엔드투엔드 시험용 키트로 LoRaWAN IoT 프로젝트 가속화

농업 및 광업에서 스마트 도시에 이르는 원격 모니터링 및 제어 응용 분야를 위한 IoT(사물 인터넷) 센서 및 액추에이터 네트워크 설계자는 안전하고 견고하며 유지보수가 적으며 비교적 배포하기 쉬운 장거리 무선 인터페이스를 필요로 합니다. 이러한 애플리케이션에는 LoRaWAN이 적합합니다. 최대 10년 동안 지속되는 배터리를 장착한 종단 장치를 사용하여 시골의 가시선 최대 15킬로미터(km), 도시 지역에서 최대 5킬로미터(km)의 범위를 제공합니다.

LoRaWAN은 성숙한 저전력 광역 네트워크(LPWAN) 기술이지만 개발자는 배포를 단순화하고 클라우드에 연결할 방법을 필요로 합니다.

LoRaWAN IoT 프로젝트를 처음 접하는 엔지니어가 마주하는 도전 과제는 무선 종단 장치 설정뿐 아니라 게이트웨이 및 클라우드 IoT 플랫폼과의 상호 작용의 복잡성을 처리하는 것입니다. 시제품 제작과 작동에 필요한 모든 소자를 포함한 벤더 시험용 키트를 사용하면 작업이 훨씬 쉬워집니다.

이 기사에서는 LoRaWAN을 소개하고 이 기술이 센서 데이터를 클라우드로 전달하기 위한 LPWAN을 형성하여 단거리 무선 센서 네트워크를 보완하는 방법에 대해 설명합니다. 그런 다음, 산업 플랫폼을 기반으로 LoRaWAN IoT 솔루션을 설계, 개발 및 구성하기 위해 멀티 센서 종단 장치, 다채널 게이트웨이 및 장치-클라우드 간 IoT 플랫폼을 포함하는 Digi XON-9-L1-KIT-001 시험용 키트를 사용하는 방법을 소개하고 설명합니다.

LoRa 및 LoRaWAN이란?

LoRaWAN은 수십 킬로미터의 범위, 낮은 처리량(캐리어 주파수에 따라 초당 250비트(b/s)~50킬로비트(Kb/s)) 및 매우 낮은 전력 소비(응용 제품에 따라 최대 10년의 배터리 수명)를 특징으로 하는 IoT 장치용 LPWAN 기술입니다. 표 1은 LoRaWAN과 다른 IoT 기술을 비교한 것입니다.

표 1: LoRaWAN은 낮은 처리량, 장거리 작동에 적합한 특성을 가진 LPWAN IoT 무선 프로토콜입니다. 이 표는 LoRaWAN이 다른 무선 IoT 기술과 어떻게 다른지 비교하여 보여줍니다. (이미지 출처: Semtech)

LoRa 사양은 LoRaWAN을 뒷받침하는 물리층(PHY) 및 변조 기법을 정의합니다. 프로토콜 스택의 미디어 액세스 제어(MAC) 계층은 LoRaWAN 표준에 의해 지정됩니다(그림 1).

그림 1: LoRa 물리층(PHY) 및 변조 기법, LoRaWAN MAC, 애플리케이션 계층이 LoRaWAN 프로토콜 스택을 구성합니다. (이미지 출처: Semtech)

기술 범위의 핵심은 수정된 형태의 직접 시퀀스 확산 스펙트럼(DSSS) 변조를 사용하는 것입니다. DSSS는 원래 정보의 대역폭보다 넓은 대역폭으로 신호를 전파하여 전파 방해에 덜 취약하게 만들어 범위를 늘립니다. DSSS의 단점은 매우 정확하고 비싼 기준 클록이 필요하다는 것입니다. LoRa 처프 확산 스펙트럼(CSS) 기술은 클록이 필요하지 않아 저비용 및 저전력 DSSS 대안을 제공합니다. CSS는 주파수가 지속적으로 변화하는 처프 신호를 생성하여 신호의 스펙트럼을 확산시킵니다(그림 2).

그림 2: LoRa CSS 기술은 주파수가 지속적으로 변하는 처프 신호를 생성하여 신호의 스펙트럼을 확산시킵니다. 이 기술을 사용하면 DSSS에 사용되는 값비싼 기준 클록이 필요하지 않습니다. (이미지 출처: Semtech)

CSS를 사용하면 송신기와 수신기 사이의 타이밍과 주파수 오프셋이 동일하여 수신기 설계의 복잡성이 더욱 줄어듭니다. 또한 LoRa 변조에는 전송된 신호의 견고성을 향상시켜 범위를 확대하는 가변 오류 정정 기법이 포함되어 있습니다. 그 결과 약 154dBm의 데시벨 밀리와트(dBm) 단위의 링크 버짓 전송(Tx) 전력과 수신기(Rx) 감도가 생성되어 단일 게이트웨이 또는 기지국이 전체 도시를 커버할 수 있습니다.

