Schnelle Entwicklung sensorgestützter, stromsparender IoT-Drahtlosanwendungen mit LPWAN-HF-Modulen

Wenn es um die drahtlose Konnektivität eines IoT-Sensors (Internet of Things, Internet der Dinge) geht, denken Entwickler in der Regel zuerst an Wi-Fi, ZigBee oder Bluetooth. Diese Technologien eignen sich aber häufig nicht für Anwendungen, die mit weniger Energie auskommen müssen, eine größere Reichweite brauchen und ein anderes Nutzungsmodell mit niedrigeren Datenraten einsetzen. Anstatt eine eigene drahtlose Schnittstelle von Grund auf neu zu entwickeln und höhere Kosten, Verzögerungen und Nacharbeiten in Kauf zu nehmen, können Entwickler für eine Reihe relativ neuer LPWAN-Netze handelsübliche Standardmodule einsetzen.

Diese LPWANs, zu denen Sigfox, LoRaWAN und das neuere Radiocrafts Industrial IoT (RIIoT) gehören, sind alle für die Anbindung relativ einfacher Sensoren ausgelegt, die mit moderaten Abtastraten arbeiten und in relativ großen Intervallen kleine Datenmengen über große Entfernungen senden – bis zu 50 km oder sogar darüber hinaus. Solche Anwendungen unterliegen häufig extremen Leistungseinschränkungen, um für den Betrieb von Sensoren an abgelegenen oder schwer zugänglichen Orten eine maximale Batterielebensdauer zu erzielen. Im Idealfall funktionieren Sensoren an solchen Orten mit einer einzigen Knopfzelle oder AAA-Batterie bis zu 10 Jahre lang zuverlässig.

In diesem Artikel werden die Designanforderungen für die typische IoT-Fernerfassung und die Eigenschaften von Sigfox, LoRaWAN und RIIoT erläutert. Anschließend werden geeignete Module von Pi Supply, Sigfox und Radiocrafts vorgestellt und deren Anwendung demonstriert.

Eigenschaften des LPWAN

Die geringe Bandbreite von LPWANs ist ein wichtiger Aspekt für den Betrieb mit geringem Stromverbrauch (Abbildung 1). Die Grundsätze der Informationstheorie besagen, dass die Signalbandbreite und das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) eng mit der Fehlerrate bei der Informationsübertragung in Beziehung stehen. Je größer das SNR oder je schmaler die Bandbreite ist, desto geringer die Fehlerrate.

Abbildung 1: Die geringe Bandbreite von LPWANs ermöglicht den Betrieb über größere Entfernungen mit geringerer Leistung. (Bildquelle: Peter R. Egli, via Slideshare)

Diese Eigenschaft wird bei LPWANs genutzt, um hochzuverlässige Informationsübertragungen über große Entfernungen mit geringer Ausgangsleistung zu erzielen. Durch die Verwendung einer relativ niedrigen Datenrate haben LPWAN-Systeme auch geringere Anforderungen an die Signalbandbreite. Deshalb können LPWAN-Systeme über kilometerweite Entfernungen kommunizieren.

Ein zweites Schlüsselelement von LPWAN-Systemen ist die Nutzung von Frequenzen unterhalb des GHz-Bereiches in den international lizenzfreien ISM-Frequenzbändern für Industrie, Wissenschaft und Medizin (886 - 906 MHz). Der Betrieb bei diesen Frequenzen (mit längeren Wellenlängen) verringert den Pfadverlust im freien Raum und erhöht den effektiven Bereich für eine gegebene Sendeleistung, gemäß Gleichung 1:

 Gleichung 1

Dabei gilt:

d = Entfernung

λ = Wellenlänge

Bei niedrigeren Frequenzen wird weniger Hochfrequenzenergie von Hindernissen wie Wänden und Gebäuden absorbiert, wodurch LPWAN-Systeme in urbanen Umgebungen eine hervorragende Durchdringungsfähigkeit aufweisen.

ISM-basierte Designs benötigen zwar keine Lizenz, doch für den Betrieb im ISM-Band müssen dennoch die weltweiten Vorschriften zur Stromversorgung und elektromagnetischen Verträglichkeit eingehalten werden.

Beispiele für LPWAN

Es stehen zahlreiche LPWAN-Optionen zur Auswahl. Für Entwickler, die eine schnelle Entwicklung sensorgestützter IoT-Anwendungen anstreben, gibt es drei klare Favoriten: LoRaWAN, Sigfox und das kürzlich eingeführte RIIoT. Für all diese Optionen gibt es vorkonfigurierte Funk- und Sensorschnittstellenmodule, die Entwickler einfach in ihr Design einbinden können, sowie Entwicklungskits, die eine schnelle Einrichtung und Anwendungsentwicklung ermöglichen.

