Универсальный модем для систем «Интернета вещей» с поддержкой технологий LoRaWAN и LTE NB-IoT

По различным прогнозам, уже в 2020 году количество подключенных к Интернету устройств вырастет до 40–200 млрд. При этом только около 10 млрд из них будет приходиться на телефоны и компьютеры, все остальное относится к «умным» вещам, от холодильника до датчиков на сельскохозяйственных и промышленных предприятиях, элементах инфраструктуры, системах охраны и контроля доступа, на транспорте и в других областях человеческой деятельности. Это позволит контролировать не только параметры окружающей среды и различных объектов, но и ход технологических процессов при производстве различной продукции, его подготовке и логистике. Инвестиции в «Интернет вещей» (Internet of Things, IoT) достигнут $6 трлн, причем основными заказчиками станут правительства и крупные корпорации.

Использование потенциала IoT для экономического и социального развития в ближайшие годы будет одной из основных задач. Именно поэтому многие производители электронных компонентов разрабатывают устройства, ориентированные на применение в системах IoT и IIoT (Industrial IoT).

Одной из важных характеристик устройств «Интернетa вещей» является продолжительная работа без дополнительного обслуживания и смены источников питания. Для эффективного решения задач, связанных с энергопотреблением, и применяются технологии LPWAN (Low Power Wide Area Networks), к которым относятся LoRa, NB-IoT и другие. Появление таких технологий обусловлено необходимостью подключения множества приборов учета и телеметрии для централизованного сбора данных.

На физическом уровне технология LoRa (Long Range) предусматривает метод модуляции, который обеспечивает связь на большие расстояния при использовании передатчиков малой мощности с помощью CSS (Chirp Spread Spectrum — внутриимпульсная линейная частотная модуляция с расширением спектра), позволяющей повысить помехоустойчивость канала связи при малых значениях отношения сигнал/шум [1].

Передача данных по технологии LoRa осуществляется в нелицензируемом диапазоне частот 868 МГц (в США в диапазонах частот 169, 433 и 915 МГц). Скорость передачи данных при этом находится в диапазоне 0,3–50 кбит/с. Чтобы продлить время автономной работы конечных устройств и общую пропускную способность сети, сетевая инфраструктура LoRa может управлять скоростью передачи данных для каждого устройства.

К особенностям технологии LoRa следует отнести то, что она предусматривает три класса устройств в зависимости от выполняемых задач и области применения.

Класс А определяет функциональный режим по умолчанию в сетях LoRa. В классе А сеанс связи осуществляет конечное устройство. Узел передает данные короткими посылками по заданному графику на шлюз. После каждой передачи данных оконечное устройство открывает одно приемное окно на некоторый промежуток времени, ожидая следующей команды, отправляемой сервером. В случае если ответа не поступает, узел переходит в спящий режим, уменьшая потребление энергии. Второе окно открывается в другом поддиапазоне (предварительно согласовывается с сервером). Сервер накапливает данные и пересылает их сразу, как только узел выходит на связь. Сети класса А предназначены главным образом для мониторинга приложений, они наиболее экономичны по потреблению энергии и имеют максимальное распространение.

В классе В выделено дополнительное окно приема, которое открывается устройством по расписанию. По специальному сигналу «маяк» от шлюза конечное устройство осуществляет синхронизацию внутреннего времени со временем сети, составляя расписание. Благодаря этому дополнительному окну у сервера появляется возможность начать передачу данных в заранее известное время.

Устройства класса C имеют максимальное, почти непрерывное во времени окно приема, которое закрывается только на время передачи данных. Это позволяет применять их для решения задач, требующих передачи большого объема данных. Такой класс устройств получает данные от сервера сети с наименьшими задержками, однако потребление энергии в них максимальное, и поэтому, как правило, в них отсутствует батарейное питание.

NB-IoT работает в лицензированном диапазоне частот LTE и использует множественный доступ с частотным разделением каналов (FDMA — Frequency Division Multiple Access) в восходящей линии связи, а в нисходящей — ортогональную FDMA (OFDMA) модуляцию и квадратурную фазовую манипуляцию (QPSK — Quadrature Phase-Shift Keying).

Хотя обе технологии могут конкурировать по качеству обслуживания (QoS), для приложений IoT, требующих более высокой скорости передачи информации, предпочтительна NB-IoT, однако при этом стоимость такой системы будет выше, чем при эксплуатации системы LoRaWAN. В таблице 1 приведены некоторые усредненные сравнительные характеристики систем LoRaWAN и NB-IoT.

Технические характеристики модема

Универсальный модем «Вега SH-2», разработанный компанией «Вега-Абсолют», предназначен для сбора, накопления и передачи данных в сеть LoRaWAN или LTE NB-IoT [2].

Внешний вид модема со снятой крышкой приведен на рис. 1.

