Enerji, Şalt, Enerji Kalitesi, Pano, Trafo, Kablo, Motor, Kesintisiz Güç Kaynağı, Topraklama, Aydınlatma, Test-Ölçüm, Elektrik Proje-Taahhüt, Elektronik, dergi

Düşük Güç Geniş Alan Ağı Uygulamaları İçin LoRA Network Kullanımı

İletişim, birçok sensörün ve çalıştırıcının birbirine bağlanması M2M (Mobil cihazdan mobil cihaza) ve IoT (internetin nesnelerini) bağlanması için anahtar kelimedir.

Uzaktan konuşlandırılmış aygıtlardan (kenar nodlar) oluşan bir ormandan gelen verilerin analitik ve/veya denetim amaçları için kullanılabilmesini sağlamak, kenar nodlardan ana bilgisayar bulut tabanlı uygulamaya yönelik güvenilir ve güvenli iletişimi sağlamakla yükümlüdür. Tüm iş modeli, tarım ekipmanları, şoför sayacı okuma veya üretim tesisleri için varlık yönetimi gibi yeni hizmet veya kullanıma dayalı IoT uygulamaları için özel olarak ve giderek artan bir şekilde sensör verisinin %100 kullanılabilir olması durumunda çalışır.

Günümüzün kablosuz bağlantılı dünya yapısında sensör kenar nodları güvenilir şekilde iletişim kurmak için oldukça basit bir görev görebilir. Bununla birlikte, bunu başarmaya karşı mücadele eden birtakım tasarım kısıtlamaları var. Öncelikle, batarya güç sensörleri doğalarına göre ‘her zaman açık’ bağlantı gerektiren ve çok fazla güç harcayan kablosuz iletişim yöntemlerini kullanamazlar. Sık kullanılan pil değişiklikleri, fabrika gibi tek bir yerleşim yerinde kurulabilir olduğunda işe ara vermeyi gerektirir ve rahatsız edicidir. Ancak fiziksel olarak uzaktaki yerlerde konuşlandıklarında 0.50 avroya değiştirme maliyeti endüstrinin “kamyon ruloları” terimindeki gibi büyüdükçe her değişiklik 100 avroya malolur ve planlanmaları gerektirir. Bir başka mühendislik hesabı, tasarımın kablosuz yönleri için sensör muhafazası içindeki mevcut alandır. Dikkat edilmesi gereken diğer faktörler arasında, iletilecek veri miktarı, sensörün veriyi göndermesi gereken aralık ve bir verinin servis sağlayıcı tarafından verildiği maliyeti bulunur.

Tablo 1, herhangi bir IoT/M2M dağıtımı için mevcut üç kablosuz iletişim yöntemini göstermektedi. Wi-Fi ve hücresel uzun menzilli çözümler gibi kısa menzilli kablosuz LAN protokolleri uzun bir süre kullanılan ve iyi test edilmiş, güvenilir ve kanıtlanmış durumdadırlar. Uzun menzilli düşük güç kablosuz ağların tanıtımı nispeten yeni ancak hızla gelişiyor ve diğer yöntemlere karşı ciddi bir alternatif olarak ortaya çıkıyor. LPWAN yaklaşımının veri hızları diğer ikisi gibi değilken, artıları birçok küçük veri/düşük güncelleme frekansı sensörü nodunun gereksinimleri ile mükemmel şekilde uyuşmaktadır.

Geniş anlamda, LPWAN teknolojisi geliştirme, ya hücresel operatör topluluğu tarafından, ya da lisanssız endüstriyel, bilimsel ve tıbbi spektrumda (ISM) 868/915 MHz’lik bağımsız kuruluşlar tarafından varolan yüksek derecede düzenlenmiş ve lisanslı hücresel spektrumda olmuştur. Hücresel operatörler mevcut altyapıları içinde düşük veri hızı trafiğini eklemek ve sunulan güvenilirliği ve güvenliği artırmak istiyorlar ancak buna rağmen güvenilir altyapıyı ve cazip bir maliyet modeli vaad eden yeni birkaç açık kaynaklı LPWAN standardı geliştirildi.

Bu yükselen ISM tabanlı standartlardan biri LoRa. Açık, kar amacı gütmeyen LoRa İttifakı tarafından denetlenen 320’den fazla üye birliği LoRa protokolünün kabulünü paylaşmak ve ilerletmek için işbirliği yapmaktadır. Taşıyıcı sınıfı bir LPWA bağlantısı sağlayan bu iki yönlü haberleşme spektrumu teknolojisi, bölgesel bağımlı 868/915 spektrumunda dünya çapında faaliyet göstermektedir. LoRa, 15 km’ye kadar teorik bir çalışma aralığı ve ağ başına 1 milyon düğüm kapasitesiyle, metropol ve şehirlerde birçok uygulama buluyor. Çok düşük güç profilini kullanarak, tipik bir sensör uygulamasının ortalama bir gönderme ve alma kullanımına dayanarak 10 yıla kadar çalışabileceği tahmin edilmektedir.

