Руководство по LoRa® и LPWAN-технологиям для Arduino

Интернет вещей (IoT) — это огромная экосистема устройств, обменивающихся данными через беспроводные сети. Подключённые объекты собирают информацию об окружающей среде и передают её дальше. IoT стирает границу между физическим и цифровым миром, порождая колоссальные объёмы данных, которые помогают оптимизировать ресурсы и повышать эффективность существующих систем.

По прогнозам, к 2025 году к Интернету будет подключено более 25 миллиардов IoT-устройств.

Большинство из них используют короткодиапазонные беспроводные технологии: Wi-Fi®, Bluetooth®, ZigBee, Z-Wave® и другие. Часть устройств работает через сотовые сети 2G/3G/4G. Но эти технологии не всегда подходят для IoT-устройств: они создавались без учёта жёстких требований к энергопотреблению и ресурсу батареи. IoT-устройства, как правило, потребляют мало энергии и обмениваются небольшими объёмами данных.

Сети Low-Power Wide Area Networks (LPWANs)

Low-Power Wide Area Networks (LPWANs) — это группа беспроводных технологий, созданных специально под нужды IoT-устройств: низкая пропускная способность, минимальное энергопотребление, как правило — питание от батареи. Такие сети обеспечивают низкие скорости передачи данных на больших расстояниях при минимальном расходе энергии. LPWANs поддерживают пакеты данных от 10 байт до 1 kB при скоростях uplink до 200 кбит/с; дальность связи варьируется от 2 до 1000 км в зависимости от конкретной технологии. Большинство LPWAN-технологий используют топологию «звезда»: каждое устройство подключается напрямую к центральной точке доступа.

Главные сценарии применения LPWAN:

• Умные города: интеллектуальные парковки, управление уличным освещением.
• Управление цепочками поставок: отслеживание активов, мониторинг состояния.
• Умные сети: учёт электроэнергии, воды и газа.
• Умное сельское хозяйство: мониторинг состояния почвы, отслеживание животных, геозонирование.

Подробнее о LPWANs можно почитать в разделе Learn: this article.

Среди LPWAN-технологий, использующих как лицензируемые, так и нелицензируемые частоты, а также проприетарные и открытые спецификации, особое место занимает LoRa® и его реализация протокола Media Access Control (MAC) — одна из наиболее активно развивающихся технологий для поддержки IoT-устройств и сервисов.

Технология LoRa®

Что такое LoRa®?

LoRa® — это техника беспроводной модуляции, основанная на технологии Chirp Spread Spectrum (CSS). CSS использует широкополосные линейно-частотно-модулированные чирп-импульсы для кодирования информации. Технология работает в следующих нелицензируемых ISM-диапазонах (Industrial, Scientific and Medical) ниже 1 ГГц: 433 MHz, 868 MHz и 915 MHz. ISM-диапазоны зарезервированы на международном уровне для промышленного, научного и медицинского применения.

Техника модуляции Long Range была изобретена в 2010 году французским стартапом Cycleo, который в 2012 году приобрела компания Semtech.

LoRa® широко применяется в LPWAN-развёртываниях для приложений, которым нужна дальняя связь при минимальном энергопотреблении.

Сетевая архитектура LoRa®

Типичная сеть на базе LoRa® состоит из нескольких ключевых элементов: оконечных устройств (как правило, датчиков), базовой станции или шлюза (gateway), сетевого сервера и системы поддержки операций (OSS) для управления сетью и её обслуживания.

Важно понимать разницу между сетевым сервером и шлюзом. Сетевой сервер управляет маршрутизацией сообщений, а шлюзы работают как ретрансляторы, передающие данные между оконечными устройствами и сервером. Сети на базе LoRa® могут быть публичными или частными — в зависимости от задачи.

The Things Network (TTN) — это краудсорсинговый, открытый и децентрализованный сетевой сервер на базе LoRa®. Это отличная отправная точка для тестирования устройств, приложений и интеграций. Для подключения к TTN нужно находиться в зоне действия шлюза. Проверьте world map, чтобы узнать, есть ли шлюз в вашем регионе; если нет — возможно, стоит его установить!

Сети на базе LoRa® обычно строятся по топологии «звезда звёзд»: шлюзы управляют обменом данными между оконечными устройствами и сетевым сервером. Шлюзы подключены к центральному серверу через Интернет, а оконечные устройства используют LoRa для отправки и приёма данных через шлюзы. При этом устройство не привязано к единственному шлюзу — оно широковещательно передаёт данные всем шлюзам в зоне доступа. Связь в сетях на базе LoRa по своей природе двунаправленная, хотя uplink-трафик (от устройства к серверу) заметно преобладает.

Топология «звезда» обеспечивает наилучший баланс между дальностью связи, количеством шлюзов, энергопотреблением оконечных устройств и ресурсом их батарей.

