Александр Сыров alexandr.syrov@eltech.spb.ru
Применение технологии LoRa без протокола LoRaWAN
Технология LoRa позволяет передавать данные на большие расстояния при минимальных затратах на передачу данных и организацию сети. Для многих приложений достаточно использования сети типа звезда или точка-точка. Например, сбор данных с датчиков (температура, влажность и т.д.), мониторинг состояния устройств, управление светом и проч. Стоит отметить, что при самостоятельном развертывании сети есть возможность использовать дальнобойность технологии LoRa без использования протокола LoRaWAN. В этой статье будет рассмотрен пример использования протокола MiWi поверх модуляции LoRa.
LoRa (Long Range) - это технология модуляции сигнала физического уровня (PHY), ориентированная на устройства с питанием от батареи и передачу сигнала на большие расстояния. Технология LoRa разработана компанией Semtech и использует запатентованный метод модуляции сигнала с расширением спектра, где данные кодируются широкополосными импульсами с изменяемой частотой. Применение такого метода имеет следующие преимущества: значительно повышается чувствительность приемника (до -148дБм) и снижается критичность к расстройке по частоте между приемником и передатчиком. Технология LoRa обеспечивает связь на большие расстояния (до 20 км прямой видимости), низкое энергопотребление, высокую чувствительность приемника, низкие скорости передачи данных и защищенную передачу с шифрованием.
LoRaWAN - это спецификация протокола передачи данных уровня доступа к среде (MAC, Media Access Layer), определенная и поддерживаемая сообществом LoRa Alliance поверх физического уровня LoRa. В некоммерческое сообщество LoRa Alliance входят такие компании, как IBM, Semtech, Cisco, Kerlink, IMST, MultiTech, Microchip Technology и др. Изначально, главной целью сообщества было продвижение сетей LoRa и протокола LoRaWAN в качестве единого стандарта для сетей с низким энергопотреблением. Протокол LoRaWAN характеризует параметры физического уровня между устройствами и инфраструктурой сети LoRa. Таким образом, обеспечивается совместимость между разными производителями оборудования. Протокол LoRaWAN предназначен для масштабирования от инфраструктуры единого шлюза до глобальных сетей со многими устройствами. Сетевая архитектура LoRaWAN развернута в топологии «звезда», в которой шлюзы передают сообщения между конечными устройствами и сервером центральной сети (рис. 1).
LoRa (Long Range) - это технология модуляции сигнала физического уровня (PHY), ориентированная на устройства с питанием от батареи и передачу сигнала на большие расстояния. Технология LoRa разработана компанией Semtech и использует запатентованный метод модуляции сигнала с расширением спектра, где данные кодируются широкополосными импульсами с изменяемой частотой. Применение такого метода имеет следующие преимущества: значительно повышается чувствительность приемника (до -148дБм) и снижается критичность к расстройке по частоте между приемником и передатчиком. Технология LoRa обеспечивает связь на большие расстояния (до 20 км прямой видимости), низкое энергопотребление, высокую чувствительность приемника, низкие скорости передачи данных и защищенную передачу с шифрованием.
LoRaWAN - это спецификация протокола передачи данных уровня доступа к среде (MAC, Media Access Layer), определенная и поддерживаемая сообществом LoRa Alliance поверх физического уровня LoRa. В некоммерческое сообщество LoRa Alliance входят такие компании, как IBM, Semtech, Cisco, Kerlink, IMST, MultiTech, Microchip Technology и др. Изначально, главной целью сообщества было продвижение сетей LoRa и протокола LoRaWAN в качестве единого стандарта для сетей с низким энергопотреблением. Протокол LoRaWAN характеризует параметры физического уровня между устройствами и инфраструктурой сети LoRa. Таким образом, обеспечивается совместимость между разными производителями оборудования. Протокол LoRaWAN предназначен для масштабирования от инфраструктуры единого шлюза до глобальных сетей со многими устройствами. Сетевая архитектура LoRaWAN развернута в топологии «звезда», в которой шлюзы передают сообщения между конечными устройствами и сервером центральной сети (рис. 1).
Рис. 1 Архитектура сети LoRaWAN
Отметим, что бюджет системы связи обеспечивает улучшение на 30 дБ по сравнению с FSK модуляцией, позволяя подавлять помехи в совмещенном канале, и обеспечивает потребление энергии в семь раз ниже, чтобы минимизировать эксплуатационные расходы. Это делает сети LoRa жизнеспособным вариантом для повышения эффективности в самых разных областях применения.
Существует множество приложений для однорангового подключения Lora, в полной мере использующих преимущества технологии Lora для большой дальности и низкой мощности. Например, устройства открывания гаражных ворот, умный дом или промышленные интеллектуальные датчики (давление, температура, свет и т.д.), системы сигнализации.
