טכנולוגיית ®LoRa (טווח רחוק – Long Range) מרחיבה את כיסוי האינטרנט של הדברים (IoT) על ידי שילוב קישוריות אלחוטית לטווח רחוק עם ביצועי הספק-נמוך. החל בערים חכמות, דרך חקלאות חכמה ועד למעקב אחר שרשרות אספקה, LoRa היא הבחירה האידיאלית ליצירת רשתות IoT גמישות שיכולות לתפקד בסביבות עירוניות וכפריות כאחד.
אז עד כמה זה קל לפתח פתרון LoRa חדש או לבצע מעבר לאחד כזה?
להבין טכנולוגיה אלחוטית חדשה ולבחור את הפתרון המתאים ליישומים שלכם יכולים להיות מתישים. תכן של מערכות תדר רדיו אלחוטיות (RF) דורש בדרך כלל מומחיות מעמיקה ב-RF ומוסיף זמן פיתוח משמעותי עבור המתכננים.
מאמר זה יציג את ארבעת האלמנטים העיקריים של ארכיטקטורת רשת LoRa וידון בפירוט בחלק מהאתגרים הנפוצים ביותר שאיתם מתמודדים מתכננים העוסקים בפיתוח צומתי קצה של LoRa. כמו כן נבחן כיצד מודולי LoRa בעלי אישור רגולטורי יכולים לעזור להתגבר על האתגרים האלה ולקצר את משך הזמן לשוק.
ארכיטקטורת רשת LoRaWAN
LoRa היא טכניקת אפנון אלחוטית או שכבה פיזית שמאפשרת להתקני-קצה עם הספק נמוך לתקשר זה עם זה למרחקים ארוכים. LoRaWAN הוא פרוטוקול רישות אלחוטי שפועל כשכבת בקרת גישה למדיה (MAC) ומונח מעל השכבה הפיזית של LoRa. מפרט ה-LoRaWAN מכיל את פרטי פרוטוקול התקשורת וארכיטקטורת הרשת, ונועד לספק תקשורת מאובטחת של התקני-קצה ויכולת תפעול הדדי בתוך הרשת.
רשת LoRa מכילה ארבעה אלמנטים, עיינו באיור 1.
איור 1. ארבעת האלמנטים של רשת LoRa (מקור התמונה: LoRa Alliance)
- התקני-קצה (End-Nodes) הם אלמנטים של המערכת האקולוגית של LoRa שאוספים נתוני חיישנים ומשדרים/קולטים את הנתונים. בדרך כלל הם מחוברים מרחוק ומופעלים על ידי סוללות.
- השער (Gateway) הוא גשר שקוף בין התקני-קצה לבין שרת הרשת. בדרך כלל התקני-הקצה משתמשים ב-LoRaWAN כדי להתחבר לשער, בעוד שהשער משתמש ברשתות בעלות רוחב פס גדול כגון Wi-Fi, רשת קווית Ethernet או רשת סלולרית כדי להתחבר לרשתות.
- שרת הרשת (Network server) מתחבר למספר שערים. הוא אוסף נתונים מהשערים ומסנן החוצה הודעות עם כפילויות, מחליט איזה שער יענה להודעות מצומתי-הקצה, ומתאים את קצבי הנתונים במטרה להאריך את משך חיי הסוללות של צומתי-הקצה.
- שרת היישומים (Application server) אוסף נתונים מצומתי-הקצה ושולט בפעולות התקני צומתי-הקצה.
הבה נבחן מקרוב מהם צומתי-הקצה של LoRa ונבדוק את האתגרים הכרוכים בתכנון שלהם.
אתגרים נפוצים בתכנון צומתי-קצה של LoRa
צומתי-קצה הם אובייקטים פשוטים כגון חיישנים ושסתומי הפעלה. בדרך כלל מדובר ב”דברים” שבתוך האינטרנט של הדברים (IoT). במערכת האקולוגית של LoRaWAN, כל צומת-קצה מתקשרת עם שרת הרשת דרך שער אחד או יותר.
לרוב צומתי-הקצה של LoRa הם יישומים זולים המופעלים ע”י סוללות שחייבים להיות יעילים מאוד מבחינת מחיר והספק. תלוי בזמן הפיתוח, יעדי העלויות, צריכת המתח והמומחיות הזמינה בתחום ה-RF, יש כמה אפשרויות לבניית צומתי-קצה של LoRa. לפני שנבחן את האפשרויות הזמינות לבניית צומתי-קצה של LoRa, נעיין בחלק מהאתגרים הכי נפוצים שאיתם מתמודדים המתכננים כשהם מתכנים צומתי-קצה, ושיכולים לעזור לנו לבחור במוצר הכי מתאים עבורנו.
