エンドツーエンドのスターターキットを使用したLoRaWAN IoTプロジェクトの加速化
Digi-Keyの北米担当編集者 の提供
2021-10-06
マルツ掲載日：2022-01-31
農業、鉱業、スマートシティなどの分野において、遠隔監視や制御アプリケーション向けのIoTセンサとアクチュエータネットワークの設計者は、安全性、堅牢性、低メンテナンス性に優れ、比較的容易に展開できる長距離ワイヤレスインターフェースを必要としています。
このようなアプリケーションに適した選択肢がLoRaWANであり、農村部の見通し線接続では最大15km、都市部では最大5kmの範囲をカバーし、最大10年使用可能なバッテリを搭載したエンドデバイスを使用することができます。
LoRaWANは成熟した低消費電力広域ネットワーク(LPWAN)技術ですが、開発者は、展開を簡素化してクラウドに接続する方法を常に必要としています。
LoRaWAN IoTプロジェクトに初めて参加する技術者にとっての課題は、ワイヤレスエンドデバイスの設定だけでなく、ゲートウェイやクラウドIoTプラットフォームとのインターフェース接続など、複雑な作業に対処することです。プロトタイプの構築と運用に必要なすべての要素を含むベンダースターターキットがあれば、この作業は容易になります。
この記事では、LoRaWANを紹介し、LPWANを形成してセンサデータをクラウドに転送することで、短距離ワイヤレスセンサネットワークを補完する技術について説明します。次に、マルチセンサエンドデバイス、マルチチャンネルゲートウェイ、デバイスツークラウドIoTプラットフォームを含むDigiのXON-9-L1-KIT-001スターターキットを使用して、産業用プラットフォームに基づくLoRaWAN IoTソリューションを設計、開発、構成する方法を紹介および説明します。
LoRaおよびLoRaWANとは？
LoRaWANは、数十kmの通信距離、低スループット(搬送周波数に応じて250ビット/秒から50kビット/秒)、非常に低い消費電力(アプリケーションに応じて最大10年のバッテリ寿命)を特徴とする、IoTデバイス用のLPWAN技術です。表1は、LoRaWANと他のIoT技術との比較を示しています。
表1：LoRaWANは、低スループットで長距離運用に適した特性を持つLPWAN IoTワイヤレスプロトコルです。この表は、他のワイヤレスIoT技術との比較を示しています。(画像提供：Semtech)
LoRa仕様は、LoRaWANを支える物理層(PHY)と変調技術を定義します。プロトコルスタックのメディアアクセス制御(MAC)層は、LoRaWAN規格で規定されています(図1)。
図1：LoRaの物理層(PHY)と変調技術、LoRaWAN MACにアプリケーション層を加えたものが、LoRaWANプロトコルスタックを構成しています。(画像提供：Semtech)
この技術の通信距離の秘訣は、ダイレクトシーケンススペクトラム拡散(DSSS)変調方式を改良して使用していることです。DSSSは、元の情報の帯域よりも広い帯域に信号を拡散するため、干渉の影響を受けにくく、通信距離を伸ばすことができます。DSSSの短所は、高精度の(そして高価な)リファレンスクロックを必要とすることです。
LoRaのチャープスペクトラム拡散(CSS)技術は、クロックを排除した低コストで低電力のDSSS代替技術です。CSSは、周波数が連続的に変化するチャープ信号を生成することで、信号のスペクトルを拡散します(図2)。
図2：LoRaのCSS技術は、周波数が連続的に変化するチャープ信号を生成することで、信号のスペクトルを拡散します。この技術により、DSSSで使用されている高価なリファレンスクロックが不要になります。(画像提供：Semtech)
CSSを使用すると、トランスミッタとレシーバの間のタイミングと周波数のオフセットが同等になるため、レシーバ設計の複雑さをさらに軽減することができます。また、LoRaの変調には、伝送された信号の堅牢性を向上させる可変誤差補正方式が含まれており、これにより通信距離をさらに伸ばすことができます。
その結果、リンクバジェットの送信(Tx)電力と受信(Rx)感度(単位：dBm)は約154dBmとなり、1つのゲートウェイや基地局で都市全体をカバーすることが可能になります。