북미에서 LoRaWAN은 902MHz~928MHz 산업, 과학 및 의료용(ISM) 스펙트럼 할당을 사용합니다. 무선 프로토콜은 902.3MHz~914.9MHz의 64x125kHz 업링크 채널을 200kHz 단위로 정의합니다. 903MHz에서 914.9MHz까지 1.6MHz 단위로 8개의 추가 500kHz 업링크 채널이 있습니다. 8개의 다운링크 채널은 923.3MHz에서 927.5MHz까지 주파수 폭이 500kHz입니다. 북미의 최대 TX 전력은 30dBm이지만 대부분 20dBm TX 전력으로 충분합니다. 미국 FCC 규정에는 듀티 사이클 제한이 없지만 채널당 최대 체류 시간은 400밀리초(ms)입니다.

메시 네트워킹은 네트워크 가장자리에 도달하기 위해 노드 간에 메시지를 전달함으로써 범위를 늘리는 기술이지만, 복잡성이 늘어나고 용량이 감소하며 배터리 수명이 감소합니다. LoRaWAN은 메시 네트워킹을 사용하는 대신 각 (장거리) 노드가 게이트웨이와 직접 연결되는 스타 토폴로지를 사용합니다. 노드는 특정 게이트웨이와 연결되어 있지 않습니다. 대신 노드에서 전송되는 데이터는 일반적으로 여러 게이트웨이에 의해 수신됩니다. 그런 다음 각 게이트웨이는 수신된 패킷을 일부 형태의 백홀(일반적으로 셀룰러, 이더넷, 위성 또는 Wi-Fi)을 통해 최종 노드에서 클라우드 기반 네트워크 서버로 전달합니다(그림 3).

그림 3: LoRaWAN은 각 종단 장치가 하나 이상의 게이트웨이와 직접 연결되는 스타 토폴로지를 사용합니다. 그런 다음 각 게이트웨이는 백홀 연결을 통해 정보를 클라우드 기반 네트워크 서버로 전달합니다. (이미지 출처: Semtech)

장거리 스타 네트워크를 사용하려면 게이트웨이가 많은 수의 노드에서 메시지를 수신할 수 있어야 합니다. LoRaWAN은 적응형 데이터 전송률을 사용하고 여러 채널에서 동시에 메시지를 수신할 수 있는 게이트웨이를 사용하여 이러한 고용량을 충족합니다. 단일 8채널 게이트웨이는 하루에 수십만 개의 메시지를 지원할 수 있습니다. 각 종단 장치가 하루에 10개의 메시지를 보낸다고 가정하면 이 게이트웨이는 약 10,000개의 장치를 지원할 수 있습니다. 용량이 더 필요하다면 네트워크에 게이트웨이를 추가할 수 있습니다.

신속한 시제품 제작을 위한 LPWAN 시험용 키트

LPWAN 기술은 복잡하고 경험이 부족한 엔지니어에게는 어려울 수 있습니다. 개발자는 안전하고 강력한 연결로 무선 종단 장치를 설정해야 할 뿐만 아니라, 게이트웨이와 인터페이스하고 네트워크의 일부로 프로비저닝한 다음 클라우드 IoT 플랫폼에 연결해야 합니다.

이러한 엔드투엔드 LoRaWAN IoT 솔루션 구축은 Digi XON-9-L1-KIT-001 LoRaWAN 시험용 키트와 같은 맞춤형 시험용 키트로 더욱 간단해집니다(그림 4). 이러한 시험용 키트를 사용하면 엔지니어는 다음 단계를 신속하게 통합할 수 있다는 사실을 알 수 있고 안전하게 프로세스의 각 단계를 빠르게 익힐 수 있습니다. 결과적으로 비전문가도 완전한 LoRaWAN IoT 솔루션의 시제품을 신속하게 만들 수 있습니다.

그림 4: XON-9-L1-KIT-001 LoRaWAN 시험용 키트에는 HXG3000 이더넷 게이트웨이, 업링크 및 다운링크, 클라이언트 실드 기판, 안테나, 전원 공급 장치 및 프로그래밍 인터페이스를 포함하여 네트워크 연결 시제품 제작에 필요한 모든 것이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Digi)

LoRa는 배터리 수명과 네트워크 다운링크 통신 대기 시간을 교환하는 장치 클래스를 특징으로 합니다. Digi 시험용 키트는 LoRaWAN 클래스 A(최저 전력, 양방향 종단 장치) 및 클래스 C(최저 대기 시간, 종단 장치 수신기 항상 켜짐, 양방향 종단 장치)를 지원합니다.

