Beim Aufbau verteilter batteriebetriebener Sensoranwendungen, die auf der Übertragung kleiner Datenmengen über große Entfernungen basieren, müssen drei Kernanforderungen erfüllt werden: Komponenten mit extrem geringem Stromverbrauch, Zuverlässigkeit in unkontrollierten Umgebungen und eine relativ einfache und skalierbare Architektur. Dies macht LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) zur idealen Wahl für Szenarien wie intelligente Gebäude, Campusumgebungen, Einzelhandel und Industrieüberwachung.
LoRaWAN-Anwendungen haben Übertragungsreichweiten von mehreren Kilometern, eine Batterielebensdauer von mehreren Jahren und Kosteneffizienzvorteile. Die LoRaWAN-Kommunikation kann landwirtschaftliche Betriebe oder Fabriken über ein einziges Gateway abdecken, ohne dass Mobilfunk-, WLAN- oder Mesh-Netzwerk-Routing erforderlich ist.
Im Jahr 2015 wurde LoRaWAN mit Unterstützung der LoRa Alliance offiziell als offene MAC-Schicht und Netzwerkarchitektur etabliert. Es handelt sich um ein offenes Protokoll und eine Architektur für drahtlose Netzwerke mit geringem Stromverbrauch, die alternative Lösungen wie Mobilfunk-IoT, Wi-Fi, BLE, Zigbee, Thread und proprietäre Sub-GHz-Funkgeräte in Bezug auf Skalierbarkeit, Einfachheit und Interoperabilität übertrifft.
Die Kooperationsallianz zwischen Digi und SparkFun soll den Prozess von der konzeptionellen Konzeption bis zur tatsächlichen Bereitstellung beschleunigen. Die Allianz integriert Digis X-ON Edge-to-Cloud-IoT-Plattform mit der Hardware von SparkFun sowie Raspberry Pi-Mikrocontrollern.
Insbesondere können Designer das SparkFun 26060 IoT Node-Entwicklungsboard (Abbildung 1) verwenden, das über integrierte Digi XBee LR-Funk-Transceiver-Module und einen leistungsstarken Raspberry Pi 2350A verfügt.
Abbildung 1: Der SparkFun 26060 IoT-Knoten ist mit einem integrierten Digi XBee-Transceiver ausgestattet, der eine Verbindung zur Digi X-On-Cloud-Plattform ermöglicht. (Bildquelle: SparkFun)
Dieses Modul wird automatisch über das Digi HX15 LoRaWAN-Gateway mit der Cloud-IoT-Plattform von Digi X-ON verbunden (Abbildung 2). Dieses Gateway kann separat erworben oder als Teil des SparkFun 27213 Digi X-ON-Kits (nordamerikanische Version) bereitgestellt werden.
Abbildung 2: Das HX15-Gateway von Digi bietet eine Datenschnittstelle für LoRaWAN-Sensoren und kann über Ethernet oder ein optionales LTE-Netzwerk mit der Digi X-ON-Cloud-Plattform verbunden werden. (Bildquelle: Digi International)
Das SparkFun Qwiic Connect-Ökosystem vereinfacht den Hardware-Erweiterungsprozess mit seiner kontinuierlich wachsenden Bibliothek von über 100 Plug-and-Play-Sensoren, Aktoren und Displays erheblich. Alle Komponenten des Systems sind über eine universelle I²C-Schnittstelle und standardisierte 4-Pin-JST-Stecker miteinander verbunden. Der IoT-Knoten von SparkFun wird mit vorkompilierter Firmware geliefert, die angeschlossene SparkFun Qwiic-Sensoren automatisch erkennt und Daten über LoRaWAN mithilfe des Digi XBee LR-Moduls sendet. Dieses Modul ist mit dem HX15-Gateway verbunden und überträgt Daten über Ethernet oder optional LTE an die Digi X-ON-Cloud-Plattform. Digi X-ON verfügt über verschlüsselte Übertragungsfunktionen vom Gateway zur Cloud, sichere Benutzerzugriffskontrolle und Metadatenverwaltungsfunktionen auf Geräteebene.