北米では、LoRaWANは902MHz～928MHzの産業用、科学用、医療用(ISM)周波数分配を使用しています。ワイヤレスプロトコルは、902.3MHzから914.9MHzまで、200kHz刻みで64×125kHzのアップリンクチャンネルを定義します。903MHzから914.9MHzまで、1.6MHz刻みで500kHzのアップリンクチャンネルが8つ追加されています。
ダウンリンクの8チャンネルは、500kHz幅の923.3MHzから927.5MHzまでです。北米での最大TX電力は30dBmですが、ほとんどの用途では20dBmのTX電力で十分です。米国のFCC規制では、デューティサイクルの制限はありませんが、1チャンネルあたりの最大滞留時間は400msです。
メッシュネットワークは、ネットワークのエッジに到達するために、ノード間でメッセージを転送することで通信距離を伸ばす手法ですが、複雑さが増し、容量が減少し、バッテリの寿命も短くなります。LoRaWANでは、メッシュネットワークではなくスタートポロジを採用しており、各(長距離)ノードがゲートウェイに直接接続されます。
ノードは、特定のゲートウェイとは関連付けられません。代わりに、ノードが送信したデータは通常、複数のゲートウェイで受信されます。各ゲートウェイは、エンドノードから受信したパケットを、何らかのバックホール(通常、セルラー、Ethernet、衛星、Wi-Fiなど)を経由して、クラウドベースのネットワークサーバに転送します(図3)。
図3：LoRaWANではスタートポロジを採用しており、各エンドデバイスは1つ以上のゲートウェイに直接接続します。次に、各ゲートウェイは、バックホール接続を介して、クラウドベースのネットワークサーバに情報を転送します。(画像提供：Semtech)
長距離スターネットワークを実現するためには、ゲートウェイが多くのノードからメッセージを受信できなければなりません。LoRaWANでは、適応性のあるデータレートを採用し、複数のチャンネルで同時にメッセージを受信できるゲートウェイを使用することで、この大容量を実現しています。
8チャンネルのゲートウェイ1台で、1日に数十万通のメッセージをサポートすることができます。各エンドデバイスが1日に10通のメッセージを送信すると仮定すると、このようなゲートウェイは約1万台のデバイスをサポートすることが可能です。より多くの容量が必要な場合は、ネットワークにゲートウェイを追加することができます。
ラピッドプロトタイピング用のLPWANスターターキット
LPWANの技術は複雑で、経験の浅い技術者には難しいかもしれません。開発者は、安全かつ堅牢な接続でワイヤレスエンドデバイスを設定するだけでなく、ゲートウェイとのインターフェース接続、ネットワークの一部としてのプロビジョニング、さらにはクラウドIoTプラットフォームへの接続を行う必要もあります。
このようなエンドツーエンドのLoRaWAN IoTソリューションの構築は、Digiが提供するXON-9-L1-KIT-001 LoRaWANスターターキット(図4)のような特注のスターターキットを使用することで、よりシンプルになります。このようなスターターキットがあれば、技術者はプロセスの各ステップをすぐに理解し、安心して次の段階を迅速に組み込むことができます。その結果、専門家でなくても、完全なLoRaWAN IoTソリューションを迅速に試作することができます。
図4：XON-9-L1-KIT-001 LoRaWANスターターキットには、HXG3000 Ethernetゲートウェイ、アップリンクとダウンリンク、Client Shieldボード、アンテナ、電源、プログラミングインターフェースなど、ネットワーク接続の試作に必要なものがすべて含まれています。(画像提供：Digi)
LoRaは、ネットワークのダウンリンク通信のレイテンシとバッテリの寿命をトレードオフするデバイスクラスを備えています。Digiのスターターキットは、LoRaWANクラスA(最小電力、双方向エンドデバイス)とクラスC(最低レイテンシ、エンドデバイスのレシーバが常にオン、双方向エンドデバイス)をサポートしています。
