Tác giả: Ramya Kota, Bộ phận marketing sản phẩm và giải pháp không dây, Microchip Technology.
Công nghệ LoRa® (Long Range) đang mở rộng phạm vi tiếp cận của Internet Vạn vật (Internet of Things – IoT) bằng cách kết hợp kết nối không dây tầm xa với hiệu suất tiêu thụ điện năng thấp. Từ các dự án đô thị thông minh đến nông nghiệp thông minh hay theo dõi chuỗi cung ứng, LoRa là một lựa chọn lý tưởng để xây dựng các mạng IoT linh hoạt có thể hoạt động ở cả môi trường thành thị và nông thôn.
Nhưng việc phát triển một giải pháp LoRa mới hoặc chuyển đổi sang một giải pháp LoRa có thể được thực hiện dễ dàng đến mức độ nào?
Việc thấu hiểu một công nghệ không dây mới và lựa chọn giải pháp phù hợp cho ứng dụng của bạn có thể không phải là công việc dễ dàng. Thiết kế tần số vô tuyến (RF) thường yêu cầu kiến thức chuyên sâu về lĩnh vực này cũng như phải mất thêm nhiều thời gian, công sức phát triển của các nhà thiết kế.
Bài viết này sẽ nêu ra bốn thành tố chính của kiến trúc mạng LoRa và thảo luận chi tiết về một số thách thức phổ biến nhất mà các nhà thiết kế phải đối mặt trong khi phát triển các thiết bị đầu cuối LoRa. Chúng ta cũng sẽ xem xét việc sử dụng các mô-đun LoRa đã được chứng nhận hợp quy có thể giúp vượt qua những thách thức đó và rút ngắn thời gian đưa sản phẩm ra thị trường như thế nào.
Kiến trúc mạng LoRaWAN
LoRa là một kỹ thuật điều chế ở giao diện vô tuyến hoặc ở lớp vật lý với khả năng cho phép các thiết bị đầu cuối công suất thấp giao tiếp trên khoảng cách lớn. LoRaWAN là một giao thức mạng không dây hoạt động như một lớp Kiểm soát truy cập môi trường (Media Access Control – MAC) và được triển khai trên lớp vật lý LoRa. Thông số kỹ thuật LoRaWAN mô tả chi tiết về giao thức truyền thông và kiến trúc mạng, đồng thời đảm bảo khả năng giao tiếp an toàn cho các thiết bị đầu cuối cũng như khả năng liên thông hoạt động trong mạng.
Mạng LoRa có bốn bộ phận cấu thành như được biểu thị trong hình 1.
Hình 1. Bốn bộ phận cấu thành của mạng LoRa (nguồn: LoRa Alliance)
- Thiết bị đầu cuối là các phần tử của hệ sinh thái LoRa thực hiện việc thu thập dữ liệu cảm biến và gửi/nhận dữ liệu. Chúng thường được kết nối từ xa và hoạt động bằng nguồn pin.
- Thiết bị cổng Gateway là một cầu nối vô hình giữa các thiết bị đầu cuối và máy chủ mạng. Thông thường, các thiết bị đầu cuối sử dụng LoRaWAN để kết nối với gateway, trong khi gateway sử dụng mạng băng thông rộng như WiFi, Ethernet hoặc mạng di động để kết nối với mạng.
- Máy chủ mạng kết nối với nhiều gateway. Máy chủ này thu thập dữ liệu từ các gateway và loại bỏ các thông điệp trùng lặp, quyết định cổng nào sẽ phản hồi các thông điệp của thiết bị đầu cuối và điều chỉnh tốc độ dữ liệu để kéo dài tuổi thọ pin của các thiết bị đầu cuối đó.
- Máy chủ ứng dụng thu thập dữ liệu từ các thiết bị đầu cuối và kiểm soát hoạt động của các thiết bị đầu cuối đó.
Chúng ta cùng xem xét kỹ hơn các thiết bị đầu cuối LoRa và những thách thức, khó khăn trong việc thiết kế chúng.
Những thách thức chung trong việc thiết kế các thiết bị đầu cuối LoRa
Thiết bị đầu cuối là các thực thể đơn giản như cảm biến và thiết bị chấp hành. Thông thường, đây là những “Sự vật-Things” trong Internet Vạn vật (Internet of Things – IoT). Trong hệ sinh thái LoRaWAN, một thiết bị đầu cuối giao tiếp với máy chủ mạng thông qua một hoặc nhiều gateway.
Thông thường, các thiết bị đầu cuối LoRa là các ứng dụng chạy bằng pin giá rẻ cần có hiệu quả cao về mặt chi phí và sử dụng điện năng. Tùy thuộc vào thời gian phát triển, chi phí mục tiêu, mức tiêu thụ điện năng và kiến thức chuyên môn sẵn có về RF, có một số lựa chọn để xây dựng các thiết bị đầu cuối LoRa. Trước khi xem xét các lựa chọn có sẵn để xây dựng thiết bị đầu cuối LoRa, hãy xem xét một số thách thức phổ biến nhất mà các nhà thiết kế phải đối mặt khi thiết kế thiết bị đầu cuối, vì điều đó có thể giúp chúng ta chọn được sản phẩm phù hợp.
