죄송합니다. 더 이상 지원되지 않는 웹 브라우저입니다.

인증된 LoRaWAN 모듈을 사용하여 장거리 연결 개발 가속화

PDF 다운로드

글/Stephen Evanczuk, 프리랜서

농업, 자산 추적, 공공설비 및 사물 인터넷(IoT)을 위한 대부분의 대규모 센서 기반 응용 제품에서 개발자는 확장된 작동 범위 전반에서 보안 연결을 제공해야 한다. 이러한 장치의 매우 큰 네트워크를 지원하도록 설계된 장거리 광역 네트워크(LoRaWAN) 프로토콜은 효율적인 솔루션을 제공할 수 있지만, 최적화된 통신 서브 시스템을 빠르게 구현하려면 적절한 친숙도와 전문 지식이 필요하다.

이 기사에서는 LoRaWAN 및 기능을 간략하게 설명한다. 그런 다음 개발자에게 저전력 광역 네트워크(LPWAN)를 통해 초장거리 연결을 설정하기 위한 드롭인 솔루션을 제공하는 Murata Electronics의 LoRaWAN 인증 모듈을 소개한다. 시제품 제작을 가속화하기 위해 개발 기판과 소프트웨어 지원에 대해서도 소개한다.

LoRaWAN이란?

사용 가능한 무선 연결 옵션 중에서 LoRa-WAN은 Wi-Fi 또는 Bluetooth와 같은 친숙한 무선 연결 옵션의 범위를 벗어나서 배치되는 저전력 종단 장치와 연결되는 서버 기반 응용 제품에 효율적인 솔루션으로 새롭게 등장했다. LoRaWAN 네트워크에서 애플리케이션 서버는 기존 TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 네트워크를 통해 LoRaWAN 게이트웨이와 통신한다(그림 1).

LoRaWAN 게이트웨이는 라이선스가 없는 산업, 과학 및 의료(ISM) 주파수 대역에서 작동하는 LoRa 기가헤르츠 미만 무선 주파수(RF) 기술을 사용하여 종단 장치와 통신한다. 비트 전송률이 상대적으로 낮은 응용 분야를 위한 LoRa 기술은 약 10Kbits/s의 최대 비트 전송률을 제공하지만, 장거리 응용 분야에 고유한 이점이 있다.

확산 스펙트럼 기술에 기반하는 LoRa RF를 사용하면 비트 전송률 대신 범위를 선택하여 농촌 지역에서 15km 이상, 밀집된 도시 지역에서 5km 이상의 거리에서 안정적인 양방향 통신을 손쉽게 구현할 수 있다.

LoRaWAN 프로토콜은 LoRaWAN의 보안 모델 덕택에 통신 트래픽을 보호한다. LoRaWAN은 패킷 레벨에서 진위성과 무결성을 보장하기 위한 보안 키와 종단 장치와 애플리케이션 서버 간 통신의 종단간 보안을 제공하기 위한 보안 키로 구성된 보안 키 쌍을 사용한다.

LoRaWAN 프로토콜은 종단 장치의 전력 소비와 응용 제품의 통신 요구 사항을 조율하는 추가 이점을 제공한다. LoRaWAN 네트워크를 사용하는 장치는 세 가지 클래스(클래스 A, 클래스 B, 클래스 C) 중 하나로 작동할 수 있다. 클래스에 상관없이 모든 장치는 필요에 따라 메시지를 전송할 수 있지만, 클래스에 따라 메시지를 수신할 수 있는 시기가 결정된다.

클래스 A 장치는 이벤트 기반 작동(예: 센서가 환경 변화를 감지한 경우)을 위해 설계되어 가장 에너지 효율적이다. 클래스 A 장치는 이벤트 사이에는 절전 상태를 유지하다가 센서 데이터 취득 후 데이터를 전송하는 데 충분한 시간을 두고 절전 해제된 다음 업링크 전송 후 지정된 지연 간격(RX1 및 RX2)에 따라 다운로드 수신 창을 열 수 있다(그림 2).

클래스 B 장치는 응용 제품에 필요한 일정에 따른 주기적 작동을 지원한다. 클래스 B 장치의 경우 LoRaWAN 프로토콜을 사용하여 지정된 일정에 다운링크 수신 창을 열며, 게이트웨이 전송 비컨을 사용하여 종단 장치를 네트워크와 동기화할 수 있다(그림 3).

클래스 C 장치는 종단 장치에서 다운링크 메시지를 지속적으로 수신해야 하는 응용 분야에 사용하도록 설계되었다. 클래스 C 장치는 활성 상태를 유지해야 하므로 일반적으로 배터리 구동식(예: 클래스 A 및 클래스 B 장치)이 아닌 회선 구동식이다(그림 4).

개념적으로 간단해 보이지만 LoRaWAN 네트워크를 구현하려면 LoRaWAN 프로토콜과 기본 LoRa 기술의 세부 작동 파라미터를 적절하게 균형 조정하는 데 충분한 지식과 경험이 필요하다.