LoRaWAN basiert auf offenen Standards, die von der LoRa Alliance verwaltet werden, und auf der proprietären Spreizspektrum-Funktechnologie. Diese ist Eigentum der Semtech Corp. und wird von ihr lizenziert. Das Netzwerk nutzt eine Star-of-Stars-Topologie, die einzelne Knoten befähigt, mit mehreren Gateways zu kommunizieren, und Roaming ermöglicht. Die Technologie unterstützt bidirektionale Kommunikation zwischen Gateways und Knoten, sodass Gateways Nachrichten von einem Knoten zu einem anderen sowie zu einem Cloud-basierten Server weiterleiten können.

LoRaWAN ermöglicht Datenraten von 300 Bit/s bis 50 Kbit/s, verarbeitet Nachrichtennutzlasten von bis zu 243 Byte und verwendet Signalbandbreiten von 125  oder 250 kHz. Die Technologie unterstützt adaptive Datenraten zur Gewährleistung der Signalzuverlässigkeit bei sich ändernden Bedingungen und kann Reichweiten von bis zu 5 km in urbanen Umgebungen und bis zu 20 km bei Sichtverbindung (LoS) erreichen. Benutzer können Knoten entwickeln und auf kommerziell betriebene Netzwerke zugreifen oder private Netzwerke mithilfe ihrer eigenen Gateways und Backhaul-Netzwerke einrichten.

Sigfox ist ein proprietäres Protokoll, das von dem Unternehmen Sigfox entwickelt und verwaltet wird. Sigfox lizenziert seine Technologie an Chipentwickler und bietet Benutzern über Gateway-Basisstationen auf der ganzen Welt Zugriff auf sein Netzwerk. Durch die Beibehaltung der Datenraten auf 600 Bit/s bei einer Signalbandbreite von 100 Hertz (Hz) kann Sigfox die Reichweite maximieren. Sie kann bei Sichtverbindung 40 km und in urbanen Umgebungen 10 km erreichen. Das schlanke Protokoll begrenzt Uplink-Nachrichtenpakete auf 26 Bytes (mit maximal 12 Bytes Benutzerdaten), sodass die Sender nur kurzzeitig mit Strom versorgt werden. Die Knoten können nur 140 Nachrichten pro Tag senden. Gateways können nur viermal pro Tag Downlink-Nachrichten an Knoten senden, nachdem sie eine Uplink-Nachricht von ihnen erhalten haben. Daher sind die Funkbausteine an den Knoten nur sehr kurzzeitig aktiv und bleiben die meiste Zeit im Ruhemodus, um den Stromverbrauch zu minimieren.

LPWAN-Funkbausteine haben zwar einen geringen Stromverbrauch – dies ist jedoch in der Realität ein relativer Begriff. Zum Beispiel hat Radiocrafts zwei unterschiedliche Leistungsoptionen für seine Sigfox-Modulangebote. Das Hochleistungssensor-Schnittstellenmodul RC1692HP-SSM kommuniziert über eine UART-Verbindung mit einem Host-Mikrocontroller und bietet SPI-, I²C-, Analog- und GPIO-Ports für die Anbindung von Sensoren (Abbildung 2). Es wird mit einer Spannung von 2,8 bis 3,6 Volt betrieben.

Abbildung 2: Vollwertige Sigfox-Funk- und Sensorschnittstellenmodule wie das RC1692HP-SSM von Radiocrafts verbrauchen in der sendefreien Zeit nur 20 Mikroampere (µA). (Bildquelle: Radiocrafts)

Im Ruhemodus verbraucht das Modul 1 µA. Im aktiven Modus mit angebundenen Sensoren werden in der sendefreien Zeit weniger als 20 µA und beim Senden 292 mA verbraucht.

Das energieeffiziente Modul RC1682-SSM ist für den europäischen Markt konzipiert und benötigt beim Senden wesentlich weniger Strom (nur 58 mA).

