Современные технологии беспроводных коммуникаций. Обзор аппаратных решений LoRa и MBee-868

С момента возникновения первых систем беспроводной передачи информации и до сегодняшнего дня многие основные задачи, стоящие перед разработчиками устройств и новых технологий, остаются прежними: передача информации на максимальное расстояние при снижении всех видов затрат, выделение полезного сигнала на фоне шумов, скорость передачи, гибкость применения и пр. Развитие технологии Интернета Вещей (IoT), применение которой быстро и повсеместно растет, выдвинуло такие требования как увеличение энергоэффективности оконечных устройств, объединение устройств IoT в сети, сокращение количества ретрансляторов в сети, масштабирование без увеличения количества базовых станций и пр. При построении IoT и ряда других систем, часто требуются радиочастотные устройства, работающие на коротких дистанциях, в частности для сбора данных с датчиков для дальнейшей их передачи в глобальную сеть, управления исполнительными устройствами через интернет и т. д. Сегодня разработчикам доступно широкое разнообразие RF модулей, работающих по различным стандартам: Bluetooth, ZigBee, WiFi, системы, работающие в SubGHz диапазоне и пр. 
Ниже будет рассмотрен ряд радиочастотных аппаратных решений, построенных на основе технологии LoRa, а также линейка RF модулей MBee-868 отечественной компании СМК.

Технология LoRa

Ключевым моментом при разработке беспроводных сенсорных сетей является обеспечение максимальной дальности связи, которая существенным образом зависит от таких параметров как мощность передатчика и чувствительность приемника (бюджет канала связи), коэффициента усиления антенн, уровня шумов, условий окружающей среды и ряда других факторов. Для сокращения материальных затрат при построении таких сетей часто выбирают соответствующие задаче технологии, стараются сократить количество ретрансляторов или вообще отказаться от их использования, стараются сократить потребление, особенно оконечных устройств и пр. Мощность передатчиков, частотный диапазон, время передачи и многое другое регламентируется установочными документами ГКРЧ. Так как мощность ограничена, увеличить дальность связи можно повышая чувствительность приемника, которая, например, для устройств LoRa может достигать -148 дБм, благодаря применению одноименной (LoRa) модуляции. Что же такое LoRa?

LoRa (Long Range) - это метод модуляции, основанный на технике расширения спектра (spread spectrum modulation), при которой данные кодируются широкополосными ЛЧМ-импульсами (линейная частотная модуляция). Устройства LoRa имеют высокую помехозащищенность: демодуляция сигналов возможна на уровне 20 дБ ниже уровня шумов.

LoRa как метод модуляции запатентован компанией Semtech. Также называется и беспроводная технология, которая обеспечивает относительно аналогичных решений большие расстояния, низкое энергопотребление (часто конечное устройство может работать до 10 лет на одной батарейке АА) и безопасную передачу данных для приложений M2M и IoT. Технологию LoRa можно использовать для беспроводного подключения датчиков, шлюзов, машин, исполнительных устройств и пр. к облаку. Компания Semtech выпускает разработанные для этой технологии микросхемы трансиверов семейства SX127x. Эти чипы также по лицензии Semtech выпускаются рядом других компаний.

В разных регионах нашей планеты технология LoRa работает в разных частотных диапазонах: в Соединенных Штатах, например, она работает в диапазоне 915 МГц, в Европе - в полосе 868 МГц, а в Азии - в полосах 865–867 МГц, 920–923 МГц.

Для поддержки и развития технологии LoRa был создан один из самых быстрорастущих технологических Альянсов. Эта некоммерческая ассоциация, состоящая из более 500 компаний, приверженных возможности крупномасштабного развертывания глобальных сетей IoT с низким энергопотреблением (LPWAN) посредством разработки и продвижения открытого стандарта LoRaWAN.

LPWAN (Low Power  Wide Area Network) – это энергоэффективная сеть дальнего радиуса действия. Стандарт LoRaWAN поддерживает протокол канального уровня (MAC).

