Aber ist es wirklich einfach, eine neue LoRa-Lösung zu entwickeln oder auf eine bestehende umzusteigen?
Das Verständnis einer neuen drahtlosen Technologie und die Auswahl der passenden Lösung für Ihre Anwendung können eine Herausforderung darstellen. Die Entwicklung drahtloser Funkfrequenzsysteme (HF) erfordert in der Regel fundierte HF-Kenntnisse und verlängert die Entwicklungszeit erheblich.
Dieser Artikel stellt die vier Hauptelemente der LoRa-Netzwerkarchitektur vor und analysiert detailliert einige der häufigsten Herausforderungen, denen sich Entwickler bei der Entwicklung von LoRa-Endknoten gegenübersehen. Wir zeigen außerdem, wie standardkonforme LoRa-Module dazu beitragen können, diese Herausforderungen zu bewältigen und die Markteinführungszeit zu verkürzen.
LoRaWAN-Netzwerkarchitektur:
LoRa ist ein drahtloses Modulationsverfahren bzw. eine physikalische Schichttechnik, die es Endgeräten mit geringem Stromverbrauch ermöglicht, über große Entfernungen zu kommunizieren. LoRaWAN ist ein drahtloses Netzwerkprotokoll, das als MAC-Schicht (Media Access Control) fungiert und auf der physikalischen Schicht von LoRa implementiert ist. Die LoRaWAN-Spezifikation beschreibt das Kommunikationsprotokoll und die Netzwerkarchitektur und zielt darauf ab, eine sichere Endgerätekommunikation und Interoperabilität innerhalb des Netzwerks zu gewährleisten.
Das LoRa-Netzwerk besteht aus vier Elementen (siehe Abbildung 1).
1. Endknoten sind Elemente des LoRa-Ökosystems, die Sensordaten erfassen und Daten senden/empfangen. Sie sind typischerweise extern verbunden und batteriebetrieben.
2. Das Gateway fungiert als transparente Brücke zwischen den Endknoten und dem Netzwerkserver. Endknoten nutzen in der Regel LoRaWAN, um sich mit dem Gateway zu verbinden, während das Gateway Breitbandnetze wie WLAN, Ethernet oder Mobilfunk verwendet, um Verbindungen zu den Netzwerken herzustellen.
3. Ein Netzwerkserver verbindet sich mit mehreren Gateways. Er sammelt Daten von den Gateways, filtert doppelte Nachrichten, entscheidet, welches Gateway auf Nachrichten von den Endknoten antworten soll, und passt die Datenraten an, um die Akkulaufzeit der Endknoten zu verlängern.
4. Der Anwendungsserver sammelt Daten von den Endknoten und steuert die Aktionen der Geräte auf den Endknoten.
Betrachten wir nun genauer, was LoRa-Endknoten sind und welche Herausforderungen ihr Design mit sich bringt.
Häufige Herausforderungen beim Design von LoRa-Endknoten:
Endknoten sind einfache Objekte wie Sensoren und Aktoren. Sie sind typischerweise die „Dinge“ des Internets der Dinge (IoT). Im LoRaWAN-Ökosystem kommuniziert ein Endgerät über ein oder mehrere Gateways mit dem Netzwerkserver.
LoRa-Endgeräte sind meist kostengünstige, batteriebetriebene Anwendungen, die besonders kosten- und energieeffizient sein müssen. Je nach Entwicklungszeit, Zielkosten, Stromverbrauch und verfügbarem HF-Know-how stehen verschiedene Optionen für den Bau von LoRa-Endgeräten zur Verfügung. Bevor wir die verfügbaren Optionen analysieren, betrachten wir einige der häufigsten Herausforderungen, denen sich Entwickler bei der Entwicklung von Endgeräten stellen müssen. Dies kann uns bei der Auswahl des richtigen Produkts helfen.
