Стандарт LoRaWAN и его использование в России с контроллерами STM32WL

12 января

системы безопасностиучёт ресурсовсветотехникаинтернет вещейSTMicroelectronicsстатьяинтегральные микросхемыбеспроводные технологиисредства разработки и материалы868 МГцSTM32IoTУмный домLoRa

Александр Калачев (г. Барнаул)

Стандарт сетевого уровня LoRaWAN технологии LoRa одобрен для применения в России и отвечает требованиям региональных сетевых операторов. Основными перспективными направлениями для использования данной технологии в РФ являются комплексное обеспечение наземного оборудования и инфраструктуры устройствами с датчиками LoRaWAN, организация локальной IoT-сети на базе данного протокола межмашинного взаимодействия, контроль использования ресурсов, управление оборудованием. Компания STMicroelectronics выпустила линейку беспроводных однокристальных контроллеров серии STM32WL c поддержкой модуляции LoRa.

Недавно появившийся метод модуляции LoRa (Long Range) довольно успешно завоевывает популярность на мировом рынке. Модуляция LoRa основана на расширении спектра за счет широкополосных импульсов с линейной частотной модуляцией и прямой коррекцией ошибок (Chirp Spread Spectrum with Forward Error Correction). Благодаря такой методике модуляции LoRa эффективно использует доступную ширину канала при передаче сигнала, за счет этого она достаточно устойчива к шумам и помехам в канале, а также погрешностям в задании центральных частот каналов, что в итоге положительно сказывается на чувствительности и избирательности при приеме сигналов. Несмотря на относительную простоту модуляции, устройства, поддерживающие LoRa, имеют высокую помехозащищенность: уверенный прием сигналов возможен при уровнях сигнала на 19…20 дБ ниже уровня шума.

Стандарт сетевого уровня LoRaWAN (Long Range Wide Area Networks) технологии LoRa на данный момент имеет статус предварительного национального стандарта (ПНСТ) «Информационные технологии. Интернет вещей. Протокол обмена для высокоемких сетей с большим радиусом действия и низким энергопотреблением». Стандарт задает сетевой протокол и системную архитектуру сети LoRaWAN с учетом специфики законодательства РФ и требований региональных сетевых операторов.

Модуляция Long Range, или LoRa

LoRa отвечает за физический уровень (Physical Layer, PHY) сети передачи данных, который, в соответствии с семиуровневой моделью сетевого взаимодействия, может использоваться с различными наборами протоколов верхних уровней для реализации различных вариантов сетевых архитектур.

Изначально метод LoRa как метод модуляции запатентована компанией Semtech. Так же называется и беспроводная технология, которая, по сравнению с аналогичными решениями, обеспечивает большие расстояния передачи, меньшее энергопотребление и безопасную передачу данных для приложений M2M и IoT. Технологию LoRa рассматривают как способ беспроводного подключения датчиков, шлюзов, машин, исполнительных устройств и прочего к сетевой инфраструктуре или облаку. С января 2015 г. создана некоммерческая организация LoRa Alliance. Целью альянса является разработка и продвижение протокола LoRaWAN как стандарта для сетей с малым энергопотреблением – Low Power Wide Area Network (LPWAN).

LoRaWAN – стандарт, разработанный и поддерживаемый Lora Alliance, в который входят международные телекоммуникационные компании-производители и интеграторы.

Типичная сеть LoRaWAN состоит из: конечных узлов, шлюзов, сетевого сервера и сервера приложений.

Конечный узел LoRa (LoRa End Node) осуществляет управляющие или измерительные функции. Как правило, он оснащен набором необходимых датчиков, управляющих элементов, систем согласования с исполнительными устройствами.

Шлюз LoRa (LoRa Gateway) принимает данные от конечных устройств по радиоканалу и передает их далее в инфраструктурную сеть. В ее качестве могут выступать сети технологий Ethernet, сотовые сети, сети Wi-Fi, сети и каналы любых других топологий. К шлюзу конечные устройства подключаются по топологии «звезда». Часто шлюз имеет многоканальные приемопередатчики для одновременной обработки сигналов в нескольких каналах или нескольких сигналов, передающихся в одном канале. Соответственно, несколько таких устройств обеспечивают зону покрытия сети и прозрачную двунаправленную передачу данных между конечными узлами и сервером.

Сетевой сервер (Network Server) осуществляет функции управления сетью: задает расписание, управляет адаптацией скорости, занимается хранением и обработкой принимаемых данных.

Сервер приложений (Application Server), чье наличие опционально, но желательно, предназначен для контроля работы конечных узлов и собора с данных с них.

Протокол LoRaWAN – протокол управления доступом, использующий для идентификации MAC-адрес для обмена и управления сообщениями между сетевым сервером LoRaWAN и конечным устройством.

Для максимального увеличения времени автономной работы устройств LoRaWAN использует схему ADR – схему адаптивной скорости передачи данных. В этом случае идет управление индивидуальными скоростями для каждого из подключенных устройств с учетом условий приема. Конечные устройства могут передавать данные по любому доступному каналу в любое время, используя любую доступную скорость ADR при условии соблюдения следующих правил:

  • конечное устройство изменяет канал псевдослучайным образом для каждой передачи, тем самым обеспечивая разнесение частот;
  • конечное устройство должно соблюдать любые ограничения рабочего цикла передачи, определенные спецификацией диапазона.