В структуру сетей LoRa (Рис. 1) входят:

• Конечные устройства (узлы), реализующие функции измерения и/или управления. Например, это могут быть различные беспроводные датчики электроэнергии, воды, газа и пр. жилого дома, а также исполнительные устройства и пр. 
  Базовые станции (они же шлюзы),  принимающие сигналы от конечных устройств по радиоканалу и транслирующая их в промежуточную сеть, в роли которой может выступать сеть Ethernet, WiFi, 3G и пр.  Базовая станция вместе с конечными устройствами строится по топологии «звезда». Чем больше конечных устройств работает с базовой станцией, тем больше времени в эфире они занимают.
  Базовая станция слушает эфир в рабочем диапазоне частот и, в случае прихода запроса, отвечает  на него на той же частоте (полудуплекс.) Ширина канала составляет 125 кГц. В стандарте также предусмотрена ширина канала 250 кГц и 500 кГц, но в РФ используется только 125 кГц. Существует возможность выбора в определенных пределах параметров связи, которые влияют на скорость обмена  и помехоустойчивость (чем выше помехоустойчивость, тем ниже скорость). Конечные устройства через базовые станции образуют прозрачные мосты.

• Сетевой сервер управляет всеми базовыми станциями, определяет шлюз, через который конечное устройство будет взаимодействовать с сервером и пр. Сетевой сервер не обрабатывает полезную информацию
• Сервер приложений осуществляет расшифровку сигналов датчиков

Рис. 1. Архитектура сети LoRaWAN

LoRaWAN использует нелицензированный спектр ISM диапазона. Скорость передачи данных варьируется в диапазоне от 300 бит/с до 5 кбит/с (в полосе 125 кГц, которая разрешена в РФ). Сеть LoRaWAN имеет топологию «звезда из звезд». Такая структура предполагает, что базовые станции и центральный сервер принадлежат оператору, а конечные устройства – абонентам.

Микросхемы трансиверов Semtech (например, SX1276) обеспечивают работу на физическом уровне PHY LoRa. Протокол PHY LoRa является закрытым. Радиомодули и конечные устройства проектируются сторонними разработчиками. Таким образом, технология LoRa является только условно открытой.

Беспроводные модули на основе технологии LoRa

Рассмотрим реализацию технологии  LoRa на примере нескольких отладочных плат.

1. Отладочная плата семейства Discovery  B-L072Z-LRWAN1 от компании STMicroelectronics.

Изделие представляет собой инструмент для изучения и разработки решений, основанных на LoRa^®/Sigfox™ и FSK/OOK технологиях. Плата (Рис. 2) оснащена универсальным открытым модулем             CMWX1ZZABZ-091 (Рис. 3) от Murata. В структуре модуля имеется микроконтроллер STM32L072CZ и трансивер SX1276, который оснащен модемом LoRa® дальнего радиуса действия, обеспечивающим сверхширокополосную связь с расширенным спектром, высокую помехоустойчивость и минимальное потребление тока. Поскольку CMWX1ZZABZ-091 является открытым модулем, пользователь имеет доступ ко всем периферийным устройствам STM32L072CZ, таким как АЦП, 16-разрядный таймер, LP-UART, I2C, SPI и USB 2.0 FS (с поддержкой определения  подключения зарядных устройств [BCD] и управления питанием [LPM]). 

В комплект B-L072Z-LRWAN1 входит встроенный программатор/отладчик ST-LINK/V2-1, светодиоды, кнопки, антенна, разъемы Arduino™ Uno V3, разъем USB OTG в формате Micro-B и др. Стек LoRaWAN™ доступен в пакете прошивки I-CUBE-LRWAN  и поддерживает класс A, класс B и класс C.

Основные различия между классами А, В и С заключаются в использовании наилучшего соотношения интервалов между передачами данных и энергопотребления.

Несколько примеров, включая стек AT-команд, доступны для помощи пользователям в настройке полного узла LoRaWAN™.

Стек Sigfox™ совместим с RC1, RC2, RC3c и RC4. Он доступен в пакете расширения X-CUBE-SFOX. Чтобы помочь пользователям настроить полноценный узел Sigfox™ пользователю доступно несколько примеров.

