Acelere el desarrollo de la conectividad de largo alcance con un módulo LoRaWAN certificado

En muchas aplicaciones de gran volumen basadas en sensores para la agricultura, el seguimiento de activos, los servicios públicos y la Internet de las cosas (IoT), los desarrolladores necesitan proporcionar una conectividad segura en rangos de funcionamiento ampliados. Diseñado para admitir redes muy grandes de dispositivos de este tipo, el protocolo de red de área extensa y largo alcance (LoRaWAN) puede ofrecer una solución eficaz, pero requiere la familiaridad y la experiencia adecuadas para implementar rápidamente un subsistema de comunicaciones optimizado.

Este artículo describe brevemente LoRaWAN y sus capacidades. A continuación, presenta un módulo certificado LoRaWAN de Murata Electronics que ofrece a los desarrolladores una solución inmediata para lograr una conectividad de muy largo alcance a través de redes de área extensa y bajo consumo (LPWAN). Para acelerar la creación de prototipos, también se presenta su placa de desarrollo y el soporte de software.

¿Qué es LoRaWAN?

Entre las opciones de conectividad inalámbrica disponibles, LoRaWAN ha surgido como una solución eficaz para aplicaciones basadas en servidor que se conectan con dispositivos finales de baja potencia que están situados mucho más allá del alcance de opciones inalámbricas conocidas como Wi-Fi o Bluetooth. En una red LoRaWAN, los servidores de aplicaciones se comunican a través de redes convencionales de Protocolo de Control de Transmisión/Protocolo de Internet (TCP/IP) con puertas de enlace LoRaWAN (Figura 1).

Figura 1: En una aplicación de red LoRaWAN típica, los servidores se conectan a puertas de enlace que, a su vez, utilizan las capacidades de largo alcance y bajo consumo de la tecnología LoRa para conectar dispositivos finales que podrían estar situados a muchos kilómetros de distancia. (Fuente de la imagen: Murata Electronics)

Las puertas de enlace LoRaWAN, a su vez, se comunican con los dispositivos finales mediante la tecnología de radiofrecuencia (RF) LoRa de subgigahercios que opera en las bandas de frecuencia industriales, científicas y médicas (ISM) sin licencia. Destinada a aplicaciones de velocidad binaria relativamente baja, la tecnología LoRa ofrece una velocidad binaria máxima de unos 10 kilobits por segundo (Kbits/s), pero tiene ventajas únicas para las aplicaciones de largo alcance.

Basada en la tecnología de espectro ensanchando, LoRa RF permite a los desarrolladores cambiar bitrate por alcance, consiguiendo fácilmente comunicaciones bidireccionales fiables a distancias de más de 15 kilómetros (km) en zonas rurales o de más de 5 km en interiores en zonas urbanas densas.

El protocolo LoRaWAN protege el tráfico de comunicaciones gracias al modelo de seguridad de LoRaWAN. LoRaWAN utiliza un par de claves de seguridad: una para garantizar la autenticidad y la integridad a nivel de paquetes y otra para proporcionar seguridad de extremo a extremo de los mensajes entre los dispositivos finales y los servidores de aplicaciones.

El protocolo LoRaWAN ofrece más ventajas para equilibrar el consumo de energía de los dispositivos finales con las necesidades de comunicación de la aplicación. Una red LoRaWAN permite que los dispositivos funcionen en una de las tres clases siguientes: Clase A, Clase B o Clase C. Un dispositivo de cualquier clase puede transmitir mensajes según sea necesario, pero su clase determina cuándo puede recibir mensajes: Clase A, Clase B o Clase C. Un dispositivo de cualquier clase puede transmitir mensajes según sea necesario, pero su clase determina cuándo puede recibir mensajes.

Los dispositivos de clase A son los más eficientes desde el punto de vista energético y están diseñados para funcionar en función de eventos, como cuando un sensor detecta un cambio en su entorno. Los dispositivos de clase A pueden permanecer en reposo entre eventos, despertarse tras la adquisición de datos de sensor sólo el tiempo suficiente para transmitir datos y, a continuación, abrir ventanas de recepción de enlace descendente con retrasos especificados (RX1 y RX2) tras la transmisión de enlace ascendente (Figura 2).