RIIoT ist eine der neuesten LPWAN-Optionen, die für Entwickler interessant sein könnten. Sie basiert auf dem PHY-Standard (IEEE 802.15.4g/e Physical Layer), der ursprünglich für intelligente Zähler und Prozesssteuerungsanwendungen entwickelt wurde. Sie erweitert die Funktionen für HF und Medienzugriffskontrolle (MAC), um geringen Stromverbrauch, hohe Reichweiten und erweiterte Sicherheitsfunktionen zu unterstützen. Die Kommunikation erfolgt bidirektional über ein Sternnetzwerk und bietet vorhersagbare Netzwerkverzögerungen von weniger als 15 ms für Steuerungsanwendungen nahezu in Echtzeit.

RIIoT bietet zwei Datenraten – 5 kbit/s und 50 kbit/s – und zwei Leistungsstufen, damit Entwickler den Kompromiss zwischen Batterielaufzeit, Datenrate und Reichweite selbst so optimieren können, dass er ihren Anforderungen am besten entspricht. Bei der stromsparenden Einstellung mit hohen Datenraten können RIIoT-Netzwerke eine Reichweite von 5 km (LoS) und 200 m (urban) erreichen und in Bursts von 3,5 Millisekunden (ms) übertragen. Bei höherer Ausgangsleistung mit niedrigeren Datenraten kann ihre Reichweite in 45-ms-Bursts 60 km (LoS) bzw. 2 km (urban) erreichen. Der Ruhestrom für typische „Blattknoten“ beträgt 0,7 Mikroampere (µA).

Ein RIIoT-Netzwerk besteht aus drei Hauptelementen: Knoten, Gateway und Netzwerk-Controller-Software. Bei einzelnen Blattknoten wird ein Modul wie das Radiocrafts RC1880CEF-SPR eingesetzt, das einen Analog-Digital-Wandler (ADC) zusammen mit GPIO-, I²C-, SPI- und UART-Schnittstellen integriert. Diese Knoten kommunizieren drahtlos mit einem Linux-PC, bei dem sich das kompatible Modul RC1880CEF-GPR entweder auf einer Karte im Erweiterungssteckplatz oder auf einem USB-Dongle am USB-Port befindet.

Um den PC vollständig in ein RIIoT-Gateway zu verwandeln, muss der Entwickler eine dritte Komponente installieren – die RIIoT Net Controller Middleware. Diese Software verwaltet nicht nur das Netzwerk einschließlich drahtloser Firmware-Updates für die Blattknoten, sondern konvertiert auch Daten und Befehle in JSON-Objekte, um die Anbindung an die Cloud zu vereinfachen.

Abbildung 3: Ein vollständiges RIIoT-Netzwerk enthält Blattknoten, einen Linux-PC mit einem Gateway-Modul und Steuerungssoftware. (Bildquelle: Radiocrafts)

Eine der wichtigsten Ergänzungen des RIIoT-Protokolls zu dem zugrunde liegenden Standard IEEE202.15.4 ist die Möglichkeit, eine durchgängige Sicherheit für die Datenübertragung zu implementieren. Während Sigfox keine Verschlüsselung unterstützt und LoRaWAN die Verschlüsselung der drahtlosen Verbindungen zwischen Knoten und Gateway unterstützt, geht RIIoT noch einen Schritt weiter.

Bei RIIoT kann jedem Knoten ein eindeutiger Sicherheitsschlüssel zugewiesen werden, der es dem System ermöglicht, die Nachricht vom Knoten bis zur Interaktion mit dem Cloud-basierten Anwendungsprogramm durchgängig verschlüsselt zu halten. Die Gateways können die verschlüsselte Nachricht einfach weiterleiten und müssen nicht auf die Inhalte zugreifen.

RIIoT: beschleunigtes Design mit Modulen und Kits

Entwickler, die LPWAN-IoT-Netzwerke implementieren möchten, erzielen mithilfe eines der vielen vorkonfigurierten HF- und Sensorschnittstellenmodule, die für die verschiedenen Netzwerke verfügbar sind, schnelle Fortschritte bei ihrem Design. Bei solchen Modulen sind bereits alle kniffligen Probleme des HF-Designs, der Minimierung der Leistungsaufnahme und der Protokollimplementierung gelöst. Sie sind im Wesentlichen schon schlüsselfertige Kommunikationsbausteine für den Host-Prozessor. Darüber hinaus sind die Module vorzertifiziert, um die gesetzlichen Anforderungen für die ISM-Bänder zu erfüllen. Die Entwickler brauchen nur noch ihr Endprodukt zertifizieren zu lassen. Denn wenn die Funkkomponente bereits zertifiziert ist, wird die endgültige Zertifizierung erheblich einfacher und sicherer.