Рис. 2. Отладочная плата B-L072Z-LRWAN1	Рис. 3. Структурная схема модуля CMWX1ZZABZ-091

Изделие отличается следующими характеристиками: 

• Модуль LoRa^®/ Sigfox™ CMWX1ZZABZ-091 (Мурата)
• Встроенный ультрамалопотребляющий Arm®Cortex®-M0+ микроконтроллер STM32L072CZ, со 192 КБ флэш-памяти, 20 КБ ОЗУ, 20 КБ EEPROM
• Диапазон частот: 860 МГц - 930 МГц
• USB 2.0 FS
• 4-канальный 12-битный АЦП, 2 × ЦАП
• 6-битные таймеры, LP-UART, I2C и SPI
• Встроенный трансивер SX1276
• Модуляция: LoRa®, FSK, GFSK, MSK, GMSK и OOK (+ совместимость с Sigfox ™)
• Выбираемая выходная мощность +14 дБм или +20 дБм
• Максимальный бюджет канала 157 дБ
• Программируемая скорость передачи до 300 кбит/с
• Высокая чувствительность: до -137 дБм
• IIP3 = -12,5 дБм
• Максимальное отношение сигнал/шум в полосе пропускания приемника 89 дБ (blocking immunity)
• Низкий ток в режиме приема Rx=10 мА, удержание регистра 200 нА
• Полностью интегрированный синтезатор частоты с разрешением 61 Гц
• Встроенный битовый синхронизатор для восстановления тактирования
• Синхронизация распознавания слов
• Обнаружение преамбулы
• Динамический диапазон RSSI 127 дБ+
• Сертификат LoRaWAN ™ Класс A
• Интерфейсные разъемы SMA и U.FL RF
• 50-омная SMA RF антенна
• 7 светодиодов:
  • Четыре универсальных светодиода
  • Светодиод индикатора питания 5 В
  • Коммуникационный светодиод ST-LINK
  • Индикатор неисправности питания
• Одна пользовательская кнопка и одна кнопка сброса
• Встроенный программатор/отладчик ST-LINK/V2-1 с возможностью ренумерации через USB: устройство хранения, виртуальный COM-порт и порт отладки
• Разъемы Arduino ™ Uno V3
• Питание платы через шину USB или внешний источник напряжения питания V_IN3 В или батареи
• Держатель батарей 3 × AAA для автономной работы
• Поддержка широкого выбора интегрированных сред разработки (IDE), включая IAR™, Keil®, IDE на основе GCC, Arm® Mbed™

Компания STMicroelectronics также выпускает ряд других отладочных плат, основанных на технологии LoRa, например,

2. Отладочная плата LoRa IoT трекера, более подробно о которой можно прочитать по ссылке STEVAL-STRKT01.

Рис. 4. Отладочная плата LoRa IoT трекера STEVAL-STRKT01

Аппаратные решения на основе LoRa разрабатываются и выпускается целым рядом компаний. Например, компания Microchip, выпускает модули DM164138 (Рис. 5), DM164139 и др.

Рис. 5. Модуль DM164138

В основе изделия DM164138 –  модуль LoRa RN2483 со встроенным стеком протокола LoRaWAN™. Программируемая битовая скорость передачи данных по RF каналу - до 300 кбит/с с FSK-модуляцией  и до 10937 бит/с при использовании модуляции LoRa. В модуль интегрирован микроконтроллер PIC18LF45K50, радиочастотный трансивер с аналоговым фронт-эндом, цепи согласования и пр. Для задач управления и контроля статуса имеется 14 GPIO. Трансивер может работать в диапазонах частот 433 МГц и 868 МГц. Выходная мощность передатчика мощности до 14 дБм  и регулируется высокоэффективным усилителем мощности. Чувствительность приемника не хуже -146 дБм. Поддерживается модуляция FSK, GFSK и LoRa. IIP3 составляет  -11 дБм. По утверждению производителя модуль RN2483 поддерживает работу на расстояниях до 11 км в условиях пригорода, и до 5 км в условиях городской застройки.

Беспроводные модули MBee-868 компании СМК с проприетарным протоколом SimpliciTI

Российская компания Системы, Модули и Компоненты (СМК) уже более 10 лет занимается вопросами разработки, внедрения и эксплуатации  маломощных беспроводных сетей. Продукция компании сегодня широко применяется на железнодорожном транспорте, в ЖКХ, в системах пожарной сигнализации, в устройствах дистанционного управления и мониторинга.

В спектре продукции компании имеется несколько модификаций радиомодулей для всех нелицензируемых в РФ диапазонах. Каждая модель прошла тестирование в сертифицированной лаборатории Texas Instruments. В продукции компании СМК используются открытые протоколы, которые относятся либо к проприетарным, как SimpliciTI, либо к стандартным, как ZigBee, RF4CE или 6LoWPAN.