このスターターキットは、LoRaWANのプロトタイプを迅速かつ安全にセットアップするために必要なすべてを提供します。具体的には、アップリンク/ダウンリンク、LoRaWANモジュールを搭載した拡張ボードや「Client Shield」、LED、デジタル入力、温度センサ、Digiの8チャンネルLoRaWAN HXG3000 Ethernetゲートウェイ、組み込み開発者向けのアプリケーションプログラミングインターフェース(API)、スキャンアンドゴーのモバイルプロビジョニング機能を備えたデバイスツークラウドプラットフォームの30日間無料トライアルアカウントが含まれます。
HXG3000ゲートウェイは、LoRaWANを介して長距離、非見通し線の双方向通信を実現し、1日あたり最大150万通のメッセージを扱うことができます。本製品は、1.7dBmの無指向性無線機、最大27dBmのTx電力、－138dBmのRx感度を備えています。
運用は、ライセンスフリーの米国902～928MHz帯域で行われます。このデバイスの電力は、AC電源またはPoE(Power-over-Ethernet)から供給されます。EthernetとLTE Cat M1のバックホールモデルがあります。
DigiのLoRaWAN Client Shieldは、LoRaWANセンサの試作や開発を行う技術者をサポートするスターターキットの一部です。これにより、互換性のあるSTMicroelectronicsのNucleo(例：NUCLEO-L053R8)およびArduinoのARM Keil Cortex-Mクラスマイクロコントローラ開発ボードを選択して、LoRaWANのクライアントサイド接続が可能になります。
Client Shieldは、Arduinoのスタック可能コネクタに加え、低電力サーミスタ温度センサ、デジタル入力スライドスイッチ、デジタル制御の赤/緑/青(RGB)色LEDを搭載しています。このシールドはU.FLコネクタを備えており、関連するアンテナもキットの一部として含まれています。また、このシールドには、ライセンスフリーの米国902～928MHz帯域で動作するLoRaWANモジュールも搭載されています。TX電力は14～20dBmです(図5)。
図5：LoRaWANモジュールを搭載したXON-9-L1-KIT-001 Client Shieldは、STMicroelectronicsのNucleo(ここに表示)やArduinoの開発ボードに取り付けることができます。(画像提供：Digi)
DigiのX-ONは、IoTエンドデバイスのための完全なデバイスツークラウドプラットフォームです。このプラットフォームは、開発と運用の両方のクラウドソリューションを提供します。X-ONは、統合されたLoRaWANネットワークサーバを内蔵しており、サーバに参加することで、LoRaWANワイヤレスプロトコルを実行するデバイスやゲートウェイをサポートします。ジョインサーバは、ネットワークやアプリケーションサーバの認証、セッションキーの生成など、ジョインのフローを処理します。
このプラットフォームにより、以下のことが可能になります。
・ウェブやモバイルインターフェースからデバイスやゲートウェイを設定、監視、診断
・プロビジョニングアプリでデバイスやゲートウェイの展開を自動化
・ワイヤレスネットワークゲートウェイの管理
・エンドデバイスから直接データを収集し分析
・複数のクラウドプラットフォーム間でリアルタイムかつ双方向のデバイスデータを提供するインタークラウドAPIを使用
・エンドデバイスやゲートウェイとの対話型操作やトラブルシューティングのための、リアルタイムデータメッセージのログやトレース
・オープンAPIによりデータを統合し、サードパーティのユーティリティを備えた複雑なアプリケーションを開発(図6)
図6：DigiのX-ONは、IoTエンドデバイス向けのデバイスツークラウドプラットフォームです。これにより、開発者はプロビジョニング用のスマートフォンアプリでデバイスやゲートウェイの展開を自動化することができます。開発者は、ウェブやモバイルインターフェースから、デバイスやゲートウェイを設定、監視、診断ができます。(画像提供：Digi)
LoRaWANプロジェクトの開始