האתגרים הכי נפוצים לתכנון ארכיטקטורת צומתי-קצה כזו כוללים:
- תכן RF
כמו בכל תכן אלחוטי, יש צורך במומחיות תכן RF משמעותית כדי לתכנן צומתי-קצה של LoRa. כאשר מפתח התקן צומת-הקצה משתמש ב-LoRa SoCs/SiPs, הוא אחראי על כל תכן ה-RF, כולל תרשימים, BOM, מעגלים מודפסים, פריסה, כוונון אנטנות וחומרת RF אחרת. גם עם התיעוד ומדריכי תכן יישומים הכי מושלמים, תכן RF אינו תמיד משימה קלה. לא רק שצריך מומחיות ב-RF, זה גם כרוך בהוספת זמן פיתוח משמעותי למתכננים. דיבוג תכני RF עושה לרוב שימוש בציוד מיוחד, דבר שמוסיף עלויות פיתוח נוספות. כדי להקל על אתגרי תכן ה-RF, יש ספקים המציעים LoRa SoCs/SiPs, הנתמכים על ידי תיעוד מצוין, תרשימי ייחוס בעלי אישור רגולטורי, וחבילות תכן chip-down מפורטות. עם זאת, להשגת זמני הפיתוח הקצרים ביותר והפחתת הסיכונים, מודול LoRa בדוק בעל אישור רגולטורי, עם אופטימיזציה ל-RF, הוא כמעט תמיד האפשרות הטובה ביותר. מודולים כאלה יכולים לספק פתרון מלא ברכיב בודד ולהפחית את סיכוני התכן ואת זמני הפיתוח.
- ציות והסמכות רגולטוריים
מכשירי רדיו LoRa/sub-GHz פועלים בדרך כלל בתחום התדרים ללא-רישיון ISM, כאשר התדרים תלויים באזור ההפעלה, דבר מאתגר עבור מתכנני חומרה ותוכנה. יש לנקוט משנה זהירות בעת תכנון פתרון בעל התאמה מלא לתקן תוך שמירה על עלויות BOM מינימליות. כמו כן, דרישות רגולטוריות של RF משתנות ללא הרף, ושמירה על הקצב מול השינויים הרגולטוריים, בדיקה מחדש של התקנים, וקבלת הסמכות מחודשות על ציות לתקן יכולים כולם לעלות אלפי דולרים ולדרוש זמני תכנון של חברות פיתוח צומתי-קצה שניתן היה להקדיש אותם לפרויקטים חדשים. השימוש במודולי LoRa בעלי אישור רגולטורי פותר את הבעיה הזו בקלות כי יצרן המודול דואג לעמידה בדרישות הרגולטוריות ולעדכון ההסמכות למפרטים העדכניים ביותר. ניתן למנוע לחלוטין את כל העלויות והזמן האלה המוקדשים לעמידה בתקנים, על ידי בחירה במודול LoRa בעל אישור רגולטורי.
- תפעול רב-אזורי
התקני LoRa תומכים במספר תדרים, תלוי באזור. לרוב, יצרני צומתי-קצה משחררים את מוצרי-הקצה שלהם תחילה באזור עיקרי אחד. לאחר הגדלת הביקוש, החברות בוחנות את האפשרות להרחיב את אותו תכן לאזורים נוספים. יחידת מלאי (SKU) אחת שתומכת במספר אזורים מאפשרת מעבר-פלטפורמות חלקה והרחבה של מוצר-הקצה למדינות ולאזורים שונים. מודול LoRa בעל אישור רגולטורי שעובד במספר תחומי תדרים הוא אידיאלי לסוג כזה של התרחבות המוצר.
- תוכנה חזקה
בדרך כלל מודולי LoRa משלבים את כל ה-LoRaWAN stack בתוך המודול, ומפתח צומת-הקצה צריך רק ליישם את אתחול המודול ואת התקשורת איתו. עם LoRa SoCs/SiPs ועם מודולי LoRa העומדים בזכות עצמם, את ה-stack צריך לספק היצרן; או שהמפתח חייב לפתח stack משלו אם לא סופק אחד כזה. כדי לקצר את פיתוח התוכנה, מומלץ לבחור מודולים/מעגלים משולבים של LoRa שנתמכים ע”י LoRaWAN stack של היצרן. LoRaWAN stacks מוכחים שמקורם ביצרנים מבטיחים יכולת פעולה הדדית של צומתי-הקצה עם רשתות ושערי LoRaWAN חשובים, וכך מאפשרים לצומתי-הקצה לעבוד על פני רשתות שונות בסיכון מופחת.