드롭인 솔루션을 제공하는 인증된 LoRaWAN 모듈

Murata Electronics의 LBAA0QB1SJ-296 모듈과 관련 펌웨어는 종단 장치에 완벽한 LoRaWAN 인증 솔루션을 제공하여 LoRaWAN 네트워크 연결을 가속화하는 드롭인 솔루션을 제공한다. 이 모듈은 Semtech의 SX1262 LoRa 트랜시버, STMicroelectronics의 STM32L072 마이크로 컨트롤러를 192Kbyte 플래시 메모리, RF 스위치 및 온도 보정형 수정 발진기(TCXO)와 통합한다. 이 모듈은 크기가 10.0mm x 8.0mm x 1.6mm에 불과한 차폐형 수지 성형 패키지로 제공된다(그림 5).

단일 3.3V 공급 장치에서 작동하는 이 모듈은 125kHz 대역폭에서 15.5mA만 소비하면서, 동일한 대역폭과 최대 확산 인자에서 1% 패킷 오류율로 1mW에 상응하는 -135.5dB(dBm)의 수신기 감도를 제공한다. 확산 인자는 LoRa의 처프 확산 스펙트럼 기술 구현에서 비트당 처프 수로 정의된다. 전송의 경우 이 모듈은 최대 송신 전력에서 118mA를 소비하면서 최대 +21.5dBm 송신 전력을 제공한다.

LBAA0QB1SJ-296 모듈은 개발자가 성능과 전력 소비를 균형 조정할 수 있도록 여러 저전력 작동 모드를 제공하여 LoRaWAN 클래스 A, 클래스 B 또는 클래스 C를 지원한다. 배터리 구동식 종단 장치(일반적으로 클래스 A 또는 클래스 B에서 작동)의 경우 이 모듈은 실시간 클록 작동에서 약 1.3µA만 소비하는 초저전력 모드에서 작동할 수 있다(수년 동안 작동 가능).

LoRaWAN 연결 장치의 빠른 개발

LBAA0QB1SJ-296 모듈을 사용하여 종단 장치 시스템에 LoRaWAN 연결을 추가하는 것은 상대적으로 간단하다. 하드웨어의 측면에서 이 모듈은 모듈의 범용 비동기 수신기/송신기(UART) 인터페이스를 통해 종단 장치 호스트 프로세서에 연결된다. 호스트 통신을 위한 UART 인터페이스 이외에 이 모듈은 외부 안테나와 몇 개의 추가 부품만 있으면 완전한 LoRaWAN 하드웨어 서브 시스템을 제공할 수 있다(그림 6).

소프트웨어의 측면에서 LBAA0QB1SJ-296 모듈은 915MHz ISM 대역에서 LoRaWAN을 작동하는 데 완벽한 스택으로 미리 구성되어 있다. 작동 중에 종단 장치 호스트 프로세서는 AT 명령 세트를 사용하여 모듈 작동을 관리 및 모니터링한다.

모듈의 하드웨어 인터페이스와 미리 로드된 펌웨어는 맞춤형 개발을 가속화하는 데 도움이 되지만, Murata의 LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK 평가 기판을 사용하면 빠른 시제품 제작을 즉시 시작하여 프로덕션 설계 개발을 가속화할 수 있다(그림 7).

이 평가 기판은 발광 다이오드(LED), 서미스터, 푸시 버튼 등 다양한 사용자 인터페이스 장치가 실장된 온보드 LBAA0QB1SJ-296 모듈을 지원한다. 개발자는 기판의 Arduino Uno V3 커넥터로 필요한 주변 소자를 추가하여 기판 기능을 확장할 수 있다.

응용 제품에 대한 LoRaWAN 평가를 시작하기 위해 개발자는 적절한 915MHz RF 서브미니어처 버전 A(SMA) 안테나를 연결하고 외부 소스에서 전원을 공급하고 USB 커넥터를 통해 호스트 개발 시스템에 기판을 연결하면 된다.

기판이 준비된 후 개발자는 등록된 기판 사용자에게 제공되는 터미널 에뮬레이션 프로그램 또는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI) 테스트 도구를 사용하여 모듈 작동을 테스트할 수 있다. 확장된 디버깅을 위해 기판에는 STMicroelectronics ST-LINK 디버거/프로그래머 연결을 위한 SWD(Serial Wire Debug) 및 USB 커넥터가 제공된다.

종단간 응용 제품 평가 및 소프트웨어 디버깅의 경우 개발자는 즉시 사용 가능한 LoRaWAN 게이트웨이를 추가하여 평가 기판과 애플리케이션 서버 사이의 통신 링크를 완성할 수 있다.

결론

LoRaWAN 프로토콜 및 기본 LoRa 기술은 제한된 전력 예산에 영향을 주지 않으면서 확장된 거리에서 종단 장치를 연결하는 데 효과적인 솔루션을 제공한다. 저전력 광역 네트워크 개발을 가속화하도록 설계된 Murata Electronics의 LBAA0QB1SJ-296 모듈은 LoRaWAN 인증 드롭인 솔루션을 제공한다. Murata Electronics의 LBAA0QB1SJ-296 기반 LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK 평가 기판을 사용하는 개발자는 LoRaWAN 네트워크 응용 제품의 시제품을 빠르게 제작하여 평가할 수 있다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
<저작권자(c) 반도체네트워크, 무단 전재-재배포 금지>