea de comandos que puede integrarse en el IDE preferido del desarrollador.

La ruta más rápida para el desarrollo es crear primero la cuenta Digi X-ON. A continuación, el desarrollador debe registrarse para obtener una cuenta de Mbed Online Compiler. A continuación, tras montar el Client Shield en la placa de desarrollo, es necesario conectar el conjunto a una computadora de escritorio mediante un cable USB. El LED "PWR" del Client Shield y el LED "COM" de la placa de desarrollo se iluminarán indicando que la electrónica está encendida.

A continuación, el compilador en línea Mbed guía al desarrollador a través de una serie de sencillos pasos para añadir la plataforma de hardware al compilador. Una vez añadido el hardware, se puede importar el código en el compilador desde los ejemplos de aplicaciones de sensores en el repositorio Mbed (u otras bibliotecas) y descargarlo en la placa de desarrollo. El compilador también puede utilizarse para cambiar las configuraciones de LoRaWAN, como la clase de dispositivo y el modo de unión de la red (Figura 7).

Figura 7: Es sencillo cambiar las configuraciones de LoRaWAN, como la clase de dispositivo y el modo de unión a la red, utilizando el compilador en línea Mbed ARM Keil. (Fuente de la imagen: Digi)

Siempre que la puerta de enlace esté en funcionamiento, el Client Shield/placa de desarrollo se unirá a la red y comenzará a enviar enlaces ascendentes cada 15 s (en el modo por defecto). En la página de la cuenta X-ON, una vez pulsado el botón "Stream", los datos transmitidos desde el dispositivo aparecerán en la pantalla.

Conclusión:

Para los diseñadores de redes de sensores y actuadores de IoT, LoRaWAN ofrece acceso de RF sin licencia, decenas de kilómetros de alcance, bajo consumo de energía, buena seguridad y escalabilidad, y una conectividad resistente. Sin embargo, al igual que muchos protocolos inalámbricos de IoT, puede ser un reto tratar con la conectividad de los dispositivos finales, el aprovisionamiento, las puertas de enlace y la transmisión de datos de los sensores a la nube.

Como se muestra, el kit de inicio de LoRaWAN Digi aborda muchos de estos problemas. Cuenta con un Client Shield con una API simplificada ARM Keil Mbed C++ Embedded, una puerta de enlace LoRaWAN con backhaul Ethernet y una plataforma X-ON dispositivo a nube con aprovisionamiento móvil "escanear y seguir". Con el kit de inicio, el desarrollador puede poner en marcha rápidamente un prototipo de hardware LoRaWAN, desarrollar y portar el código de la aplicación de sensores y actuadores, y analizar y presentar los datos utilizando la plataforma en la nube.