Ma è davvero facile sviluppare una nuova soluzione LoRa o migrare a una già esistente?
Comprendere una nuova tecnologia wireless e scegliere la soluzione più adatta alla propria applicazione può essere una sfida. La progettazione di sistemi wireless a radiofrequenza (RF) richiede in genere una profonda competenza in materia e comporta tempi di sviluppo considerevoli per i progettisti.
Questo articolo introdurrà i quattro elementi principali dell'architettura di rete LoRa e analizzerà in dettaglio alcune delle sfide più comuni che i progettisti si trovano ad affrontare nello sviluppo di nodi finali LoRa. Vedremo inoltre come i moduli LoRa conformi agli standard possono contribuire a superare queste sfide e a ridurre i tempi di commercializzazione.
Architettura di rete LoRaWAN:
LoRa è una tecnica di modulazione wireless o di livello fisico che consente ai dispositivi finali a basso consumo di comunicare su lunghe distanze. LoRaWAN è un protocollo di rete wireless che funge da livello di controllo dell'accesso al mezzo (MAC) ed è implementato al di sopra del livello fisico LoRa. La specifica LoRaWAN descrive in dettaglio il protocollo di comunicazione e l'architettura di rete e mira a fornire una comunicazione sicura tra i dispositivi finali e l'interoperabilità all'interno della rete.
La rete LoRa è composta da quattro elementi, come mostrato in Figura 1.
1. I nodi finali sono elementi dell'ecosistema LoRa che raccolgono i dati dei sensori e trasmettono/ricevono dati. Sono in genere connessi da remoto e alimentati a batteria.
2. Il gateway è un ponte trasparente tra i nodi finali e il server di rete. I nodi finali utilizzano in genere LoRaWAN per connettersi al gateway, mentre il gateway utilizza reti ad alta larghezza di banda come Wi-Fi, Ethernet o cellulare per connettersi alle reti.
3. Un server di rete si connette a più gateway. Raccoglie i dati dai gateway e filtra i messaggi duplicati, decide quale gateway deve rispondere ai messaggi provenienti dai nodi finali e regola la velocità di trasmissione dei dati per prolungare la durata della batteria dei nodi finali.
4. Il server applicativo raccoglie i dati dai nodi finali e controlla le azioni dei dispositivi sui nodi finali.
Analizziamo più in dettaglio cosa sono i nodi finali LoRa e le sfide che la loro progettazione presenta.
Sfide comuni nella progettazione dei nodi finali LoRa:
i nodi finali sono oggetti semplici, come sensori e attuatori. In genere, si tratta degli "oggetti" dell'Internet delle Cose (IoT). Nell'ecosistema LoRaWAN, un nodo finale comunica con il server di rete tramite uno o più gateway.
Molto spesso, i nodi finali LoRa sono applicazioni a basso costo, alimentate a batteria, che devono essere estremamente efficienti in termini di costi e consumo energetico. A seconda dei tempi di sviluppo, dei costi previsti, del consumo energetico e delle competenze RF disponibili, esistono diverse opzioni per la realizzazione di nodi finali LoRa. Prima di analizzare le opzioni disponibili, esaminiamo alcune delle sfide più comuni che i progettisti si trovano ad affrontare durante la progettazione dei nodi finali, il che può aiutarci a scegliere il prodotto più adatto.
Le sfide più comuni nella progettazione di questa architettura di nodo finale sono:
1. Progettazione RF.
Come per qualsiasi progetto wireless, è necessaria una vasta esperienza nella progettazione RF per progettare i nodi finali LoRa. Quando si utilizzano SoC/SiP LoRa, lo sviluppatore del dispositivo del nodo finale è responsabile dell'intera progettazione RF, inclusi schemi, distinta base, layout PCB, sintonizzazione dell'antenna e altro hardware RF. Anche con la migliore documentazione e guide alla progettazione applicativa, la progettazione RF non è sempre semplice. Non solo richiede una conoscenza approfondita della RF, ma comporta anche un tempo di sviluppo considerevole per i progettisti. Il debug dei progetti RF spesso richiede apparecchiature specializzate, il che aumenta i costi di sviluppo. Per superare le difficoltà della progettazione RF, alcuni fornitori offrono SoC/SiP con un'eccellente documentazione, progetti di riferimento certificati secondo gli standard e pacchetti di progettazione del chip dettagliati. Tuttavia, per ottenere il tempo di sviluppo più breve e ridurre il rischio, un modulo LoRa ottimizzato, testato e certificato RF è quasi sempre l'opzione migliore. Questi moduli possono fornire una soluzione completa come singolo componente, riducendo il rischio di progettazione e il tempo di sviluppo.
2. Conformità normativa e certificazioni:
le radio LoRa/sub-GHz operano tipicamente nella banda ISM non licenziata e le frequenze variano a seconda della regione, rappresentando una sfida per i progettisti hardware e software. È fondamentale progettare una soluzione conforme alle normative, mantenendo al contempo i costi dei materiali al minimo. Inoltre, i requisiti normativi in materia di radiofrequenze sono in continua evoluzione, pertanto tenersi aggiornati sui cambiamenti normativi, ritestare i dispositivi e ricertificarli per garantirne la conformità può costare agli sviluppatori di dispositivi finali diverse migliaia di dollari e tempo di ingegneria che potrebbe essere dedicato a nuovi progetti. L'utilizzo di un modulo LoRa certificato risolve facilmente questo problema, poiché il produttore del modulo è responsabile del mantenimento dell'aggiornamento sui requisiti normativi e della ricertificazione dei moduli secondo le specifiche più recenti. Tutti questi costi e il tempo impiegato per la conformità normativa possono essere completamente evitati scegliendo un modulo LoRa certificato secondo gli standard.