Одноранговая связь с использованием технологии LoRa обеспечивает прямую связь и междугороднюю связь между двумя устройствами. Это особенно полезно в условиях, где глобальная инфраструктура LoraWAN не нужна или просто недоступна. Или в гибридной инфраструктуре, где некоторые устройства будут настроены на передачу данных только через одноранговую сеть (низкая задержка, низкие операционные затраты), в то время как другие узлы также будут подключены к инфраструктуре LoraWAN через шлюз. В качестве протокола передачи данных будем использовать протокол MiWi, разработанный компанией Microchip Technology.
MiWi - это проприетарный беспроводной протокол, поддерживающим одноранговое подключение по сети типа "звезда", "дерево", mesh-сеть или точка-точка. Протокол MiWi разработан на базе стандарта беспроводных низкоскоростных сетей IEEE 802.15.4 как альтернатива протоколу ZigBee. По сравнению с ZigBee протокол MiWi требует меньший объем памяти устройства, что снижает требования к ресурсам микроконтроллера и себестоимость оборудования. Стек MiWi занимает всего 4-8 кБ памяти для конечного устройства и менее 16 кБ для координатора сети. Так же отметим, что протокол MiWi не зависит от физического уровня радиоканала. Можно использовать протокол MiWi для построения сетей с разными частотными диапазонами и различной модуляцией сигнала, но исключительно на базе микросхем компании Microchip. Однако, протокол MiWi имеет и свои ограничения:
- максимальное количество узлов в сети - 1024,
- при построении mesh-сетей пакеты данных могут делать максимум 4 "прыжка" (hops) до адресата.
Но для построения небольших сетей и выполнения многих задач этого вполне достаточно. К тому же, при использовании MiWi не надо сертифицировать оборудование или платить отчисления как, например, в ZigBee.
Рассмотрим организацию сети MiWi более подробно. В рамках протокола MIWi производится формирование сети, подключение новых узлов и маршрутизация. Сеть MiWi использует 3 типа устройств с различным функционалом:
1. PAN-координатор (Personal Area Network coordinator) - главный узел сети. Он является образующим узлом сети. PAN-координатор в сети MiWi может быть только один.
2. Координатор - помимо приема и передачи данных (как и конечный узел), с помощью координатора можно расширить зону охвата и количество конечных узлов.
3. Конечный узел - узел, который может только принимать и передавать данные. Например, некий датчик
PAN-координатор - это устройство, которое запускает сеть (ему присваивается адрес 00h) и выбирает канал и идентификатор PAN сети (PAN ID). Все остальные устройства, подключающиеся к сети, должны подчиняться инструкциям PAN-координатора. Координаторы и конечные узлы присоединяются к созданной сети и после сканирования получают идентификаторы и адреса. Для подключения конечного узла или координатора к сети MiWi используется двухэтапная процедура установления связи (а не 5ти этапная, как в стандарте IEEE 802.15.4). Новый узел посылает в эфир специальный запрос. В ответ на него все координаторы, которые его слышат, посылают ответ с информацией о своем окружении. В ответе используются три дополнительных байта:
1. Идентификатор протокола (для MiWi это 4Dh),
2. Номер версии,
3. Локальные координаторы - указывается список координаторов, с которыми конкретный координатор имеет связь. Каждый бит указывает на связь с одним из восьми возможных координаторов. Бит 0 - связь с PAN-координатором, бит 1 - связь с координатором с адресом 0100h и т. д.
Это позволяет узлам узнавать все возможные маршруты в сети. Дальнейший обмен данными по сети происходит в соответствии с алгоритмом на рисунке 2.
Существует множество приложений для однорангового подключения Lora, в полной мере использующих преимущества технологии Lora для большой дальности и низкой мощности. Например, устройства открывания гаражных ворот, умный дом или промышленные интеллектуальные датчики (давление, температура, свет и т.д.), системы сигнализации.
Одноранговая связь с использованием технологии LoRa обеспечивает прямую связь и междугороднюю связь между двумя устройствами. Это особенно полезно в условиях, где глобальная инфраструктура LoraWAN не нужна или просто недоступна. Или в гибридной инфраструктуре, где некоторые устройства будут настроены на передачу данных только через одноранговую сеть (низкая задержка, низкие операционные затраты), в то время как другие узлы также будут подключены к инфраструктуре LoraWAN через шлюз. В качестве протокола передачи данных будем использовать протокол MiWi, разработанный компанией Microchip Technology.