Figura 2: La clase de funcionamiento LoRaWAN de mayor eficiencia energética, la clase A, permite a los dispositivos dormir el mayor tiempo posible, activándose solo para transmitir datos (enlace ascendente) a las puertas de enlace y abrir posteriormente una primera ventana de recepción (RX1) y una segunda ventana de recepción (RX2) una vez finalizado el enlace ascendente. (Fuente de la imagen: Murata Electronics)

Los dispositivos de clase B admiten el funcionamiento periódico en el horario requerido por la aplicación. Para los dispositivos de clase B, el protocolo LoRaWAN permite a los dispositivos abrir una ventana de recepción de enlace descendente en un horario especificado, utilizando una baliza transmitida por la puerta de enlace para sincronizar el dispositivo final con la red (Figura 3).

Figura 3: Los dispositivos LoRaWAN de clase B permiten enlaces descendentes sincronizados utilizando una baliza transmitida por la puerta de enlace conectada para mantener la sincronización. (Fuente de la imagen: Murata Electronics)

Los dispositivos de clase C están diseñados para aplicaciones que requieren que los dispositivos finales escuchen continuamente mensajes de enlace descendente. Dado que los dispositivos de Clase C deben permanecer activos, suelen alimentarse por línea y no por batería, como los de Clase A e incluso los de Clase B (Figura 4).

Figura 4: Alimentados normalmente por una fuente de potencia constante, los dispositivos LoRaWAN de Clase C permanecen siempre activos, a la escucha constante de mensajes de enlace descendente cuando no transmiten mensajes de enlace ascendente. (Fuente de la imagen: Murata Electronics)

Aunque aparentemente sencilla en su concepto, la implantación de una red LoRaWAN requiere importantes conocimientos y experiencia para encontrar el equilibrio adecuado entre los parámetros operativos detallados del protocolo LoRaWAN y su tecnología LoRa subyacente.

El módulo LoRaWAN certificado ofrece una solución inmediata

El módulo LBAA0QB1SJ-296 de Murata Electronics y el firmware asociado ofrecen una solución inmediata para acelerar la conectividad de red LoRaWAN, proporcionando una solución completa certificada LoRaWAN para dispositivos finales. El módulo integra el transceptor LoRa SX1262 de Semtech, el microcontrolador STM32L072 de STMicroelectronics con 192 kilobytes (Kbyte) de memoria Flash, un interruptor de RF y un oscilador de cristal compensado por temperatura (TCXO). Se presenta en un envase blindado moldeado en resina que mide solo 10.0 x 8.0 x 1.6 milímetros (mm) (Figura 5).

Figura 5: Proporcionando una solución completa de conectividad LoRaWAN, el módulo LBAA0QB1SJ-296 de Murata Electronics integra un transceptor LoRa SX1262 de Semtech y un microcontrolador STM32L072 de STMicroelectronics que ejecuta una pila LoRaWAN precargada. (Fuente de la imagen: Murata Electronics)

El módulo, que funciona con una sola fuente de alimentación de 3.3 voltios, consume solo 15.5 miliamperios (mA) con un ancho de banda de 125 kilohercios (kHz) y ofrece una sensibilidad de recepción de -135.5 decibelios referidos a 1 milivatio (mW) (dBm) con una tasa de error de paquetes del 1% con el mismo ancho de banda y factor de dispersión máximo. El factor de dispersión se define como el número de chirps por bit en la implementación de la tecnología de espectro ensanchando chirp de LoRa. Para la transmisión, el módulo ofrece hasta +21.5 dBm de potencia de transmisión con un consumo de 118 mA a la máxima potencia de transmisión.