Client Shield、STMicroelectronicsのNucleoやArduinoの各開発ボードは、ARM Keilの組み込みマイクロコントローラを使用するため、「ARM KeilのMbed対応」となっており、Digiのスターターキットでプロジェクトを開始することは比較的簡単です(ARM KeilのMbedは、32ビットのARM Keil Cortex MクラスマイクロコントローラをベースとしたIoTデバイス向けのプラットフォームおよびオペレーティングシステム(OS)です)。
Client Shieldには、組み込みATコマンド言語と、設計の複雑さを排除して開発を容易にするために簡素化されたARM KeilのMbed C++ Embedded APIが搭載されています。
Digiが提供するLoRaWANスターターキットのMbed対応により、ARM KeilのMbedのオンラインリソースを使用したアプリケーション開発作業が可能になります。このリソースは、3つのオプションで構成されています。Mbed Online Compilerにより、開発者は何もインストールすることなく、即座にアプリケーション開発を開始することができます。必要なのは、Mbedアカウントだけです。
より高度なアプリケーション開発を行うために、DigiのLoRaWANスターターキットは、Mbedプログラムを作成、コンパイル、デバッグするためのデスクトップ統合開発環境(IDE)であるMbed Studioに接続することができます。最後に、Mbed CLIがあります。これは、開発者が好むIDEに統合できるコマンドラインツールです。
開発への最短ルートは、まず初めにDigiのX-ONアカウントを設定することです。次に、Mbed Online Compilerのアカウントにサインアップする必要があります。さらに、Client Shieldを開発ボードに実装した後、USBケーブルを使用してデスクトップコンピュータにアセンブリを接続する必要があります。Client Shieldの「PWR」LEDと開発ボードの「COM」LEDが点灯し、電子機器の電源が投入されたことを示します。
Mbed Online Compilerは、開発者がハードウェアプラットフォームをコンパイラに追加するための簡単なステップを案内します。ハードウェアが追加されると、Mbedリポジトリ(または他のライブラリ)にあるセンサアプリケーションの例からコードをコンパイラにインポートし、開発ボードにダウンロードすることができます。コンパイラを使用して、デバイスクラスやネットワーク結合モードなど、LoRaWANの設定を変更することもできます(図7)。
図7：デバイスクラスやネットワーク結合モードといったLoRaWANの設定は、ARM KeilのMbed Online Compilerを使用して簡単に変更することができます。(画像提供：Digi)
ゲートウェイが動作していれば、Client Shield/開発ボードはネットワークに参加し、15秒ごとにアップリンクの送信を開始します(デフォルトモードの場合)。X-ONのアカウントページで「Stream」ボタンを押すと、デバイスから送信されたデータが画面に表示されます。
まとめ
LoRaWANはIoTセンシングとアクチュエータネットワークの設計者に対し、ライセンスフリーのRFアクセス、数十kmの距離、低消費電力、優れたセキュリティとスケーラビリティ、堅牢なコネクティビティを提供します。しかし、多くのIoTワイヤレスプロトコルと同様に、エンドデバイスのコネクティビティ、プロビジョニング、ゲートウェイ、そしてセンサデータのクラウドへのストリーミングに対応することは困難です。
前述のように、DigiのLoRaWANスターターキットは、これらの問題の多くに対応します。この製品には、ARM KeilのシンプルなMbed C++ Embedded APIを備えたClient Shield、Ethernetバックホールを備えたLoRaWANゲートウェイ、スキャンアンドゴーのモバイルプロビジョニングを備えたX-ONデバイスツークラウドプラットフォームが搭載されています。
このスターターキットを使用することで、開発者はLoRaWANハードウェアプロトタイプをすぐに活用し始め、センサやアクチュエータのアプリケーションコードの開発と移植、クラウドプラットフォームを使用したデータの分析と提示を行うことができます。
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