MiWi - это проприетарный беспроводной протокол, поддерживающим одноранговое подключение по сети типа "звезда", "дерево", mesh-сеть или точка-точка. Протокол MiWi разработан на базе стандарта беспроводных низкоскоростных сетей IEEE 802.15.4 как альтернатива протоколу ZigBee. По сравнению с ZigBee протокол MiWi требует меньший объем памяти устройства, что снижает требования к ресурсам микроконтроллера и себестоимость оборудования. Стек MiWi занимает всего 4-8 кБ памяти для конечного устройства и менее 16 кБ для координатора сети. Так же отметим, что протокол MiWi не зависит от физического уровня радиоканала. Можно использовать протокол MiWi для построения сетей с разными частотными диапазонами и различной модуляцией сигнала, но исключительно на базе микросхем компании Microchip. Однако, протокол MiWi имеет и свои ограничения:
- максимальное количество узлов в сети - 1024,
- при построении mesh-сетей пакеты данных могут делать максимум 4 "прыжка" (hops) до адресата.
Но для построения небольших сетей и выполнения многих задач этого вполне достаточно. К тому же, при использовании MiWi не надо сертифицировать оборудование или платить отчисления как, например, в ZigBee.
Рассмотрим организацию сети MiWi более подробно. В рамках протокола MIWi производится формирование сети, подключение новых узлов и маршрутизация. Сеть MiWi использует 3 типа устройств с различным функционалом:
1. PAN-координатор (Personal Area Network coordinator) - главный узел сети. Он является образующим узлом сети. PAN-координатор в сети MiWi может быть только один.
2. Координатор - помимо приема и передачи данных (как и конечный узел), с помощью координатора можно расширить зону охвата и количество конечных узлов.
3. Конечный узел - узел, который может только принимать и передавать данные. Например, некий датчик
PAN-координатор - это устройство, которое запускает сеть (ему присваивается адрес 00h) и выбирает канал и идентификатор PAN сети (PAN ID). Все остальные устройства, подключающиеся к сети, должны подчиняться инструкциям PAN-координатора. Координаторы и конечные узлы присоединяются к созданной сети и после сканирования получают идентификаторы и адреса. Для подключения конечного узла или координатора к сети MiWi используется двухэтапная процедура установления связи (а не 5ти этапная, как в стандарте IEEE 802.15.4). Новый узел посылает в эфир специальный запрос. В ответ на него все координаторы, которые его слышат, посылают ответ с информацией о своем окружении. В ответе используются три дополнительных байта:
1. Идентификатор протокола (для MiWi это 4Dh),
2. Номер версии,
3. Локальные координаторы - указывается список координаторов, с которыми конкретный координатор имеет связь. Каждый бит указывает на связь с одним из восьми возможных координаторов. Бит 0 - связь с PAN-координатором, бит 1 - связь с координатором с адресом 0100h и т. д.
Это позволяет узлам узнавать все возможные маршруты в сети. Дальнейший обмен данными по сети происходит в соответствии с алгоритмом на рисунке 2.
Рис. 2 Алгоритм маршрутизации в сети MiWi
Когда координатор получает широковещательный пакет (broadcast packet), он пересылает его соседям до тех пор, пока счетчик "прыжков" (hops) не будет равен нулю. Широковещательные пакеты не передаются конечным устройствам. У широковещательных пакетов бит запроса АСК должен быть равен нулю. Координаторы, которые получают широковещательные пакеты, должны обработать пакет после его повторной передачи.
Microchip разработал способ управления программным обеспечением для радиотрансиверов и стека протоколов связи, который позволяет разработчикам сосредоточиться на разработке собственного кода и не тратить время на изучение специфики того или иного радиоканала. Это достигается благодаря интерфейсу MiApp (рис. 3). Спецификация MiApp определяет программные интерфейсы между самим приложением и проприетарным протоколом MiWi. Программный интерфейс MiApp реализуется двумя способами: в качестве параметров конфигурации, определенных в файле конфигурации, и в виде набора функций для протокола MiWi. Уровень MiMAC регулирует интерфейс между протоколом MiWi и LoRa-трансивером в ATSAMR34.
Microchip разработал способ управления программным обеспечением для радиотрансиверов и стека протоколов связи, который позволяет разработчикам сосредоточиться на разработке собственного кода и не тратить время на изучение специфики того или иного радиоканала. Это достигается благодаря интерфейсу MiApp (рис. 3). Спецификация MiApp определяет программные интерфейсы между самим приложением и проприетарным протоколом MiWi. Программный интерфейс MiApp реализуется двумя способами: в качестве параметров конфигурации, определенных в файле конфигурации, и в виде набора функций для протокола MiWi. Уровень MiMAC регулирует интерфейс между протоколом MiWi и LoRa-трансивером в ATSAMR34.
Рис. 3 Структура программы MiWionLoRa
Рассмотрим пример с протоколом MiWi для одноранговой сети LoRa (простая сеть точка-точка), используя микроконтроллер со встроенным LoRa трансивером ATSAMR34. Пример прошивки для ATSAMR34 предоставляется по запросу. После подписания NDA компания ЭЛТЕХ высылает пример прошишки MiWionLoRa_SAMR34 для проверки организации одноранговой сети. Именно его мы и будем прошивать на 2 отладочные платы ATSAMR34 Xplained Pro. Эта прошивка поддерживает реализацию сетей звезда и точка-точка. Mesh-сети в данном примере не поддерживаются.