Преимущества топологии «звезда» перед другими:

• Шлюзы можно добавлять в сеть в любое время и в любом месте без предварительного планирования.
• Доставка сообщений надёжнее: несколько шлюзов одновременно принимают одни и те же пакеты данных при каждом uplink.

Скорости передачи данных

Обмен данными между оконечными устройствами и шлюзами в сетях на базе LoRa® распределяется по разным частотным каналам и скоростям передачи данных (коммуникации на разных скоростях не мешают друг другу).

LoRa® поддерживает скорости передачи данных от 300 бит/с до 5 кбит/с при полосе пропускания 125 kHz.

Чтобы максимизировать ресурс батареи каждого устройства и общую ёмкость сети, LoRa® использует механизм Adaptive Data Rate (ADR) — адаптивной скорости передачи данных, оптимизирующей скорость, эфирное время и энергопотребление. ADR управляет следующими параметрами передачи:

• Spreading factor — скорость передачи данных. Меньший spreading factor означает более высокую скорость.
• Bandwidth — объём данных, который можно передать между двумя точками сети.
• Transmission power — мощность, которую передатчик оконечного устройства выдаёт на выходе.

В таблице ниже сравниваются spreading factor, скорость передачи данных и время в эфире при полосе 125 kHz (дальность приведена ориентировочно и зависит от условий распространения сигнала):

Оконечные устройства могут передавать данные на любом доступном канале в любое время при любой доступной скорости — при соблюдении следующего правила:

• Устройство меняет канал псевдослучайным образом при каждой передаче. Такое частотное разнообразие повышает устойчивость системы к помехам.

Также необходимо соблюдать местные нормативные требования:

• В диапазоне EU868 оконечное устройство должно соблюдать максимальный коэффициент заполнения (duty cycle) для используемого поддиапазона и местного законодательства (1% для оконечных устройств).
• В диапазоне US915 оконечное устройство должно соблюдать максимальную длительность передачи (dwell time) для используемого поддиапазона и местного законодательства (400 мс).

Региональные параметры

Спецификация региональных параметров технологии LoRa® — это дополнение к спецификации сетевого уровня на базе LoRa. Если спецификация сетевого уровня определяет воздушный интерфейс между совместимым оконечным устройством (датчиком, актуатором, трекером и т.д.) и совместимым ядром сети, то спецификация региональных параметров LoRa® определяет адаптацию сетевого уровня к различным нормативным требованиям разных стран в части использования нелицензируемых частотных диапазонов.

Кроме того, спецификация региональных параметров LoRa® описывает конфигурации физического уровня, необходимые для корректной работы радиомодулей LoRa с различными техниками радиочастотной модуляции.

Задача спецификации региональных параметров LoRa® — создать минимальное количество региональных частотных планов, охватывающих максимально возможное число регуляторных регионов. Это снижает сложность реализации и стоимость сертификации.

Спецификация региональных параметров LoRa® не охватывает всё. Она задаёт только общий знаменатель для каждого региона. Например, региональные параметры LoRa для Азии определяют лишь общее подмножество каналов, тогда как нормативные требования в азиатских странах различаются. Каждый сетевой сервер, например TTN, вправе самостоятельно выбирать дополнительные параметры — в частности, дополнительные каналы передачи.

Подробнее можно прочитать в документе RP002-1.0.2 о региональных параметрах LoRa® here. У нас также есть более подробный туториал о региональных параметрах LoRa и оборудовании Arduino — он доступен здесь: here.

Классы устройств

Спецификация LoRa® определяет три профиля взаимодействия между устройствами и приложениями: Class A, Class B и Class C. Каждый класс ориентирован на определённые задачи и требования. Основное различие между классами — задержка и энергопотребление: оконечные устройства могут отправлять uplink в любой момент, а вот приём downlink определяется классом устройства.

Все сетевые устройства на базе LoRa® должны реализовывать Class A; Class B и Class C являются расширениями Class A.

Class A: «Aloha»

Устройства Class A реализуют двунаправленный профиль связи, при котором после каждой uplink-передачи оконечного устройства открываются два коротких окна приёма downlink — обычно называемых RX1 и RX2. Если сервер не ответил ни в RX1, ни в RX2, следующая возможность появится только после следующей uplink-передачи. Устройства Class A, как правило, работают от батареи и большую часть времени находятся в режиме сна — поэтому они потребляют минимум энергии, делают длинные паузы между uplink-передачами и имеют высокую задержку downlink.

Class B: «Beaconing»

Устройства Class B расширяют Class A, добавляя запланированные окна приёма downlink через фиксированные интервалы времени. Это позволяет эмулировать устройство, постоянно готовое принять данные. Class B применяется там, где нужна низкая задержка downlink при разумном энергопотреблении.