Diese Module tragen auch zur Beschleunigung des Designs bei, indem sie integrierte Sensorschnittstellen und Steuerlogik bereitstellen. Das Modul Radiocrafts RC1880CEF-SPR verfügt beispielsweise über Schnittstellen für den Analogeingang zu einem ADC, GPIOs für Schalter, I²Cs und SPIs für kompatible Sensoren und eine UART-Schnittstelle für die Verbindung mit dem Host-Prozessor (Abbildung 4). Entwickler können dieses Modul einfach in ihr Design einbinden und erfüllen damit alle Anforderungen an die drahtlose Kommunikation sowie an die Sensorschnittstelle für ihr System. Das Modul kann so programmiert werden, dass es die Sensoreinrichtung, -steuerung und -abtastung selbst übernimmt, was den Anwendungsprozessor entlastet. Sensorsignale und Datenübertragungen wirken für den Anwendungscode einfach wie Schreib- und Lesevorgänge im Speicher.

Abbildung 4: Module für LPWAN-Systeme können sowohl Funkkomponenten als auch Sensorschnittstellen enthalten, sodass sie einfacher in IoT-Sensorsysteme integriert werden können. (Bildquelle: Radiocrafts)

Mit Entwicklungskits wie dem RC1880-RIIOT-DK können Entwickler schnell ein komplettes End-to-End-RIIoT-Netzwerk zum Experimentieren einrichten. Dieses Kit enthält die Blattknoten, Gateway-Module und Systemsoftware für ein komplettes Netzwerk. Die Software-Tools zum Programmieren der Blattknoten in „C“ für die Verwaltung der angeschlossenen Sensoren sind ebenfalls enthalten.

Module und Entwicklungskits für LoRaWAN und Sigfox

Auch für LoRaWAN sind vorkonfigurierte Module zur einfachen Implementierung von IoT-Systemen verfügbar. Ein gutes Beispiel ist das LoRaWAN-Modul PIS-1019 RAK811 von Pi Supply (Abbildung 5).

Abbildung 5: Das LoRaWAN-Modul PIS-1019 RAK811 von Pi Supply verfügt über eine integrierte Sensorschnittstelle und eine serielle Schnittstelle, über die es von einem Host-Mikrocontroller mit Standard-AT-Befehlen gesteuert werden kann. (Bildquelle: Pi Supply)

Dieser Baustein bietet eine serielle Schnittstelle für einen Host-Mikrocontroller, der das Modul mit Standard-AT-Befehlen steuert. Um ein vollständiges Netzwerk einrichten zu können, enthält das Entwicklungskit PIS-1037 für das Modul PIS-1019 ein Gateway-Konzentrator-Modul, das einen Host-PCIe-Controller in einen Gateway/Router-Zugangspunkt verwandeln kann (Abbildung 6).

Abbildung 6: LoRaWAN-Benutzer können mit den Ressourcen des PIS-1037 von Pi Supply, dem Entwicklungskit für das Modul PIS-1019, ein eigenes Netzwerk-Gateway einrichten. (Bildquelle: Pi Supply)

Radiocrafts bietet ebenfalls vollwertige Sigfox-Entwicklungskits an, zum Beispiel das Kit RC1692HP-SSM-DK für das HF-Modul RC1692HP-SSM und das Kit RC-1682-SSM DK für das HF-Modul RC1682-SSM. Diese Kits sind für das Entwickeln und Testen von Sigfox-Funkmodulen sofort einsatzfähig. Sie werden mit Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren, einem Beschleunigungsmesser und einem Hall-Effekt-Sensor geliefert.

Entwickler, die Sigfox verwenden, können jedoch keine eigenen Netzwerke einrichten. Sigfox übernimmt Betrieb und Wartung der System-Gateways und Backhauls selbst, und Benutzer müssen eine Zugangsgebühr bezahlen. Die Module werden mit vorcodierten IDs und Verschlüsselungsschlüsseln geliefert und beginnen nach der Registrierung und nach minimalem Installationsaufwand mit der Datenübermittlung an die Sigfox-Cloud.

Fazit

LPWAN-Lösungen wie RIIoT, LoRaWAN und Sigfox bieten Entwicklern, die sensorgestützte IoT-Anwendungen mit niedriger Datenrate, großer Reichweite und geringem Stromverbrauch entwickeln möchten, überzeugende Alternativen zu Wi-Fi, ZigBee oder lizenzierten Mobilfunknetzen. Jede dieser Optionen hat ihre eigenen Vorteile. Aber sie alle decken eine breite Anwendungspalette ab, die von intelligenten Zählern bis hin zur intelligenten Landwirtschaft reicht.