ATSAMR34 представляет собой "систему-в-упаковке" (SiP, system in package), в состав которой входит 32х-битный микроконтроллер на базе ядра Cortex M0+ c максимальной частотой 48 МГц и приемопередатчик с поддержкой модуляции LoRa.
Для быстрого освоения и начала разработки, компания Microchip предлагает отладочную плату ATSAMR34 Xplained Pro (рис. 4).
ATSAMR34 представляет собой "систему-в-упаковке" (SiP, system in package), в состав которой входит 32х-битный микроконтроллер на базе ядра Cortex M0+ c максимальной частотой 48 МГц и приемопередатчик с поддержкой модуляции LoRa.
Для быстрого освоения и начала разработки, компания Microchip предлагает отладочную плату ATSAMR34 Xplained Pro (рис. 4).
Рис. 4 Внешний вид отладочной платы ATSAMR34 Xplained Pro
Для работы с ATSAMR34 нам понадобится установить расширение Atmel Software Framework (ASFv3) для Atmel Studio. В меню Tools выбираем Extensions and Updates (рис. 5). После установки ASF перезапускаем Atmel Studio.
Если устанавливать Atmel Studio "с нуля", то ASF будет установлен по умолчанию.
Если устанавливать Atmel Studio "с нуля", то ASF будет установлен по умолчанию.
Рис. 5 Расширение ASF в Atmel Studio
Открываем проект MiWionLoRa_SAMR34 в папке ..\P2P\LoRa_MiWi_Korean\LoRaP2P_v3_20191127. Переходим Tools > Device Programming (рис. 6).
Рис. 6 Проект в окне Atmel Studio 7
В окне Device Programming в разделе Tool выбираем параметр EDBG. В выпавшем списке подключенных устройств выбираем нужный микроконтроллер ATSAMR34J18B, интерфейс программирования SWD и нажимаем Apply. Далее переходим на вкладку Memories и выбираем нужный hex-файл прошивки и нажимаем Program (рис. 7).
Рис. 7 Окно программирования микроконтроллера в Atmel Studio 7
После прошивки открываем гипертерминал (или любую другую терминальную программу). При включении вываливается меню, где необходимо настроить типы устройств (рис. 8).
Рис. 8 Начальное меню MiWi on LoRa
Одну отладочную плату надо настроить как PAN-координатор для образования сети MiWi. Нажимаем "S" и начинается сканирование и выбор канала связи, присвоение PAN-координатору короткого адреса 0000h и идентификатора сети (рис. 9).
Рис. 9 Настройка PAN-координатора
Вторую отладочную плату ATSAMR34 Xplained Pro настроим в качестве координатора. Нажимаем "J" и отправляем запрос (Beacon) на подключение к сети. Получаем адрес 0100h и тип устройства координатор, а также получаем адрес устройства в сети (рис. 10).
Рис. 10 Подключение координатора к созданной сети
Теперь можем отправлять широковещательные сообщения (Broadcast Message) и адресные сообщения (Unicast Message) в обе стороны. В данном примере передается "31 32 33 34 35" в качестве широковещательного сообщения (рис. 11) и "36 37 38 39 40" в качестве адресного сообщения (рис. 12). При отправке адресного сообщения необходимо указать короткий адрес устройства в сети. В данном случае отправляем сообщение с координатора на PAN-координатор, т.е. на адрес "0".
Рис. 11 Отправка широковещательных сообщений
Рис. 12 Отправка адресных сообщений
В итоге мы получаем сеть с преимуществами технологии LoRa и простым протоколом MiWi. Благодаря низкому энергопотреблению связка SAMR34+MiWi может быть использована в IoT-устройствах с батарейным питанием и достаточно компактными габаритами.
Список используемой литературы:
1. AN1066 MiWi™ Wireless Networking Protocol Stack
2. DS70005356 SAM R34/R35 Low Power LoRa® Sub-GHz SiP Datasheet
3. DS50002803 SAM R34 Xplained Pro User Guide
4. AN1204 Microchip MiWi™ P2P Wireless Protocol
5. AN1284 Microchip Wireless MiWi™ Application Programming Interface – MiApp
Список используемой литературы:
1. AN1066 MiWi™ Wireless Networking Protocol Stack
2. DS70005356 SAM R34/R35 Low Power LoRa® Sub-GHz SiP Datasheet
3. DS50002803 SAM R34 Xplained Pro User Guide
4. AN1204 Microchip MiWi™ P2P Wireless Protocol
5. AN1284 Microchip Wireless MiWi™ Application Programming Interface – MiApp