Die häufigsten Herausforderungen beim Entwurf dieser Endknotenarchitektur sind:
1. HF-Design.
Wie bei jedem drahtlosen Design ist auch für die Entwicklung von LoRa-Endknoten umfassendes HF-Design-Know-how erforderlich. Bei der Verwendung von LoRa-SoCs/SiPs ist der Entwickler des Endknotens für das gesamte HF-Design verantwortlich, einschließlich Schaltplänen, Stückliste, Leiterplattenlayout, Antennenabstimmung und weiterer HF-Hardware. Selbst mit optimaler Dokumentation und Anwendungsleitfäden ist HF-Design nicht immer einfach. Es erfordert nicht nur fundierte HF-Kenntnisse, sondern auch einen erheblichen Entwicklungsaufwand. Das Debuggen von HF-Designs erfordert oft Spezialausrüstung, was die Entwicklungskosten erhöht. Um die Herausforderungen des HF-Designs zu bewältigen, bieten einige Anbieter SoCs/SiPs mit exzellenter Dokumentation, standardzertifizierten Referenzdesigns und detaillierten Chipdesign-Paketen an. Um jedoch die Entwicklungszeit zu verkürzen und Risiken zu minimieren, ist ein optimiertes, getestetes und HF-zertifiziertes LoRa-Modul fast immer die beste Option. Diese Module bieten als Einzelkomponente eine Komplettlösung und reduzieren so das Designrisiko und die Entwicklungszeit.
2. Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen und Zertifizierungen:
LoRa/Sub-GHz-Funkgeräte arbeiten typischerweise im lizenzfreien ISM-Band. Die Frequenzen variieren regional, was Hardware- und Softwareentwickler vor Herausforderungen stellt. Es ist daher unerlässlich, eine Lösung zu entwickeln, die den gesetzlichen Bestimmungen entspricht und gleichzeitig die Materialkosten minimiert. Da sich die Anforderungen an Funkfrequenzen ständig ändern, können die Aktualisierung der Vorschriften, die erneute Prüfung und die Rezertifizierung von Geräten Entwickler von Endgeräten mehrere Tausend Dollar und Entwicklungszeit kosten, die für neue Projekte genutzt werden könnten. Die Verwendung eines zertifizierten LoRa-Moduls löst dieses Problem auf einfache Weise, da der Modulhersteller für die Einhaltung der gesetzlichen Bestimmungen und die Rezertifizierung der Module gemäß den neuesten Spezifikationen verantwortlich ist. Durch die Wahl eines standardzertifizierten LoRa-Moduls lassen sich all diese Kosten und der Zeitaufwand für die Einhaltung gesetzlicher Bestimmungen vollständig vermeiden.
3. Betrieb in mehreren Regionen:
LoRa-Geräte unterstützen je nach Region verschiedene Frequenzen. Hersteller von Endgeräten bringen ihre Produkte oft zunächst in einer Hauptregion auf den Markt. Mit steigender Nachfrage prüfen Unternehmen die Möglichkeit, das gleiche Design auf andere Regionen auszuweiten. Eine einzige Artikelnummer, die mehrere Regionen unterstützt, ermöglicht eine reibungslose Migration und Erweiterung des Endprodukts in verschiedenen Ländern und Regionen. Ein behördlich zertifiziertes LoRa-Modul, das in mehreren Frequenzbändern arbeitet, ist ideal für diese Art der Produkterweiterung.
4. Robuste Software
: LoRa-Module integrieren in der Regel den gesamten LoRaWAN-Stack. Der Entwickler des Endgeräts muss lediglich die Initialisierung und die Kommunikation mit dem Modul implementieren. Bei LoRa-SoCs/SiPs und eigenständigen LoRa-Modulen muss der Stack vom Hersteller bereitgestellt werden. Ist kein Stack vorhanden, muss der Entwickler einen eigenen Stack entwickeln. Um den Softwareentwicklungsaufwand zu minimieren, empfiehlt es sich, LoRa-Module/ICs zu wählen, die mit dem LoRaWAN-Stack des Herstellers kompatibel sind. Die bewährten LoRaWAN-Stacks der Hersteller gewährleisten die Interoperabilität von Endgeräten mit gängigen LoRaWAN-Netzwerken und Gateways und ermöglichen so den Betrieb von Endgeräten in verschiedenen Netzwerken mit reduziertem Risiko.