Протокол LoRaWAN может быть использован для создания сетей учета в коммунальном хозяйстве, управлении транспортном, в сельском хозяйстве, горно- и нефтедобывающей промышленности, а также в других отраслях. LoRa отличается возможностью передачи данных на большие расстояния, возможностью поддержки двунаправленной связи, а также гибкой адаптацией полосы пропускания. В 2019 году отечественный вариант LoRaWAN получил одобрение экспертов из LoRa Alliance и был разрешен к использованию в качестве региональной спецификации для российского рынка в варианте LoRaWAN RU с учетом требований отечественного рынка и отраслевых регуляторов (таблица 1).

Документ разработан при сотрудничестве с членами «Ассоциации участников рынка интернета вещей», куда входят такие компании, как: ЭР-Телеком, Лартех, Гудвин и МТТ. Стандарт определяет сетевой протокол и сетевую архитектуру LoRaWAN (Long Range Wide Area Networks), с учетом специфики условий в РФ.

Таблица 1. Частотный план LoRaWAN для РФ

Канал Частота, МГЦ Модуляция, кГц Мощность, мВт
0 868,9 MultiSF 125 25
1 869,1 MultiSF 125 25
2 864,1 MultiSF 125 25
3 864,3 MultiSF 125 25
4 864,5 MultiSF 125 25
5 864,7 MultiSF 125 25
6 864,9 MultiSF 125 25
LoraSTD 864,6 SF7 250 25
FSK 864,8 FSK 250, 50 кбит/с 25
RX2 869,1 SF12 125 25

STM32WL

Компания STMicroelectronics расширила линейку беспроводных однокристальных контроллеров серией STM32WL с субгигагерцевым радио, поддерживающей, в том числе, и модуляцию LoRa.

Система-на-кристалле (с-н-к) STM32WL объединяет в себе микроконтроллер общего назначения и субгигагерцевый трансивер на одном чипе.

Микроконтроллеры STM32WL, построенные на ядрах ARM® Cortex®‐M4 и Cortex®-M0+ (доступны одно- и двухъядерные архитектуры), поддерживают несколько модуляций: LoRa®, (G)FSK, (G)MSK и BPSK. Это обеспечивает высокую гибкость в беспроводных приложениях с протоколами LoRaWAN®, Sigfox, W-MBUS, Mioty® или с проприетарными либо открытыми протоколами (рисунок 1). Стеки протоколов LoRaWAN® и Sigfox доступны в STM32CubeWL.

Рис. 1. Модуляции, поддерживаемые STM32WL

Рис. 1. Модуляции, поддерживаемые STM32WL

Благодаря глубокой интеграции инновационная и открытая архитектура оптимизирована для LoRaWAN® legacy, Sigfox, запатентованных протоколов, гибкого использования ресурсов, управления питанием и помогает снизить стоимость спецификации, обеспечивая при этом лучший пользовательский интерфейс.

Разработанная с использованием той же технологии, что и в микроконтроллерах STM32L4x, серия STM32WL имеет аналогичные цифровые и аналоговые периферийные устройства для приложений, требующих высокой энергоэффективности и возможностей связи на достаточно большие расстояния.

В целом, серия STM32WL является пионером семейства STM32 в субгигагерцевом диапазоне, предлагая простоту в использовании и надежность, в то же время идеально адаптируясь для широкого спектра промышленных и потребительских приложений.

Серии STM32WLEx (одноядерный M4) и STM32WL5x (двухъядерный M4 и M0+) включают в себя широкий спектр коммуникационных функций, в том числе до 43 линий ввода-вывода, встроенный импульсный преобразователь для оптимизации энергопотребления, несколько режимов с малым энергопотреблением (рисунок 2).

Рис. 2. Ассортимент серии STM32WL

Рис. 2. Ассортимент серии STM32WL

Основные возможности STM32WL:

  • субгигагерцевый трансивер;
  • поддержка нескольких режимов модуляции: LoRa, (G)FSK, (G)MSK, BPSK;
  • два встроенных усилителя мощности:
    • малой мощности до +15 дБм;
    • высокой мощности до +22 дБм.
  • чувствительность в режиме приема с модуляцией LoRa: -148 дБм (SF12, BW = 10,4 кГц);
  • приемлемое потребление в активных режимах:
    • прием 4,82 мА;
    • передача 15 мА при 10 дБм/87 мА при 20 дБм (3,3 В).

В микроконтроллерах STM32WL применяется специально разработанный трансивер на базе Semtech SX126x с двумя усилителями мощности: один до +15 дБм, другой — до +22 дБм. Это позволяет как оптимизировать режимы работы радиотракта в устройствах с автономным питанием, так и задействовать максимально разрешенную в нашей стране мощность +20 дБм даже с учетом потерь в антенном тракте.