3. Funzionamento multi-regione:
i dispositivi LoRa supportano diverse frequenze a seconda della regione. Spesso, i produttori di nodi finali lanciano inizialmente i loro prodotti in una regione principale. Una volta aumentata la domanda, le aziende valutano la possibilità di estendere lo stesso design ad altre regioni. Disporre di un unico codice prodotto che supporti più regioni consente una migrazione e un'espansione senza intoppi del prodotto finale in diversi paesi e regioni. Un modulo LoRa certificato dalle autorità di regolamentazione, che opera su più bande di frequenza, è ideale per questo tipo di espansione del prodotto.
4. Software robusto
: In genere, i moduli LoRa integrano l'intero stack LoRaWAN al loro interno, e lo sviluppatore del nodo finale deve solo implementare l'inizializzazione e la comunicazione con il modulo. Con i SoC/SiP LoRa e i moduli LoRa standalone, lo stack deve essere fornito dal produttore oppure lo sviluppatore deve crearne uno proprio se non è disponibile. Per ridurre al minimo lo sviluppo software, si consiglia di scegliere moduli/IC LoRa compatibili con lo stack LoRaWAN del produttore. Gli stack LoRaWAN collaudati dai produttori garantiscono l'interoperabilità dei nodi finali con le principali reti e gateway LoRaWAN, consentendo ai nodi finali di operare su reti diverse con un rischio ridotto.
5. Percorso di migrazione dai moduli ai SoC
Molte aziende iniziano i loro prototipi e le prime produzioni con moduli certificati per ridurre i rischi e immettere più rapidamente i loro prodotti sul mercato. Una volta che il loro prodotto inizia a scalare, le aziende possono decidere di passare a SoC/CI LoRa per aumentare la flessibilità o ridurre i costi della distinta base. La migrazione non è sempre semplice, quindi è molto importante considerare moduli standalone che consentano una semplice migrazione del software tra moduli e CI. Inoltre, è essenziale scegliere fornitori che vendano sia moduli che SoC, in modo che la piattaforma di sviluppo, la migrazione del software e la struttura di supporto rimangano coerenti.
I moduli LoRa certificati a livello normativo aiutano a superare le difficoltà e a semplificare la progettazione dei nodi finali LoRa. 
I moduli LoRa sono costituiti da tutti i componenti radio necessari, insieme allo stack LoRaWAN e ai circuiti RF, il che li rende ideali per uno sviluppo più rapido dei dispositivi finali LoRaWAN. Poiché lo sviluppo e la certificazione RF sono gestiti dal produttore del modulo, qualsiasi modifica alle specifiche di certificazione o sostituzione dei componenti è gestita interamente dal produttore, con un notevole risparmio di tempo di sviluppo e costi di ricertificazione per i produttori di dispositivi per utenti finali.
I moduli LoRa standalone con circuiti integrati LoRa altamente integrati forniscono memoria sufficiente per eseguire il codice applicativo insieme allo stack LoRaWAN. Ciò elimina la necessità di un microcontrollore esterno, risparmiando spazio sulla scheda e costi di sistema. Le figure 2 e 3 mostrano un semplice esempio di tale modulo standalone. Il modulo WLR089U0, basato sulla famiglia di circuiti integrati SAM R34/35 di Microchip Technology, è un modulo compatto con 256 KB di memoria flash e 40 KB di RAM, che lo rende ideale per applicazioni con spazio limitato. Inoltre, il modulo include uno switch RF integrato, che consente il funzionamento multibanda e permette di utilizzare lo stesso modulo in diverse regioni geografiche, facilitando l'espansione del mercato per i prodotti degli utenti finali. Il WLR089U0 è anche compatibile con il collaudato stack LoRaWAN di Microchip e con il software peer-to-peer proprietario, semplificando lo sviluppo del software per gli utenti finali che creano applicazioni LoRa. Poiché i moduli sono basati sui circuiti integrati SAM R34/35, il percorso di migrazione è molto più semplice, sia dai moduli ai circuiti integrati che viceversa. La scelta di un modulo di questo tipo aiuta a superare le tipiche difficoltà di progettazione nello sviluppo di nodi finali LoRa, semplificando l'intero processo di progettazione.
Conclusione
Lo sviluppo di nodi terminali LoRa può essere complesso e richiedere molto tempo. I moduli LoRa altamente integrati e certificati offrono un approccio collaudato e semplice per superare le complesse sfide della progettazione di questi nodi terminali. Software affidabile, memoria più ampia, switch RF integrati e certificazioni normative sono alcune delle caratteristiche chiave da ricercare nei moduli LoRa. La scelta di un modulo LoRa altamente certificato non solo semplifica il processo di progettazione, ma consente anche agli sviluppatori di nodi terminali di differenziare con successo i propri prodotti e di immetterli sul mercato più rapidamente.