5. Migrationspfad von Modulen zu SoCs:
Viele Unternehmen beginnen ihre Prototypen und ersten Produktionsläufe mit zertifizierten Modulen, um Risiken zu minimieren und ihre Produkte schneller auf den Markt zu bringen. Sobald ihre Produkte skalieren, entscheiden sie sich möglicherweise für den Umstieg auf LoRa-SoCs/CIs, um die Flexibilität zu erhöhen oder die Materialkosten zu senken. Die Migration ist nicht immer einfach, daher ist es wichtig, eigenständige Module in Betracht zu ziehen, die eine unkomplizierte Softwaremigration zwischen Modulen und CIs ermöglichen. Darüber hinaus ist es entscheidend, Anbieter zu wählen, die sowohl Module als auch SoCs anbieten, um eine konsistente Entwicklungsplattform, Softwaremigration und Supportstruktur zu gewährleisten.
Regulatorisch zertifizierte LoRa-Module helfen, Herausforderungen zu meistern und das Design von LoRa-Endknoten zu vereinfachen. 
LoRa-Module enthalten alle notwendigen Funkkomponenten sowie den LoRaWAN-Stack und die HF-Schaltung und eignen sich daher ideal für die schnellere Entwicklung von LoRaWAN-Endgeräten. Da die HF-Entwicklung und -Zertifizierung vom Modulhersteller übernommen werden, werden alle Änderungen an den Zertifizierungsspezifikationen oder der Austausch von Komponenten vollständig vom Hersteller verwaltet. Dies spart den Herstellern von Endgeräten erhebliche Entwicklungszeit und Kosten für die Rezertifizierung.
Eigenständige LoRa-Module mit hochintegrierten LoRa-ICs bieten ausreichend Speicher, um Anwendungscode zusammen mit dem LoRaWAN-Stack auszuführen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit eines externen Mikrocontrollers, was Platz auf der Platine spart und Systemkosten senkt. Abbildungen 2 und 3 zeigen ein einfaches Beispiel für ein solches eigenständiges Modul. Das WLR089U0-Modul, basierend auf der SAM R34/35 IC-Familie von Microchip Technology, ist ein kompaktes Modul mit 256 KB Flash-Speicher und 40 KB RAM und eignet sich daher ideal für Anwendungen mit begrenztem Platzangebot. Darüber hinaus verfügt das Modul über einen integrierten HF-Schalter, der den Betrieb in mehreren Frequenzbändern ermöglicht und somit den Einsatz desselben Moduls in verschiedenen geografischen Regionen erlaubt. Dies erleichtert die Markterweiterung für Endkundenprodukte. Das WLR089U0 ist außerdem kompatibel mit Microchips bewährtem LoRaWAN-Stack und der proprietären Peer-to-Peer-Software, was die Softwareentwicklung für Endanwender, die LoRa-Anwendungen erstellen, vereinfacht. Da die Module auf den SAM R34/35 ICs basieren, ist der Migrationspfad sowohl von Modulen zu ICs als auch umgekehrt deutlich einfacher. Die Wahl eines solchen Moduls hilft, die üblichen Herausforderungen bei der Entwicklung von LoRa-Endknoten zu bewältigen und den gesamten Entwicklungsprozess zu optimieren.
Fazit.
Die Entwicklung von LoRa-Endknoten kann komplex und zeitaufwändig sein. Hochintegrierte und zertifizierte LoRa-Module bieten einen bewährten und einfachen Ansatz, um die komplexen Herausforderungen bei der Entwicklung dieser Endknoten zu meistern. Zuverlässige Software, größerer Speicher, integrierte HF-Schalter und behördliche Zertifizierungen gehören zu den wichtigsten Merkmalen von LoRa-Modulen. Die Wahl eines hochzertifizierten LoRa-Moduls vereinfacht nicht nur den Entwicklungsprozess, sondern ermöglicht es Entwicklern von Endknoten auch, ihre Produkte erfolgreich zu differenzieren und schneller auf den Markt zu bringen.
