Bij het bouwen van gedistribueerde, batterijgevoede sensortoepassingen die afhankelijk zijn van de overdracht van kleine hoeveelheden gegevens over lange afstanden, moet aan drie kernvereisten worden voldaan: componenten met ultralaag vermogen, betrouwbaarheid in ongecontroleerde omgevingen en een relatief eenvoudige en schaalbare architectuur. Dit maakt LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) een ideale keuze voor scenario's zoals slimme gebouwen, campusomgevingen, winkels en industriële monitoring.
LoRaWAN-toepassingen hebben een zendbereik van enkele kilometers, een batterijlevensduur van meerdere jaren en kosteneffectiviteitsvoordelen. LoRaWAN-communicatie kan boerderijen of fabrieken bestrijken via één enkele gateway zonder de noodzaak van mobiele, Wi-Fi- of mesh-netwerkroutering.
In 2015 werd LoRaWAN, met steun van de LoRa Alliance, officieel opgericht als een open MAC-laag en netwerkarchitectuur. Het is een open, energiezuinig draadloos netwerkprotocol en een architectuur die beter presteert dan alternatieve oplossingen zoals cellulair IoT, Wi-Fi, BLE, Zigbee, Thread en eigen subGHz-radio's in termen van schaalbaarheid, eenvoud en interoperabiliteit.
De samenwerkingsalliantie tussen Digi en SparkFun zal naar verwachting het proces van conceptuele conceptie tot daadwerkelijke implementatie versnellen. De alliantie integreert Digi's X-ON edge-to-cloud IoT-platform met de hardware van SparkFun en Raspberry Pi-microcontrollers.
Ontwerpers kunnen specifiek gebruik maken van het SparkFun 26060 IoT Node-ontwikkelbord (Afbeelding 1), dat ingebouwde Digi XBee LR draadloze transceivermodules en een krachtige Raspberry Pi 2350A heeft.
Figuur 1: De SparkFun 26060 IoT Node is uitgerust met een ingebouwde Digi XBee-transceiver, die verbinding met het Digi X-On-cloudplatform mogelijk maakt. (Afbeeldingsbron: SparkFun)
Deze module wordt automatisch verbonden met het Digi X-ON cloud IoT-platform via de Digi HX15 LoRaWAN-gateway (Figuur 2). Deze gateway kan afzonderlijk worden aangeschaft of worden geleverd als onderdeel van de SparkFun 27213 Digi X-ON-kit (Noord-Amerikaanse versie).
Figuur 2: Digi's HX15-gateway biedt een data-interface voor LoRaWAN-sensoren en kan via Ethernet of een optioneel LTE-netwerk worden aangesloten op het Digi X-ON cloudplatform. (Afbeeldingsbron: Digi International)
Het SparkFun Qwiic Connect-ecosysteem vereenvoudigt het hardware-uitbreidingsproces aanzienlijk met zijn voortdurend groeiende bibliotheek van meer dan 100 plug-and-play-sensoren, actuatoren en displays. Alle componenten van het systeem zijn met elkaar verbonden via een universele I²C-interface en gestandaardiseerde 4-pins JST-connectoren. SparkFun's IoT Node wordt geleverd met vooraf gecompileerde firmware die automatisch aangesloten SparkFun Qwiic-sensoren detecteert en gegevens uitzendt via LoRaWAN met behulp van de Digi XBee LR-module. Deze module is verbonden met de HX15-gateway en stuurt gegevens naar het Digi X-ON-cloudplatform via Ethernet of optioneel LTE. Digi X-ON heeft gecodeerde transmissiemogelijkheden van gateway naar cloud, beveiligde gebruikerstoegangscontrole en mogelijkheden voor metadatabeheer op apparaatniveau.
Voor ontwerpers is het niet nodig om gateways in te stellen of LoRaWAN te registreren. Ze kunnen de nulconfiguratiesensortoegangsfunctie gebruiken om cloud-ready datastromen van knooppunten naar de cloud te realiseren, zonder dat er gedurende het hele proces gebruikersconfiguratie, codering of MQTT-proxy-instellingen nodig zijn. Dit maakt snelle prototyping, conceptvalidatie of implementatie bijna mogelijk zonder (indien nodig) een beroep te doen op expertise op het gebied van LoRa of cloudtechnologie.