Class C: непрерывный приём

Профиль Class C рассчитан на приложения с достаточным питанием, где нет необходимости сокращать время окон приёма — например, большинство актуаторов (умные розетки, уличные фонари, электросчётчики и т.д.). Устройства Class C всегда слушают downlink, если не передают uplink. Это обеспечивает минимальную задержку между сервером и оконечным устройством.

Аутентификация и безопасность

Безопасность — важнейший аспект сетей на базе LoRa®. Любая LoRa-сеть имеет базовый фреймворк аутентификации и безопасности на основе шифрования AES 128. В отличие от других LPWAN, использующих единый ключ для аутентификации и шифрования, фреймворк LoRa разделяет эти функции. Аутентификация и контроль целостности используют сетевой сессионный ключ (NwkSKey), а шифрование пользовательских данных — прикладной сессионный ключ (AppSKey).

NwkSKey и AppSKey — это корневые ключи AES-128, уникальные для конкретного устройства; их назначают производители устройств или владельцы приложений.

LoRa® поддерживает два метода аутентификации и активации: Over-The-Air Activation (OTAA) и Activation by Personalization (ABP).

• Over-The-Air Activation (OTAA): оконечные устройства не привязаны к конкретной сети заранее. Они отправляют запрос JOIN в нужную LoRa®-сеть и получают в ответ адрес устройства и токен авторизации, из которых выводятся сессионные ключи. NwkSKey и AppSKey формируются в ходе этой процедуры из корневого AppKey, заранее прошитого производителем в устройство.

• Activation by Personalization (ABP): оконечные устройства заранее настроены для работы с конкретной LoRa®-сетью. В них предварительно прошиты NwkSKey, AppSKey и 32-битный сетевой адрес устройства.

Рекомендуемый метод активации — OTAA: он обеспечивает высокий уровень безопасности. ABP следует использовать только в особых случаях.

Arduino® и технология LoRa®

Arduino® открывает доступ к LoRa®-подключению через несколько плат, дополнительных модулей и библиотек.

Платы Arduino® с поддержкой LoRa®

Платы MKR WAN 1300 и 1310 — практичное и доступное решение для проектов, которым нужны LoRa®-подключение и низкое энергопотребление. Обе платы построены на микроконтроллере SAMD21 microcontroller от Microchip®, оснащены модулем CMWX1ZZABZ от Murata® для LoRa-подключения, чипом криптоаутентификации ATECC508 и 2 МБ SPI Flash-памяти для локального хранения данных.

Платформа PRO тоже поддерживает LoRa®. Плата Arduino® Portenta H7 получает LoRa-подключение через дополнительный модуль Portenta Vision Shield with LoRa® technology, в котором также установлен модуль CMWX1ZZABZ от Murata® — тот же, что используется в MKR 1300 и 1310.

Arduino® Edge Control — решение для удалённого мониторинга и управления, оптимизированное для работы на открытом воздухе — можно расширить беспроводными возможностями, подключив плату MKR WAN 1300 или 1310. Edge Control можно разместить в любом месте; он отлично подходит для умного сельского хозяйства и других задач, требующих интеллектуального управления в труднодоступных локациях.

Библиотеки Arduino® для работы с LoRa®

Для работы с модулем CMWX1ZZABZ LoRa® от Murata® доступно несколько Arduino-библиотек. Рекомендуем две: библиотека MKRWAN library от Arduino и библиотека Arduino LoRa от Sandeep Mistry. Обе предоставляют APIs для обмена данными с сетями, поддерживающими LoRa-технологию.

Обе библиотеки доступны в Arduino IDE, online и offline. В онлайн-IDE они уже установлены и готовы к использованию. В офлайн-IDE их нужно установить вручную: перейдите в Tools > Manage Libraries... и найдите MKRWAN от Arduino и LoRa от Sandeep Mistry. Устанавливайте последние версии библиотек.

На данный момент существует две версии библиотеки MKRWAN; версия MKRWAN_v2 всё ещё находится в стадии бета-тестирования.

Практический пример: отправка и приём данных через сетевой сервер

Работать с LoRa®-сетями через Arduino просто. Рассмотрим конкретный пример. Здесь используется плата MKR WAN 1310 и библиотека MKRWAN для отправки данных в сеть на базе LoRa — в данном случае TTN. Схема подключения показана на изображении ниже:

Прежде чем отправлять и получать сообщения через TTN, нужно зарегистрировать плату в сети. Для этого понадобится Device EUI вашей платы. Его можно узнать, запустив пример FirstConfiguration из библиотеки MKRWAN. Имея Device EUI, зарегистрируйте плату в TTN: создайте аккаунт, добавьте приложение и зарегистрируйте устройство. Процесс подробно описан в tutorial от TTN.