В своей продукции СМК использует комплектующие от ведущих поставщиков продукции Texas Instruments на территории РФ. Кроме того, близость производителя к заказчику и  отсутствие языковых барьеров повышает эффективность работы клиентов компании СМК на всех этапах – от разработки до внедрения.

Семейства модулей компании СМК работают в безлицензионных частотных диапазонах 2.4 ГГц, 868 МГц и 433 МГц. Модули предназначены для использования в беспроводных одноранговых сетях в конфигурациях точка-точка и звезда. При использовании ретрансляторов возможно создание сетей с  более сложной и эффективной конфигурацией.                 

Два модуля, MBee-868-3.0 и MBee-868-2.0, в линейке продукции СМК предназначены для диапазона 868 МГц. Оба модуля разработаны на основе системы на кристалле (SoC) CC430F5137 от компании Texas Instruments и поддерживают протоколы 6LoWPAN и SimpliciTI.

Модули обеспечивают минимальный уровень энергопотребления во всех режимах. По утверждению разработчиков один элемент питания типа АА может обеспечить до 10 лет непрерывной работы.

Частотный диапазон модулей позволяет обеспечить устойчивую связь  на расстояниях до нескольких километров в зоне прямой видимости, и до сотен метров  внутри помещений и в условиях городской застройки, что позволяет развертывать системы без дополнительных ретрансляторов. 

Модули MBee-868-3.0 (Рис. 6) предназначены для  использования в составе систем беспроводной передачи данных и управления, сетях сбора показаний приборов учета электроэнергии, промышленной телеметрии и системах безопасности.

Рис. 6. Модуль MBee-868-3.0

 Модули MBee-868-3.0 имеет следующие характеристики:

• Протокол верхнего уровня 6LoWPAN или SimpliciTI
• Рабочий диапазон частот 868.7-869.2 МГц
• Программируемая выходная мощность передатчика до 12 дБм
• Чувствительность приемника до -110 дБм
• Скорость передачи данных до 115 Кбит/с
• Тип модуляции 2-FSK, 2-GFSK, 4- FSK, MSK
• Тип антенны – внешняя, разъем SMA (UFL – опционально)
• Дальность связи в зоне прямой видимости до 4000 м
• Напряжение питания 1.8 В – 3.6 В
• Потребляемый ток в режиме передачи до 36 мА
• Потребляемый ток в режиме приема до 16 мА
• Потребляемый ток в дежурном режиме 2.2 мкА
• Потребляемый ток в режиме сна 1.2 мкА
• Максимальное напряжение низкого уровня на цифровых входах 0.75 В
• Минимальное напряжение высокого уровня на цифровых входах 2.1 В

Ниже, в Таблице 1 приведены модификации модулей  MBee-xxx-3.0.

Таблица 1. Модификации модулей MBee-xxx-3.0

Изделие MBee-868-2.0 (Рис. 7) представляет собой RF модуль для диапазона 868 МГц с выходной мощностью до  +27 дБм  и низким уровнем потребления. Модуль, по данным производителя,  обеспечивает устойчивую связь на десятки километров в условиях прямой видимости без использования ретрансляторов.

MBee-868-2.0 разработан на основе SoC компании Texas Instruments CC430F5137 и RF усилителя CC1190, и предназначен для беспроводной передачи данных и управления, промышленной телеметрии и систем безопасности.

Рис. 7. Модуль MBee-868-2.0

Модуль отличается следующими характеристиками:

• Протокол верхнего уровня 6LoWPAN или SimpliciTI
• Рабочий диапазон частот 863-873 МГц
• Программируемая выходная мощность передатчика до 27 дБм
• Чувствительность приемника до -116 дБм
• Скорость передачи данных до 500 Кбит/с
• Тип модуляции 2-FSK, 2-GFSK, 4- FSK, MSK, ASK/OOP
• Тип антенны – внешняя, разъем SMA (UFL – опционально)
• Напряжение питания 1.8 В – 3.6 В
• Потребляемый ток в режиме передачи до 200 мА
• Потребляемый ток в режиме приема до 50 мА
• Потребляемый ток в дежурном режиме 2.2 мкА
• Потребляемый ток в режиме сна 1.2 мкА
• Максимальное напряжение низкого уровня на цифровых входах 0.75 В
• Минимальное напряжение высокого уровня на цифровых входах 2.1 В

В Таблице 2 приведены модификации модуля MBee-868-2.0.