Für Designer besteht keine Notwendigkeit, Gateways einzurichten oder LoRaWAN zu registrieren. Sie können die konfigurationsfreie Sensorzugriffsfunktion nutzen, um einen Cloud-fähigen Datenfluss von Knoten in die Cloud zu erreichen, ohne dass während des gesamten Prozesses Benutzerkonfiguration, Codierung oder MQTT-Proxy-Einstellungen erforderlich sind. Dadurch funktioniert Rapid Prototyping, Konzeptvalidierung oder Bereitstellung fast ohne (falls erforderlich) die Abhängigkeit von LoRa- oder Cloud-Technologie-Know-how.
Designer können die Abtastraten optimieren, Unterstützung für weitere Qwiic-Sensoren hinzufügen oder Nutzlastformate anpassen, ohne bei Null anfangen zu müssen. Die Digi
Workflow-Flexibilität
RP2350 bietet Produktdesignern eine einzigartige Workflow-Flexibilität und unterstützt die Anwendungsentwicklung auf Basis von Arduino, MicroPython und C/C++ (unter Verwendung des Pico SDK). Aufgrund seiner Kompatibilität mit allen drei Entwicklungsumgebungen bietet SparkFun IoT Node Designern reichlich Auswahl und Flexibilität und ermöglicht Arbeitsabläufe, die ihren beruflichen Fähigkeiten entsprechen – von Drag-and-Drop-Skripting in Python bis hin zu optimierter C-Code-Entwicklung mit Hardwarebeschleunigung.
Designer können schnell Anwendungsprototypen in MicroPython entwickeln, Qwiic-kompatible Sensoren in Echtzeitumgebungen testen oder Abtastintervalle anpassen. Im Verlauf des Projekts können sie nahtlos auf Arduino oder reine C++-Umgebungen umsteigen, um den Stromverbrauch, die Speichernutzung oder die E/A-Leistung zu optimieren. SparkFun bietet auch vorkompilierte MicroPython-Images an, die speziell auf seine IoT-Module zugeschnitten sind.
Sobald IoT-Geräte mit dem Senden von Daten beginnen, stellt X-ON ein Dashboard zur Überwachung der Sensorwerte, zur Überprüfung des Gerätestatus und sogar zur Fernübertragung von Firmware-Updates bereit. Produktdesigner können ihre Designs kontinuierlich verbessern, ohne tatsächlich mit der Ausrüstung in Kontakt zu kommen.
Diese kollaborative Lösung bietet eine ideale Lösung für Anwendungstests vor Ort oder die Skalierung verteilter batteriebetriebener Sensorsysteme in Pilotprojekten. Das verstärkte Design des HX15-Gateways, die sichere Cloud-Architektur von Digi X-ON und der automatisch konfigurierte Firmware-Stack können alle die Implementierungsschwierigkeiten vom Labor bis zur Bereitstellung vor Ort reduzieren. Designer können Anwendungspiloten auf der Grundlage tatsächlicher Sensordaten in realen Umgebungen durchführen und dann einfach Knoten- und Gateway-Konfigurationen replizieren, um Skalierbarkeit zu erreichen, ohne dass eine Firmware-Entwicklung oder Cloud-Integration erforderlich ist.
Das auf RP2350 basierende IoT-Modul von SparkFun, die X-ON-Plattform von Digi und das flexible Mikrocontroller-Ökosystem von Raspberry Pi bieten einen einzigartig vereinfachten Weg vom Prototyp bis zur Bereitstellung. Ob beim Testen neuer Sensoren, beim Überprüfen der LoRaWAN-Übertragungsreichweite oder beim Optimieren des Stromverbrauchs – diese Kombination kann die experimentelle Erforschung unterstützen und gleichzeitig die strengen Anforderungen eines produktionsreifen Designs erfüllen.
Durch den Einsatz offener Hardware und standardisierter Verbindungen können Designer sicherstellen, dass ihre IoT-Projekte während des Entwicklungsprozesses eine gute Anpassungsfähigkeit und Haltbarkeit aufweisen. Wenn sich die Projektanforderungen weiterentwickeln, können auf dieser Plattform erstellte Anwendungen auch eine stärkere Portabilität und Flexibilität gewährleisten.