После регистрации устройства можно начинать обмен данными с помощью следующего кода:

/*
  Отправка и получение данных через сеть на основе LoRa®
  Скетч демонстрирует работу с платой MKR WAN 1300/1310: отправку и приём данных.
  Код примера находится в общественном достоянии.
*/

#include <MKRWAN.h>
#include "arduino_secrets.h"

LoRaModem modem;

void setup() {
  // Инициализация последовательного порта
  Serial.begin(115200);
  while (!Serial);
  
  // Инициализация модуля LoRa
  // Инициализация модема с указанием регионального диапазона частот (например, US915, AS923,...)
  if (!modem.begin(EU868)) {
    Serial.println("- Failed to start module");
    while (1) {}
  };

  // После инициализации модуля можно получить его версию и device EUI
  // Сетевой сервер требует информацию о device EUI для подключения к сети
  Serial.print("- Your module version is: ");
  Serial.println(modem.version());
  Serial.print("- Your device EUI is: ");
  Serial.println(modem.deviceEUI());

  // Процедура подключения к сетевому серверу
  // Метод OTAA требует appEUI и appKey — эти данные предоставляет сетевой сервер
  int connected = modem.joinOTAA(appEui, appKey);
  if (!connected) {
    Serial.println("- Something went wrong; are you indoor? Move near a window and retry...");
    while (1) {}
  }

  // Установить интервал опроса 60 секунд
  modem.minPollInterval(60);

  // ПРИМЕЧАНИЕ: независимо от этой настройки модем не позволяет отправлять более одного сообщения каждые 2 минуты
  // Это ограничение задано прошивкой и не может быть изменено
}

void loop() {
  Serial.println();
  Serial.println("- Enter a message to send to network");
  Serial.println("(make sure that end-of-line 'NL' is enabled)");

  // Получить сообщение из монитора порта
  while (!Serial.available());
  String msg = Serial.readStringUntil('\n');

  // Отобразить отправленное в сеть сообщение в формате HEX
  Serial.println();
  Serial.print("- Sending: " + msg + " - ");
  for (unsigned int i = 0; i < msg.length(); i++) {
    Serial.print(msg[i] >> 4, HEX);
    Serial.print(msg[i] & 0xF, HEX);
    Serial.print(" ");
  }
  Serial.println();

  // Проверить, было ли сообщение отправлено успешно или возникла ошибка
  int err;
  modem.beginPacket();
  modem.print(msg);
  err = modem.endPacket(true);
  if (err > 0) {
    Serial.println("- Message sent correctly!");
  } else {
    Serial.println("- Error sending message :(");
    Serial.println("(- You may send a limited amount of messages per minute, depending on the signal strength");
    Serial.println("- It may vary from one message every couple of seconds to one  message every minute)");
  }

  // Подождать и проверить, есть ли входящее сообщение от сети
  delay(1000);
  if (!modem.available()) {
    Serial.println("- No downlink message received at this time");
    return;
  }

  // Если сообщение доступно — сохранить его
  char rcv[64];
  int i = 0;
  while (modem.available()) {
    rcv[i++] = (char)modem.read();
  }

  // Декодировать и отобразить полученное от сети сообщение
  Serial.print("- Received: ");
  for (unsigned int j = 0; j < i; j++) {
    Serial.print(rcv[j] >> 4, HEX);
    Serial.print(rcv[j] & 0xF, HEX);
    Serial.print(" ");
  }
  Serial.println();
}

Типичные ошибки и советы по отладке

• Нет связи с шлюзом: убедитесь, что вы находитесь в зоне покрытия TTN-шлюза. Проверьте карту покрытия TTN.
• Неверный Device EUI: запустите пример FirstConfiguration заново и убедитесь, что скопировали EUI без лишних пробелов.
• Ошибка JOIN: проверьте правильность Device EUI, Device EUI и AppKey в настройках TTN и в коде.
• Данные не приходят на сервер: убедитесь, что антенна подключена к плате — без неё дальность связи резко падает.
• Версия библиотеки: если используете MKRWAN_v2, помните о её бета-статусе; при возникновении проблем попробуйте стабильную версию.

Подробные туториалы по отправке данных между платой MKR WAN и TTN, а также между двумя платами MKR WAN, доступны здесь: here.

Дополнительные материалы и ресурсы

Технология LoRa® — обширная и увлекательная тема. Если хотите изучить её глубже, обратитесь к следующим ресурсам:

• LoRa Developer Portal from Semtech — технические статьи, руководства пользователя, спецификации и даташиты от Semtech.
• The Things Network documentation — всё о технологии LoRa® и сети The Things Network.
• The Things Academy online course in Udemy — бесплатный онлайн-курс по LoRa®-технологии для тех, кто хочет создавать собственные LPWAN-приложения.

Товарные знаки

• LoRa® является зарегистрированным товарным знаком компании Semtech Corporation.