El módulo LBAA0QB1SJ-296 es compatible con LoRaWAN Clase A, B o C, y ofrece varios modos de funcionamiento de bajo consumo que permiten a los desarrolladores equilibrar el rendimiento y el consumo de energía. Para los dispositivos finales alimentados por batería (que suelen funcionar en Clase A o Clase B), el módulo puede funcionar en un modo de consumo ultrabajo que sólo consume unos 1.3 microamperios (µA) con funcionamiento del reloj en tiempo real, lo que permite su funcionamiento durante años.

Desarrollo rápido de dispositivos conectados a LoRaWAN

Utilizar el módulo LBAA0QB1SJ-296 para añadir conectividad LoRaWAN a un sistema de dispositivo final es relativamente sencillo. En cuanto al hardware, el módulo se conecta a un procesador host de dispositivo final a través de la interfaz Transmisor/Receptor Asíncrono Universal (UART) del módulo. Además de la interfaz UART para las comunicaciones con el host, el módulo sólo necesita una antena externa y unos pocos componentes adicionales para proporcionar un subsistema de hardware LoRaWAN completo (Figura 6).

Figura 6: al utilizar el módulo LBAA0QB1SJ-296 de Murata Electronics, los desarrolladores solo necesitan unos pocos componentes adicionales para añadir conectividad LoRaWAN certificada a sus diseños de dispositivos finales. (Fuente de la imagen: Murata Electronics)

En cuanto al software, el módulo LBAA0QB1SJ-296 viene preconfigurado con una pila completa para el funcionamiento LoRaWAN en la banda ISM de 915 megahercios (MHz). En funcionamiento, el procesador host del dispositivo final gestiona y supervisa el funcionamiento del módulo mediante un conjunto de comandos AT.

Aunque la interfaz de hardware del módulo y el firmware precargado ayudan a acelerar el desarrollo personalizado, la placa de evaluación LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK de Murata permite a los desarrolladores empezar inmediatamente con la creación rápida de prototipos y el desarrollo acelerado de diseños de producción (Figura 7).

Figura 7: diseñada para acelerar la evaluación y la creación rápida de prototipos de conectividad LoRaWAN, la placa de evaluación LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK de Murata combina un módulo LBAA0QB1SJ-296 con periféricos y conectores. (Fuente de la imagen: Murata Electronics)

La placa de evaluación admite el módulo LBAA0QB1SJ-296 integrado con varios dispositivos de interfaz de usuario, como diodos emisores de luz (LED), un termistor y pulsadores. Los desarrolladores pueden ampliar aún más la funcionalidad de la placa añadiendo los periféricos necesarios mediante los conectores Arduino Uno V3 de la placa.

Para empezar a evaluar LoRaWAN para su aplicación, los desarrolladores sólo tienen que conectar una antena RF subminiatura versión A (SMA) de 915 MHz adecuada, suministrar alimentación desde una fuente externa y conectar la placa a través de su conector USB a un sistema de desarrollo host.

Una vez instalada la placa, los desarrolladores pueden probar el funcionamiento del módulo mediante un programa de emulación de terminal o una herramienta de prueba de interfaz gráfica de usuario (GUI) disponible para los usuarios registrados de la placa. Para la depuración ampliada, la placa proporciona un cableado de depuración en serie (SWD) y un conector USB para conectar un depurador/programador ST-LINK de STMicroelectronics.

Para la evaluación de aplicaciones de extremo a extremo y la depuración de software, los desarrolladores pueden simplemente añadir una puerta de enlace LoRaWAN fácilmente disponible para completar el enlace de comunicaciones entre la placa de evaluación y los servidores de aplicaciones.

Conclusión:

El protocolo LoRaWAN y la tecnología LoRa subyacente ofrecen una solución eficaz para conectar dispositivos finales a grandes distancias sin comprometer los limitados presupuestos de energía. Diseñado para acelerar el despliegue de redes de área extensa y bajo consumo, el módulo LBAA0QB1SJ-296 de Murata Electronics proporciona una solución lista para usar con certificación LoRaWAN. Utilizando la placa de evaluación LBAA0QB1SJ-296 basada en LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK de Murata Electronics, los desarrolladores pueden crear prototipos y evaluar rápidamente sus aplicaciones de red LoRaWAN.