Рис. 1. Внешний вид модема «Вега SH-2» со снятой крышкой и подключенными антеннами

Для подключения внешних датчиков в модеме предусмотрено два аналоговых и два цифровых входа. Данные, поступающие от внешних устройств, считываются периодически с настраиваемым интервалом времени 5, 15, 30 мин, а также 1, 6, 12 или 24 ч. Считанные данные сохраняются в памяти модема в виде пакета с указанием времени сохранения данных и передаются при очередном сеансе связи с сетью LoRaWAN. Интервал времени между сеансами связи для передачи данных также настраивается и может иметь такие же значения, как и период считывания данных. Память модема рассчитана на сохранение 100 пакетов данных. В режиме передачи вначале отправляются пакеты с самыми ранними данными, а затем более поздние.

Питание модема осуществляется от встроенной батареи емкостью 6400 мА·ч. Предусмотрена возможность подключения двух батарей емкостью 6400 мА·ч или внешнего источника питания напряжением 4,5–55 В.

Время внутренних часов устанавливается автоматически при подключении к Vega LoRaWAN Configurator через интерфейс USB, а также может быть скорректировано через сеть LoRaWAN.

Основные технические характеристики модема приведены в таблице 2.

Цифровые входы COUNT1 и COUNT2 [3] могут работать как в импульсном, так и в охранном режиме (рис. 2). Когда вход не подключен, на нем присутствует логическая «1». При работе в импульсном режиме модем подсчитывает количество импульсов на входе. Фиксация происходит по спаду импульса. В охранном режиме устройство отслеживает изменение состояния входа и отправляет сообщение в сеть при возникновении одного из событий: охранная цепь замкнута, разомкнута или в обоих случаях. Выбрать событие, по которому будет происходить срабатывание охранного входа, можно с помощью приложения Vega LoRaWAN Configurator.

Рис. 2. Расположение разъемов на плате модема

Аналоговые входы ADC1 и ADC2 подключены ко входам 12-разрядных АЦП и позволяют измерять напряжение постоянного тока, поданное на них в диапазоне значений 0–21 В с точностью до 100 мВ.

Интерфейсы RS-485 (Modbus) и 1-Wire не могут использоваться одновременно. Выбор интерфейса осуществляется с помощью перемычек, которые устанавливаются на разъемах XP4 и XP5 на плате (рис. 2). Интерфейс 1-Wire позволяет подключить до 10 внешних датчиков (например, термодатчиков).

На плате имеется два светодиодных индикатора (рис. 2). Красный предназначен для контроля в режиме активации устройства в сети LoRaWAN, при передаче данных по технологии NB-IoT и при смене режимов работы. Зеленый индикатор — для отладки в процессе производства. Подробно о режимах работы и сигналах, формируемых индикатором красного цвета, можно узнать в [3].

Питание модема осуществляется от внешнего источника питания или от встроенных батарей. Если необходима одна батарея, она подключается к разъему XP6 или XP7. При использовании двух батарей задействованы оба разъема.

Особенности работы модема по технологии LoRaWAN

Модем поддерживает два способа активации в сети LoRaWAN — ABP и OTAA. Выбор способа активации выполняется программой Vega LoRaWAN Configurator.

При активации по способу ABP после подключения питания устройство сразу начинает работать в режиме «Активный».

При активации по способу OTAA после подключения питания модем осуществляет три попытки подключения к сети в заданном при настройке частотном диапазоне. При получении подтверждения активации в сети LoRaWAN устройство подает сигнал индикатором красного цвета (свечение в течение 3 с) и переходит в режим «Активный». Если все попытки подключиться к сети окажутся неудачными, модем переходит в режим пониженного энергопотребления на сутки, затем повторяет попытку регистрации в сети. Попытки будут повторяться раз в сутки до тех пор, пока модем не зарегистрируется в сети.

Особенности работы модема по технологии LTE NB-IоT

Перед началом работы необходимо настроить передачу данных c помощью программы Vega LoRaWAN Configurator и установить SIM-карту в слот на плате модема (рис. 2).

При передаче данных модем вначале регистрируется в сети, а затем приступает к отправке данных. После передачи данных (даже в случае неуспешной попытки) модем переходит в режим пониженного энергопотребления до следующего сеанса связи по расписанию.

Модем «Вега SH-2» настраивается с помощью программы-конфигуратора Vega LoRaWAN Configurator, установленной на ПК. Подключение к компьютеру происходит через порт micro-USB (рис. 2).

При подключении к ПК конфигуратор считывает информацию о модели устройства, его прошивке и автоматически корректирует время устройства, выполняет присоединение к сети LoRaWAN выбранным способом (ABP или OTAA). Если модем уже подключен к сети, произойдет повторное подключение к ней. Программа отображает статус подключения устройства к сети LoRaWAN и его адрес. Кроме того, она позволяет изменить прошивку модема. Подробно о порядке работы с программой Vega LoRaWAN Configurator и структуре пакетов данных, передаваемых в сеть, можно ознакомиться в [3].

Если в качестве технологии передачи используется LTE, то передача осуществляется по протоколу MQTT. C помощью программы-конфигуратора необходимо прописать в настройках модема адрес и порт сервера, на который будут отправляться данные. В качестве сервера (приемной стороны) используется MQTT-брокер. Контроль отправленных данных можно выполнять через ПК, на котором установлена программа MQTT-брокер.

Компания-производитель установила гарантийный срок на устройство 5 лет со дня продажи, что свидетельствует о его высокой надежности.