STM32WL поддерживает несколько режимов пониженного энергопотребления:

  • активный режим с потреблением менее 71 мкА/МГц (при напряжении питания 3 В без активного радиотракта);
  • режим останова (Stop2 mode) с сохранением содержимого памяти 1 мкА;
  • режим ожидания (Standby mode) с работающим таймером часов реального времени RTC 390 нА;
  • режим выключения (Shutdown mode) 31 нА.

Набор периферийных устройств включает в себя:

  • последовательные интерфейсы: 3xI²C, 2xUSART, 1xLP-UART, 2xSPI;
  • семь таймеров;
  • два ULP-компаратора.

Средства отладки

Плата NUCLEO-WL55JC STM32WL Nucleo-64 предоставляет пользователям доступный и гибкий способ опробовать новые концепции и создавать прототипы устройств и систем на базе серии STM32WL. Традиционно поддерживаются разъемы подключения Arduino Uno V3 и ST morpho, чем обеспечивается функциональная расширяемость за счет подключения внешних плат и шилдов с датчиками или исполнительными устройствами (рисунок 3).

В плату STM32 Nucleo-64 встроен отладчик/программатор STLINK-V3E. Плата оснащена комплексной библиотекой программного обеспечения HAL STM32 и различными примерами программ, доступных в составе пакета STM32CubeWL MCU Package.

Рис. 3. Отладочная плата NUCLEO-WL55JC

Рис. 3. Отладочная плата NUCLEO-WL55JC

LoraWAN в России

На российском рынке LoRaWAN определились основные крупные игроки: Лейс (Everynet), Сеть 868, Лартех, Smartiko, Вега, Прогтех, АПЗ, КАРАТ, ЭР-Телеком. Появились также интеграторы, продвигающие иностранные LoRa-системы от Cisco, Multitech, Kerlink, Senlab, Libelium, RisingHF, ManThink и других компаний.

Одним из перспективных направлений использования данной технологии в России является комплексное обеспечение наземного оборудования и инфраструктуры устройствами с датчиками LoRaWAN, а также организация локальной IoT-сети на базе данного протокола межмашинного взаимодействия [3…5].

При помощи сервисов LoRaWAN промышленные компании могут отслеживать влажность и температуру на промышленных объектах, управляющие компании и компании, предоставляющие ресурсы, смогут вести оперативный учет потребления воды, тепла, электричества, управлять уличным и внутридомовым освещением [3…5].

Рассматриваются проекты по мониторингу технологического оборудования и установок в нефтегазовой и горнодобывающей промышленности. Отдельный интерес представляет задача мониторинга состояния вечной мерзлоты и капитальных сооружений в условиях арктических регионов, что особенно важно в свете климатических изменений и продолжения активного освоения северных территорий.

С практической точки зрения технология LoRa интересна прежде всего как технология канального уровня для систем учета и телеметрии в условиях зашумленного и плотно населенного радиодиапазона.

Стандарт LoRaWAN более подходит для организации локальных или кампусных сетей топологий «звезда» и «составная звезда», работающих на базе сетевой инфраструктуры предприятия или сетевых операторов.

Наряду со стандартом LoRaWAN утверждены еще шесть нормативно-технических документов в области интернета вещей, сенсорных сетей и промышленного интернета вещей. Новые стандарты регулируют вопросы терминологии и референтных (типовых) архитектур. Документы могут быть использованы в практической работе на всех уровнях: от включения в образовательные курсы для профильных специалистов до готового стартового пакета для независимых разработчиков продуктов и сервисов на рынке IT:

  • ПНСТ «Информационные технологии. Сети сенсорные. Часть 2 Термины и определения»;
  • ПНСТ «Информационные технологии. Сети сенсорные. Часть 3 Типовая архитектура»;
  • ПНСТ «Информационные технологии. Сети сенсорные. Интегрированная среда тестирования».

Компоненты STMicroelectronics позволяют в рамках единой программно-аппаратной платформы реализовывать решения для систем учета ресурсов и автоматики — теперь и по технологии LoRa. Учитывая возможность LoRa работать в условиях зашумленного диапазона, этот стандарт вполне подходит для развертывания инфраструктуры систем учета электроэнергии/водоснабжения в многоэтажных домах. Принятие LoRaWAN в качестве предварительного национального стандарта готовит документационную базу для унификации систем подобного класса, что в перспективе выгодно и сетевым операторам, и компаниям, выпускающим приборы учета.

Литература

  1. Беспроводные интерфейсы умного проSTранства – преимущества и ограничения
  2. STM32WL – первый в мире истинный LoRa_FSK_MSK_BPSK SoC в диапазоне до 1 ГГц 
  3. STM32CubeWL – STM32Cube MCU Package for STM32WL series (HAL, Low-Layer APIs and CMSIS, File system, RTOS, KMS, Secure Engine, Sub-GHz Phy, LoRaWAN and Sigfox stacks – and examples running on ST boards) – STMicroelectronics
  4. Беспроводные интерфейсы умного проSTранства – преимущества и ограничения
  5. Утверждена региональная спецификация LoRaWAN для России
•••

Наши информационные каналы

О компании STMicroelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее

Товары
Наименование