Những thách thức phổ biến nhất khi thiết kế kiến trúc thiết bị đầu cuối này bao gồm:
- Thiết kế RF
Cũng giống như với bất kỳ thiết kế không dây nào, cần có chuyên môn sâu về thiết kế RF để thiết kế các thiết bị đầu cuối LoRa. Khi sử dụng SoC / SiP LoRa, nhà phát triển thiết bị đầu cuối chịu trách nhiệm về toàn bộ thiết kế RF, bao gồm sơ đồ, BOM, bố cục PCB, điều chỉnh ăng-ten và các phần cứng RF khác. Ngay cả khi đã có những tài liệu hướng dẫn thiết kế ứng dụng tốt nhất, thiết kế RF không phải lúc nào cũng dễ dàng. Nó không chỉ đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về RF mà còn yêu cầu thêm nhiều thời gian phát triển của các nhà thiết kế. Việc gỡ lỗi các thiết kế RF thường cũng đòi hỏi sử dụng thiết bị chuyên dụng, làm tăng thêm chi phí phát triển. Để vượt qua những thách thức về thiết kế RF, một số nhà sản xuất cung cấp SoC / SiP đi kèm theo tài liệu tốt, thiết kế tham chiếu được chứng nhận hợp quy và gói thiết kế chi tiết chip. Tuy nhiên, để đảm bảo thời gian phát triển ngắn nhất và giảm thiểu rủi ro, mô-đun LoRa đã được tối ưu hóa về mặt RF, được thử nghiệm và chứng nhận hầu như lúc nào cũng là lựa chọn tối ưu. Những mô-đun này có thể cung cấp một giải pháp hoàn chỉnh dưới dạng một thành phần duy nhất, giúp giảm thiểu rủi ro thiết kế và thời gian phát triển.
- Tuân thủ Quy định và Chứng nhận
Các thiết bị vô tuyến LoRa / hoạt động ở băng tần dưới 1 GHz thường hoạt động trong băng tần không cấp phép ISM và tần số khác nhau tùy theo khu vực, gây khó khăn cho các nhà thiết kế phần cứng và phần mềm. Cần phải thận trọng để thiết kế một giải pháp hoàn toàn tuân thủ quy định trong khi vẫn giữ chi phí BOM ở mức tối thiểu. Ngoài ra, các quy định về RF liên tục thay đổi, việc theo kịp những thay đổi về quy định, đo kiểm lại thiết bị và chứng nhận lại tuân thủ có thể tiêu tốn tới vài nghìn đô la cộng thêm thời gian của các công ty phát triển thiết bị đầu cuối dành cho các dự án mới. Việc sử dụng một mô-đun LoRa đã được chứng nhận sẽ giải quyết vấn đề này một cách dễ dàng vì nhà sản xuất mô-đun đảm nhiệm việc đáp ứng các yêu cầu quy định và chứng nhận lại mô-đun theo các thông số kỹ thuật mới nhất. Có thể loại bỏ được toàn bộ chi phí và thời gian để đảm bảo tuân thủ quy định bằng cách chọn một mô-đun LoRa đã được chứng nhận hợp quy.
- Hoạt động ở nhiều khu vực
Thiết bị LoRa hỗ trợ các tần số khác nhau tùy thuộc vào khu vực. Thông thường, các nhà sản xuất thiết bị đầu cuối ra mắt sản phẩm của họ ở một thị trường lớn trước. Khi nhu cầu gia tăng, các công ty sẽ xem xét mở rộng việc cung cấp sản phẩm đó tại các khu vực khác. Việc sử dụng một SKU duy nhất với khả năng hỗ trợ nhiều khu vực, cho phép di chuyển và mở rộng liền mạch thiết bị đầu cuối sang các quốc gia và khu vực khác nhau. Một mô-đun LoRa được chứng nhận hợp quy hoạt động trên nhiều dải tần là giải pháp lý tưởng cho mô hình mở rộng sản phẩm này.
- Phần mềm mạnh mẽ
Thông thường, các mô-đun LoRa tích hợp toàn bộ cấu trúc LoRaWAN bên trong mô-đun và nhà phát triển thiết bị đầu cuối chỉ cần thực hiện quá trình khởi tạo và kết nối mạng cho mô-đun. Với SoCs / SiP LoRa và các mô-đun LoRa độc lập, cấu trúc đó được nhà sản xuất cung cấp hoặc nhà phát triển phải phát triển cấu trúc của riêng họ nếu không có sẵn cấu trúc nào từ nhà sản xuất. Để giảm thiểu công việc phát triển phần mềm, bạn nên lựa chọn mô-đun / IC LoRa được hỗ trợ bởi cấu trúc LoRaWAN của nhà sản xuất. Các cấu trúc LoRaWAN đã được kiểm chứng từ các nhà sản xuất đảm bảo khả năng liên thông hoạt động của các thiết bị đầu cuối với các mạng và gateway LoRaWAN chính, cho phép các thiết bị đầu cuối hoạt động trong các mạng khác nhau với rủi ro tối thiểu.