Ontwerpers kunnen de bemonsteringsfrequenties verfijnen, ondersteuning voor meer Qwiic-sensoren toevoegen of de payload-formaten aanpassen zonder helemaal opnieuw te beginnen. Het Digi X-ON-platform biedt een gecentraliseerd overzicht van alle geïmplementeerde knooppunten, waarbij de looptijd, de levensduur van de batterij, de signaalkwaliteit en de verbindingsgeschiedenis worden bijgehouden - allemaal belangrijke indicatoren voor het oplossen van problemen en het optimaliseren van gedistribueerde sensornetwerken.
Flexibiliteit in de workflow
RP2350 biedt unieke workflowflexibiliteit voor productontwerpers en ondersteunt applicatieontwikkeling op basis van Arduino, MicroPython en C/C++ (met behulp van Pico SDK). Vanwege de compatibiliteit met alle drie de ontwikkelomgevingen biedt SparkFun IoT Node ontwerpers ruime keuze en flexibiliteit, waardoor workflows kunnen worden afgestemd op hun professionele vaardigheden - van drag-and-drop-scripting in Python tot geoptimaliseerde C-code-ontwikkeling met behulp van hardwareversnelling.
Ontwerpers kunnen snel applicatieprototypes ontwikkelen in MicroPython, Qwiic-compatibele sensoren testen in realtime omgevingen of bemonsteringsintervallen aanpassen. Naarmate het project vordert, kunnen ze naadloos overstappen op Arduino of pure C++-omgevingen om het stroomverbruik, het geheugengebruik en de I/O-prestaties te optimaliseren. SparkFun biedt ook vooraf samengestelde MicroPython-afbeeldingen die speciaal zijn aangepast voor de IoT-modules.
Zodra IoT-apparaten gegevens beginnen te verzenden, biedt X-ON een dashboard voor het monitoren van sensormetingen, het controleren van de apparaatstatus en zelfs het op afstand pushen van firmware-updates. Productontwerpers kunnen hun ontwerpen voortdurend verbeteren zonder daadwerkelijk contact met de apparatuur.
Deze samenwerkingsoplossing biedt een ideale oplossing voor het testen van toepassingen op locatie of het opschalen van proefprojecten van gedistribueerde sensorsystemen op batterijen. Het versterkingsontwerp van de HX15-gateway, de veilige cloudarchitectuur van Digi X-ON en de automatisch geconfigureerde firmwarestack kunnen allemaal de implementatieproblemen van laboratorium tot implementatie op locatie verminderen. Ontwerpers kunnen applicatiepilots uitvoeren op basis van werkelijke sensorgegevens in echte omgevingen, en vervolgens eenvoudig knooppunt- en gatewayconfiguraties repliceren om schaalbaarheid te bereiken zonder de noodzaak van firmware-ontwikkeling of cloud-integratie.
SparkFun's IoT-module gebaseerd op RP2350, Digi's X-ON-platform en Raspberry Pi's flexibele microcontroller-ecosysteem bieden een uniek vereenvoudigd pad van prototype naar implementatie. Of het nu gaat om het testen van nieuwe sensoren, het verifiëren van het LoRaWAN-transmissiebereik of het optimaliseren van het energieverbruik, deze combinatie kan experimentele verkenning ondersteunen en tegelijkertijd voldoen aan de strenge eisen van een productieklaar ontwerp.
Door gebruik te maken van open hardware en gestandaardiseerde verbindingen kunnen ontwerpers ervoor zorgen dat hun IoT-projecten een goed aanpassingsvermogen en duurzaamheid hebben tijdens het ontwikkelingsproces. Naarmate de projectvereisten evolueren, kunnen applicaties die op dit platform zijn gebouwd ook een sterkere draagbaarheid en flexibiliteit behouden.