- מסלול המעבר (migration) ממודולים ל-SoCs
חברות רבות מתחילות את הרצת אבות-הטיפוס והמוצרים הראשונים על קו הייצור עם מודולים בעלי אישור רגולטורי, זאת במטרה להפחית סיכונים ולהביא את מוצריהן מהר יותר אל השוק. לאחר שהמוצרים שלהן מתחילים להימכר בכמויות, חברות עשויות להחליט לעבור ל-LoRa SoCs/ICs במקום זאת, כדי להגדיל את הגמישות או להפחית את עלויות ה-BOM. המעבר אינו תמיד קל, ולכן חשוב מאוד לשקול מודולים העומדים בזכות עצמם שמאפשרים העברת תוכנה פשוטה בין מודולים ומעגלים מודפסים. כמו כן חיוני לבחור ספקים שמוכרים את שני המודולים וה-SoCs, כדי שפלטפורמת הפיתוח, העברת התוכנה ומבני התמיכה יישארו אותו הדבר.
מודולי LoRa בעלי אישור רגולטורי עוזרים להתגבר על האתגרים ולפשט את תכן ה-LoRa של צומתי-קצה
מודולי LoRa מכילים את כל רכיבי השידור הדרושים יחד עם LoRaWAN stack ומעגל ה-RF, מה שהופך אותם לאידיאליים עבור פיתוח מהיר יותר של צומתי-קצה של LoRaWAN. היות ופיתוח ה-RF והאישורים הרגולטוריים מיושמים על ידי יצרן המודולים, כל שינוי במפרטי תהליך האישור או החלפת רכיבים יטופלו באופן מלא על ידי היצרן, וכך ייחסך זמן פיתוח רציני וגם עלויות הרישוי-מחדש עבור יצרני צומתי-הקצה.
מודולי LoRa העומדים בזכות עצמם עם מעגלים מודפסים משולבים-היטב של LoRa מספקים מספיק זיכרון כדי להפעיל את קוד היישום יחד עם ה-LoRaWAN stack. כך נמנע הצורך במיקרו-בקר חיצוני, דבר שחוסך שטח על המעגל המודפס וכן עלויות מערכת. ניתן לעיין בדוגמה פשוטה של מודול עצמאי כזה באיורים 2 ו-3 למטה. מודול WLR089U0 המבוסס על משפחת המעגלים המודפסים SAM R34/35 מאת Microchip Technology הוא מודול קומפקטי עם 256KB של זיכרון פלאש ו-40KB של RAM, מה שהופך אותו לאידיאלי ליישומים בעלי נפח מוגבל. כמו כן, המודול מכיל מתג RF משולב המאפשר הפעלה מרובת-תדרים ומאפשר שימוש באותו מודול במספר אזורים גאוגרפיים, דבר המקל על התרחבות השוק של מוצרי הקצה. ה-WLR089U0 נתמך גם על ידי ה-LoRaWAN stack המוכח של Microchip ועל תוכנת peer-to-peer קניינית, דבר המקל על פיתוח תוכנה עבור משתמשי-קצה שמפתחים יישומי LoRa. היות והמודולים מבוססים על מעגלים מודפסים מסוג SAM R34/35, מסלול המעבר גם הוא פשוט הרבה יותר מהמודולים אל המעגל המודפס ובחזרה. בחירת מודול כזה עוזרת להתגבר על כל אתגרי התכן הנפוצים בזמן פיתוח צומתי-קצה של LoRa, מה שמפשט את תהליך התכן כולו.
איור 2. תרשים בלוק של מודול WLR089U0 LoRa
איור 3. מודול WLR089U0 LoRa
מסקנה
פיתוח צומתי-קצה של LoRa יכול להיות מורכב ותובעני מבחינת זמן. מודולי LL משולבים-היטב בעלי אישור רגולטורי מציעים גישה קלה ומוכחת להתגברות על האתגרים המורכבים הכרוכים בתכן של צומתי-הקצה האלה. תוכנה אמינה, זיכרון גדול יותר, מתגי RF משולבים והסמכות רגולטוריות הם רק חלק מהתכונות העיקריות שניתן למצוא במודולי LoRa. בחירת מודול LoRa עתיר-אישורים לא רק שהיא עוזרת לפשט את תהליך התכן, אלא גם מאפשרת למפתחי צומת-הקצה לבדל בהצלחה את מוצריהם ולהשיק אותם בשוק מהר יותר.
למידע נוסף, ניתן לבקר באתר www.microchip.com.