Gömülü sistem geliştiricisi, uygulama içinde LoRa iletişim yeteneklerini dahil etmek istemektedir ve önceden onaylanmış tam entegre bir modül kullanmak, ayrı bir tasarıma başlamadan çok daha hızlı, güvenilir bir yol sağlar. Günümüzde piyasada bulunan bir dizi modül seçimi vardır ve birçok tasarım içingeliştiricinin tasarımları için “host-less” seçenekleri dikkate almaları önerilir. Bu bağlamda, hem sıcaklık hem de nem sensörü gibi son uygulamayı çalıştırmak için bir ilave destek MCU’suna ihtiyaç duyulmadığı ve bir radyo bağlantısının kurulması ve sürdürülmesi için gerekli olan kod olduğu anlamına gelir. Bu, tüm süreci basitleştirmekle kalmaz aynı zamanda nod kodunun mümkün olan en küçük alan zarfında geliştirilmesini sağlar. Açıkçası, nod düğümün IoT/M2M işlevi oldukça yüksek hesaplama gerekliliğine sahipse ek bir MCU gerekebilir, ancak düşük hesaplama kaynağı uygulamalarının büyük çoğunluğu için “host-less” olmayan bir yaklaşım idealdir.

“host-less” LoRa modülüne bir örnek, Murata’dan CMWX1ZZABZ-078 (TypeABZ) – bkz. Şekil 1.

Bu metal kapaklı yüzey montaj modülü 2.2 ila 3.6 VDC aralığında tek bir güç kaynağı ile çalışır ve -40 ila + 85 derece C arasında çalışabilir. Dünyanın tüm bölgelerinde kullanım için onaylanmış bir türdür. Şekil 2, modülün pin fonksiyonu ile birlikte dahili fonksiyonel çalışmasını göstermektedir. STMicroelectronics STM32L082 32-bit ARM Cortex M0 + MCU, alıcı vericiyi yönetirken, iletişim yığınlarını ve IoT/M2M uygulamasını barındıran bir Semtech SX1276 yayılım spektrumu alıcı-verici modem cihazı ile telsiz bağlantı işlemlerini üstlenir. Bu MCU’da 20 kB RAM ve 192 kB flash bellek bulunur. Kapsamlı bir arayüz seti, UART, SPI, I2C’yi bir ADC ile birlikte içerir ve 18 GPIO, son uygulama için yeterince esnekliğe sahiptir. Yukarıda belirtildiği gibi, daha fazla bilgi işlem gücü ve bellek kaynağının gerekli olabileceği durumlarda Murata modülü, harici MCU’dan gelen her şeyi kontrol eden uygulama ile sadece modem modunda çalışabilir. Murata ayrıca, 2017 boyunca bu modül için başka popüler bir LPWAN protokolü Sigfox’a destek vermeyi de planlıyor.

LoRa ağ bağlantısının kurulması, Murata’nın yukarıdaki modül için kapsamlı bir referans kılavuzu sağladığı bilinen ‘Hayes’ AT komut seti kullanılarak gerçekleştirilir.

Tasarım mühendisine bir çalışma prototipi yaratmak için yardımcı olmak STM Discovery Geliştirme kartı, parça kodu B-L072Z-LRWAN1’dir – bkz. Şekil 3. Murata Tipi ABZ modülü ile donatılmış olan bu panel, düğmeler ve kullanıcı LED’leri gibi ek I/O yetenekleri sağlamanın yanı sıra modülden eksiksiz pinout çıkartıyor.

Gömülü tasarımı da hızlı bir şekilde test edebilmek için Murata, değerlendirme kartı üzerindeki belleğe yedi test “AT” komut fonksiyonu entegre etti. ATO (frekans, çıkış gücü, güç seçimi) test iletimini başlatmak için ve ATG’yi (port, pin) belirli bir GPIO pinini değiştirmek için CPU kimliğini almak için ATU içerir. Test belleğinin nasıl çalıştığına dair daha fazla ayrıntı Şekil 4’te görülebilir. STM Discovery panosu ile iletişim ve programlama UART aracılığıyla USB adaptörüne uygun bir UART kullanılarak ve daha sonra bir terminal emilasyon aracı kullanarak gerçekleştirilebilir.

UART programlamaya alternatif olarak, STM8 ve STM32 cihaz serileri için STMicroelectronics’in devre debugerı ve programlayıcı aracı STLINK/V2 kullanılabilir. Geliştirme kartı üzerinde bir ST-LINK/V2 uyumlu tek telli başlık bulunur.

Böyle kompakt bir boyotu, son derece düşük bir güç tüketimi profili ve uzun iletişim menzili ile modül, günümüzde yerinde sınırlı, çok düşük güç piliyle çalışan IoT/M2M sensör uygulamalarının tüm tasarım gereksinimlerine uygundur.