시험용 키트는 빠르고 안전하게 LoRaWAN 시제품을 설정하는 데 필요한 모든 것을 제공합니다. 특히, 업링크/다운링크, 확장 기판 또는 LoRaWAN 모듈이 있는 '클라이언트 실드', LED, 디지털 입력, 온도 센서, Digi 8채널 LoRaWAN HXG3000 이더넷 게이트웨이, 내장형 개발자 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스(API) 및 스캔 앤 고 모바일 프로비저닝이 있는 장치-클라우드 간 플랫폼의 30일 무료 평가판 계정이 포함됩니다.

HXG3000 게이트웨이는 LoRaWAN을 통해 장거리, 가시선이 아닌 양방향 통신을 제공하며 하루 최대 150만 개의 메시지를 처리할 수 있습니다. 이 제품은 1.7dBm 무지향성 무선 통신, 최대 27dBm Tx 전력 및 -138dBm Rx 감도를 포함하며 라이선스가 필요 없는 미국 902MHz~928MHz 대역에서 작동합니다. 이 장치는 AC 전원 공급 장치 또는 PoE를 통해 전력을 공급받습니다. 이더넷 및 LTE Cat M1 백홀 모델을 사용할 수 있습니다.

Digi LoRaWAN 클라이언트 실드는 LoRaWAN 센서의 시제품을 만들고 개발하려는 엔지니어를 지원하는 시험용 키트의 일부입니다. LoRaWAN 클라이언트 측 연결을 위하여 호환되는 STMicroelectronics Nucleo(예: NUCLEO-L053R8) 및 Arduino ARM Keil® Cortex®-M 클래스 마이크로 컨트롤러 개발 기판을 선택하기 위한 연결을 제공합니다. Arduino 스택형 커넥터 외에도 클라이언트 실드에는 저전력 서미스터 온도 센서, 디지털 입력 슬라이드 스위치 및 디지털로 제어되는 빨간색, 녹색, 파란색(RGB) LED가 있습니다. 실드에는 U.FL 커넥터가 있으며 관련 안테나는 키트의 일부로 포함되어 있습니다. 또한 실드에는 라이선스가 필요 없는 미국 902MHz~928MHz 대역에서 작동하는 LoRaWAN 모듈이 통합되어 있습니다. TX 전력은 14dBm~20dBm입니다(그림 5).

그림 5: LoRaWAN 모듈을 수용하는 XON-9-L1-KIT-001 클라이언트 실드는 STMicroelectronics Nucleo(여기에 표시됨) 또는 Arduino 개발 기판에 장착할 수 있습니다. (이미지 출처: Digi)

Digi X-ON은 IoT 종단 장치를 위한 완벽한 장치-클라우드 간 플랫폼입니다. 플랫폼은 개발 및 운영 클라우드 솔루션을 모두 제공합니다. X-ON은 통합 LoRaWAN 네트워크 서버를 통합하고 서버에 연결하여 LoRaWAN 무선 프로토콜을 실행하는 장치 및 게이트웨이를 지원합니다. 조인 서버는 네트워크 및 애플리케이션 서버 인증과 세션 키 생성을 포함한 조인 흐름을 처리합니다.

플랫폼을 통해 개발자는 다음을 수행할 수 있습니다.

• 웹 및 모바일 인터페이스에서 장치 또는 게이트웨이 구성, 모니터링 및 진단
• 프로비저닝 앱으로 장치 및 게이트웨이 배포 자동화
• 무선 네트워크 게이트웨이 관리
• 최종 장치에서 직접 데이터 수집 및 분석
• 여러 클라우드 플랫폼 간의 실시간 양방향 장치 데이터를 위한 클라우드 간 API 사용
• 최종 장치 및 게이트웨이와의 대화식 작업 및 문제 해결을 위한 실시간 데이터 메시지 기록 및 추적
• 개방형 API를 통해 데이터를 통합하여 타사 유틸리티로 더 복잡한 애플리케이션 개발(그림 6)

그림 6: Digi X-ON은 개발자가 프로비저닝 스마트폰 앱으로 장치 및 게이트웨이 배포를 자동화할 수 있도록 하는 IoT 최종 장치용 장치-클라우드 간 플랫폼입니다. 그런 다음 개발자는 웹 및 모바일 인터페이스에서 장치 또는 게이트웨이를 구성, 모니터링 및 진단할 수 있습니다. (이미지 출처: Digi)