- Lộ trình chuyển đổi từ các mô-đun sang SoC
Nhiều công ty bắt đầu các nguyên mẫu của họ và triển khai hoạt động sản xuất ban đầu bằng các mô-đun đã được chứng nhận để hạ thấp rủi ro và đẩy nhanh tốc độ đưa sản phẩm ra thị trường. Khi nhu cầu về sản phẩm của họ bắt đầu gia tăng, các công ty có thể quyết định chuyển sang SoC / IC LoRa để nâng cao độ linh hoạt hoặc giảm chi phí linh kiện. Việc chuyển đổi không phải lúc nào cũng dễ dàng, vì vậy điều quan trọng là phải xem xét các mô-đun độc lập với khả năng cho phép chuyển đổi phần mềm dễ dàng giữa các mô-đun và IC. Ngoài ra, điều cần thiết là phải chọn các nhà cung cấp cả mô-đun và SoC sao cho có thể giữ nguyên nền tảng phát triển, hoạt động chuyển đổi phần mềm và cấu trúc hỗ trợ.
Mô-đun LoRa được chứng nhận hợp quy giúp vượt qua thách thức và đơn giản hóa thiết kế thiết bị đầu cuối LoRa
Các mô-đun LoRa bao gồm tất cả mọi thành phần vô tuyến cần thiết cùng cấu trúc LoRaWAN và mạch RF, và điều đó làm cho chúng trở thành giải pháp lý tưởng để phát triển các thiết bị đầu cuối LoRaWAN một cách nhanh chóng hơn. Bởi vì hoạt động phát triển và chứng nhận sản phẩm RF do nhà sản xuất mô-đun thực hiện, bất kỳ thay đổi nào về thông số kỹ thuật chứng nhận hoặc thay thế thành phần đều được nhà sản xuất đảm nhiệm hoàn toàn. Điều đó giúp tiết kiệm được rất nhiều thời gian phát triển cũng như chi phí chứng nhận lại cho các nhà sản xuất thiết bị đầu cuối.
Các mô-đun LoRa độc lập với các IC LoRa có mức độ tích hợp cao cung cấp đủ bộ nhớ để chạy mã ứng dụng cùng với cấu trúc LoRaWAN. Điều đó giúp tránh được yêu cầu phải sử dụng một bộ vi điều khiển bên ngoài, tiết kiệm không gian bo mạch và chi phí hệ thống. Một ví dụ đơn giản về mô-đun độc lập như vậy được trình bày trong hình 2 và 3 dưới đây. Mô-đun WLR089U0 dựa trên dòng IC SAM R34 / 35 của Microchip Technology là một mô-đun nhỏ gọn với 256 KB bộ nhớ flash và 40 KB RAM, rất phù hợp với các ứng dụng có hạn chế về không gian. Ngoài ra, mô-đun đó còn bao gồm một chuyển mạch RF tích hợp, cho phép hoạt động trên nhiều băng tần và có thể sử dụng cùng một mô-đun tại nhiều vùng địa lý, giúp mở rộng thị trường dễ dàng hơn cho các sản phẩm thiết bị đầu cuối. WLR089U0 còn được hỗ trợ bởi cấu trúc LoRaWAN đã được kiểm chứng cũng như phần mềm peer-to-peer độc quyền của Microchip, giúp dễ dàng phát triển phần mềm dành cho những người dùng cuối đang phát triển các ứng dụng LoRa. Vì các mô-đun này dựa trên IC SAM R34 / 35, việc chuyển đổi từ mô-đun sang IC và ngược lại cũng trở nên đơn giản hơn nhiều. Việc lựa chọn một mô-đun như vậy giúp vượt qua tất cả các thách thức thông thường về thiết kế trong quá trình phát triển các thiết bị đầu cuối LoRa, qua đó, đơn giản hóa toàn bộ quy trình thiết kế.
Kết luận
Phát triển các thiết bị đầu cuối LoRa là quá trình phức tạp và tốn nhiều thời gian. Các mô-đun LoRa đã được chứng nhận, có mức độ tích hợp cao mang đến một cách tiếp cận dễ dàng và đã được kiểm chứng để vượt qua những thách thức phức tạp liên quan đến việc thiết kế các thiết bị đầu cuối này. Phần mềm tin cậy, dung lượng bộ nhớ lớn hơn, chuyển mạch RF tích hợp và chứng nhận hợp quy là một số tính năng chính mà bạn cần tìm kiếm ở các mô-đun LoRa. Việc lựa chọn một mô-đun LoRa đã được chứng nhận không chỉ giúp đơn giản hóa quá trình thiết kế mà còn cho phép các nhà phát triển thiết bị đầu cuối tạo ra sự khác biệt cho phẩm của họ cũng như đưa các sản phẩm đó ra thị trường nhanh hơn.
Để tìm hiểu thêm thông tin, vui lòng truy cập: www.microchip.com.