Таблица 2. Модификации модуля MBee-xxx-2.0

Для работы с модулями используется программное обеспечение SerialStar, предназначенное как для начинающих, так и продвинутых пользователей.

Дружественный интерфейс пользователя и развитый API позволяют  быстро интегрировать беспроводную сеть в систему сбора и обработки данных, подключиться к облачным сервисам, обеспечивающим доступ к сети с помощью приложения на мобильном устройстве.

Программное обеспечение поддерживает до 25 многофункциональных цифровых линий, до 5 каналов UART, до 4 каналов ШИМ. Имеется возможность переназначения линий цифровой периферии на любой физический выход модуля.

Также имеются  средства, обеспечивающие многоуровневую фильтрацию пакетов, точную настройку центральной частоты, настройку мощности и битовой скорости, а также возможности шифрования данных.

Кроме того, для настройки и конфигурирования модулей MBee-868, подключенных как локально, так и удаленно, имеется работающая под управлением SerialStar утилита MB-Studio, позволяющая без изучения документации на прошивку произвести настройку сетевых и радиочастотных параметров, параметров GPIO  и сна.

Ссылки для скачивания программного обеспечения находятся на сайте производителя в соответствующих разделах описания продукции.

Модули готовы для работы «из коробки» и могут обеспечить топологию «точка-точка» или «звезда» в зависимости от прошивки. Например, прошивка Serial Extender позволяет создать RF канал «точка-точка», а прошивка «Sensor Network»  обеспечивает топологию «Звезда», которая позволяет объединить в одной сети до 30 модулей MBee-868. Последняя топология отлично подойдет для сбора данных с множества датчиков.

Пользователь может загрузить в модуль собственное приложение, используя MBee-868 в качестве аппаратной основы.

Ниже, в Таблице 3 приведен ряд характеристик нескольких описанных выше модулей от  компаний STMicroelectronics, Microchip и СМК.

Таблица 3. Характеристики модулей

Конечно, каждая технология и аппаратные решения, созданные на ее основе имеют свои преимущества и недостатки, и выбор того или иного решения зависит от конкретной задачи, материальных и технических возможностей, личных предпочтений и пр. Тем не менее, можно отметить ряд достоинств и недостатков при использовании как LoRa, так и MBee-868.

• Одним из основных преимуществ при использовании технологии LoRa является высокая дальность связи по сравнению с близкими технологиями. Но и при использовании технологии на базе протокола SimpliciTI (MBee-868) можно также добиться отличных результатов по дальности связи. В частности, для увеличения дальности можно использовать ретрансляторы.
• Модули LoRa имеют более высокую чувствительность Rx.
• Модули MBee-868 отличаются высокой скоростью обмена данными по сравнению с модулями LoRa. Таким образом, повышается общая емкость сети, сокращается время нахождения в эфире MBee-868, которое для некоторых частот ограничено регламентом, уменьшается общее энергопотребление.
• Благодаря узкой полосе канала MBee-868 по сравнению с модулями LoRa (BW=125 кГц в РФ), повышается общая помехоустойчивость системы. Устройства LoRa также отличаются высокой помехозащищенностью: демодуляция сигналов возможна на уровне 20 дБ ниже уровня шумов. При использовании MBee можно организовать большее количество каналов за счет их узкополосности.
• В обеих технологиях используется шифрование AES-128 и полудуплексный режим обмена
• Обе технологии используют безлицензионные диапазоны частот.
• Изделия на базе технологии LoRa являются только условно открытыми и завязаны на поставщика решения.
• Решение MBee-868 существенно ниже по стоимости по сравнению с LoRa.
• Русскоязычная техническая поддержка для MBee, как по аппаратным решениям, так и по софту.

Описанные выше решения - отличная платформа для реализации широкого спектра IoT приложений.

Изделия, речь о которых шла выше, а также ряд аналогичных отладочных плат доступны для приобретения непосредственно на сайте компании Терраэлектроника.    

Источники:

1. Обзор технологии LoRa
2. https://habr.com/ru/company/nag/blog/371067/
3. Радиомодули MBee-868 от компании СМК: быстрый старт
4. https://www.everythingrf.com/community/what-is-lora
5. https://wireless-e.ru/lorawan/lora-kompanii-semtech/
6. http://lo-ra.ru/lorawan-networks/
7. https://www.compel.ru/lib/134773
8. sysmc.com