LoRaWAN 프로젝트 시작하기

클라이언트 실드, STMicroelectronics Nucleo 및 Arduino 개발 기판은 내장형 ARM Keil 마이크로 컨트롤러를 사용하고 'ARM Keil Mbed 활성화'되어 있으므로 Digi 시험용 키트로 프로젝트를 시작하는 것은 비교적 간단합니다. (ARM Keil Mbed는 32비트 ARM Keil Cortex M급 마이크로 컨트롤러를 기반으로 하는 IoT 장치용 플랫폼 및 운영 체제(OS)입니다.) 클라이언트 실드에는 임베디드 AT 명령 언어와 설계 복잡성을 해소하여 개발을 단순화하도록 설계된 단순화된 ARM Keil Mbed C++ 임베디드 API가 포함되어 있습니다.

Digi LoRaWAN 시험용 키트의 Mbed 호환성을 통해 ARM Keil Mbed 온라인 리소스를 사용하여 애플리케이션 개발 작업을 수행할 수 있습니다. 리소스는 세 가지 옵션으로 구성됩니다. Mbed 온라인 컴파일러를 사용하면 개발자는 아무것도 설치하지 않고도 애플리케이션 개발을 즉시 시작할 수 있습니다. Mbed 계정만 있으면 됩니다.

고급 애플리케이션 개발을 위해 Digi LoRaWAN 시험용 키트를 Mbed 프로그램 생성, 컴파일 및 디버깅을 위한 데스크톱 통합 개발 환경(IDE)인 Mbed Studio에 연결할 수 있습니다. 마지막으로, 개발자가 선호하는 IDE에 통합할 수 있는 명령줄 도구인 Mbed CLI가 있습니다.

가장 빠른 개발 경로는 먼저 Digi X-ON 계정을 설정하는 것입니다. 다음으로 개발자는 Mbed 온라인 컴파일러 계정에 등록해야 합니다. 그리고 개발 기판에 클라이언트 실드를 장착한 후 USB 케이블을 사용하여 어셈블리를 데스크톱 컴퓨터에 연결해야 합니다. 클라이언트 실드의 'PWR' LED와 개발 기판의 'COM' LED가 켜지면 전자 장치에 전원이 공급되었음을 나타냅니다.

그런 다음 Mbed 온라인 컴파일러는 개발자에게 하드웨어 플랫폼을 컴파일러에 추가하는 간단한 단계를 안내합니다. 하드웨어가 추가되면 Mbed 저장소(또는 다른 라이브러리)의 센서 애플리케이션 예제에서 코드를 컴파일러로 가져와 개발 기판으로 다운로드할 수 있습니다. 컴파일러를 사용하여 장치 클래스 및 네트워크 연결 모드와 같은 LoRaWAN 구성을 변경할 수도 있습니다(그림 7).

그림 7: ARM Keil Mbed 온라인 컴파일러를 사용하여 장치 클래스 및 네트워크 연결 모드와 같은 LoRaWAN 구성을 변경하는 것은 간단합니다. (이미지 출처: Digi)

게이트웨이가 실행 중이면 클라이언트 실드/개발 기판이 네트워크에 연결되고 15초마다(기본 모드 시) 업링크 전송을 시작합니다. X-ON 계정 페이지에서 'Stream' 버튼을 누르면 장치에서 전송된 데이터가 화면에 표시됩니다.

결론

IoT 감지 및 액추에이터 네트워크 설계자를 위해 LoRaWAN은 라이선스가 필요 없는 RF 액세스, 수십 킬로미터 범위, 낮은 전력 소비, 우수한 보안 및 확장성, 강력한 연결을 제공합니다. 그러나 많은 IoT 무선 프로토콜과 마찬가지로 종단 장치 연결, 프로비저닝, 게이트웨이 및 클라우드로의 센서 데이터 스트리밍을 처리하는 것은 어려울 수 있습니다.

위에서 설명한 바와 같이 Digi LoRaWAN 시험용 키트는 이러한 문제 중 많은 부분을 해결합니다. 이 키트는 간소화된 ARM Keil Mbed C++ 임베디드 API가 있는 클라이언트 실드, 이더넷 백홀이 있는 LoRaWAN 게이트웨이, 스캔 앤 고 모바일 프로비저닝이 있는 X-ON 장치-클라우드 간 플랫폼을 제공합니다. 시험용 키트를 사용하여 개발자는 LoRaWAN 하드웨어 시제품을 통해 신속하게 시작 및 실행하고, 센서 및 액추에이터 애플리케이션 코드를 개발 및 이식하며, 클라우드 플랫폼을 사용하여 데이터를 분석 및 표시할 수 있습니다.