Wio Terminal LoRaWAN i GNSS modul recenzija

2022. godine smo napisali u našoj recenziji: „Wio Terminal je odlična razvojna platforma sa brojnim perifernim uređajima i odličnim materijalima za učenje – gde su samo najnaprednije funkcije ostale pomalo nedokumentovane. Za neverovatno nisku cenu, teško joj je naći zamerku.“ U međuvremenu je proizvod odlično prihvaćen i Seeed Studio je, razumno, odlučio da do tančina podrži ovu platformu. Pored mnoštva dodataka, izdvojili smo dva. Prvi koje smo predstavili je bilo 650 mAh baterijsko napajanje koje je u isto vreme i konektorski HUB sa šest dodatnih Grove konektora. A drugo, koje smo istovremeno dobili od kompanije Seeed Studio za potrebe recenzije je integrisani LoRaWAN i GNSS modul.

LoRaWAN

LoRaWAN je danas izuzetno interesantan protok kada se zahteva veliki domet – a njegov je i do 20 km na otvorenom i oko 5 km u naseljenom mestu, sigurnost dvosmerne komunikacije sa end-to-end enkripcijom i mala energetska zahtevnost – odnosno mogućnost realizacije dugotrajnog rada baterijski napajanog uređaja. LoRaWAN IoT u Evropi radi na frekvenciji od 863 do 870 MHz. Taj opseg je neregulisan, tj slobodan za korišćenje. To znači da je u njemu dozvoljeno emitovanje radio signala bez korišćenja nekog od lokalnih telekomunikacionih operatera. Upravo mogućnost da samostalno možete da kreirate radio mrežu jedna je od prednosti ovog komunikacionog protokola.

Dobro je sada reći da postoji još jedan, uslovno sličan protokol sa velikim dometom, energetski efikasan i sa ugrađenim visokim nivoom sigurnosti. U pitanju je NB-IoT. Koliko god LoRaWAN ima izuzetan domet na otvorenom prostoru, u naseljenim mestima – u zgradama, među zidovima on se drastično smanjuje do granice neupotrebljivosti. NB-IoT upravo tu čini razliku, jer koristi kanale celularne telefonije. Ovim se odmah otkriva i mana – opseg je pod kontrolom lokalnih telekomunikacionih provajdera i striktnih regulativa, a za korišćenje ovih uređaja neophodno je plaćanje usluga provajderu.

Odluka o izboru između ova dva protokola zavisiće od potreba. Dok je za upotrebu u naseljenim mestima, unutar zgrada ili ispod površine zemlje NB-IoT „prava stvar“ – te ga zato koristi zdravstvo, gradske servisne službe, oni koji vrše nadzore nad objektima ili brinu o funkcionisanju javnih garaža, LoRaWAN je izbor kada su uređaji u mreži „rasuti“ na velikom otvorenom prostoru kao što su prostrani fabrički krugovi, rafinerije, solarne elektrane, ali i poljoprivredna gazdinstva ili raštrkane stanice za prikupljanje klimatskih uslova ili podataka o stanju na putevima van grada. Kada govorimo o primenama u pametnoj poljoprivredi fokus LoRaWAN upotrebe je nadzor i lociranje životinja, praćenje parametara zemljišta ili identifikacija pojave bolesti i najezda štetočina na velikom prostoru. Meteo merenja, kao i stanja vodotoka ili kvaliteta vazduha česte su primene LoRaWAN-a u današnjem svetu.

Zbog cene i jednostavnosti implementacije sve češće se koristi za praćenje stanja merača protoka tečnosti ili gasova vodovoda, u naftnoj industriji ili energetici, posebno kada su merna mesta udaljena i teško pristupačna.

LoRaWAN omogućava instalaciju i dugotrajno povremeno korišćenje uređaja bez dopune baterija na mobilnim platformama, pa se u okviru fabričkih krugova, otvorenih stovarišta ili kontrolisanog prostora mogu efikasno pratiti promene stanja vozila ili predmeta unutar zone koju pokriva LoRaWAN radio.

Hardver

Kao što se vidi na naslovnoj fotografiji, u simpatično-upadljivo-veselo zelenoj kartonskoj kutiji dolazi nam LoRaWAN i GNSS modul za Wio Terminal. U kućištu koje je izrađeno 3D štampom nalazi se samo jedna ploča sa oba komunikaciona modema i uz nju dolazi i eksterna LoRaWAN antena. Kućište čine dva 3D odštampana dela koja se u vidu sendviča sa PCB pločom u sredini zatvaraju uz pomoć četiri zavrtnja.

Na slici ispod se jasno vidi razlika u materijalu kućišta po boji plastike od kojih su izrađena. Upotrebno 3D štampano kućište nema mana, ali je osećaj mejkerski i kao da signalizira malu i namensku proizvodnu seriju.

Dimenzije zatvorene kutije su identične dimenzijama Wio Terminala i moguće je naređati jedan na drugi: Wio Terminal, baterijski modul i na dnu LoRaWAN i GNSS modul. Redosled mora biti ovaj zbog hedera koji je jedino na baterijskom modulu dvostran, dok je na Wio Terminalu sa donje strane i to ženski, a na LoRaWAN i GNSS modulu sa gornje strane i to muški. Kao takav direktno se ubada u konektor u Wio Terminalu, ali ne koristi sve njegove linije. Konektori su jedini način kako se moduli međusobno pričvršćuju, ali je obzirom na malu masu i dimenzije svakog od njih ova veza veoma čvrsta.

Pločica koja je ovde srž elektronike ima dva komunikaciona modula, jedan za LoRaWAN, a drugi za GNSS. Seeed Studio LoRa-E5-HF ili Wio-E5 bežični LoRaWAN modul kako se još može naći na Seeed Studio sajtu u sebi ima STM32WLE5JC mikrokontroler (ARM Cortex-M4 na 48 MHz) i embedovan Semtech SX1262(8). Modul podržava LoRaWAN EU868 i US915, u skladu sa evropskim i američkim regulativama respektivno na 868 MHz i 915 MHz. Po specifikacijama pokriva i druge frekvencije regulisane u drugim krajevima sveta: AU915, AS923, KR920 i IN865.

Izabrani STM32WLE5JC je „kombo“ čip koga čine MCU i LoRa radio. MCU izvršava LoRa, (G)FSK (frekventna modulacija opciono sa gausovim filterom), BPSK (binarna fazna modulacija) i (G)MSK (minimalna modulacija sa opcionim gausovim filterom – posebna tehnika digitalne modulacije pogodna za GSM i satelitske komunikacije) modulacije signala.

STM čip stoga kreira LoRa fizički sloj za LoRaWAN. U modulu je embedovan i Semtech SX1262(8) bežični transiver sa +22dBm pojačivačem signala koji obezbeđuje LoRaWAN lejer za prenos podataka.

Seed Studio LoRa-E5-HF modul je rejtovan za industrijsku primenu i može naći i kao odvojen proizvod sa cenom oko $6.5, a postoji i specifičan razvojni sistem za njega. Za korisnike posebna pogodnost ovog SMT čipa je njegov firmver sa AT komandama koji se može menjati.

Na LoRa modulu je nalepnica sa QR kodom koji nosi njegov jedinstveni DevEUI (Device Extended Unique Identifier) dužine 8 bajtova, a koji će vam biti potreban pri registraciji, odnosno aktivaciji (Over-the-Air Activation – OTAA) uređaja na LoRaWAN mrežu. Na ploči, uz ivicu kod LoRaWAN modula je i konektor za antenu, koja se takođe dobija u ovom kompletu.

GNSS

Na drugoj polovini ploče nalazi se Quectel L76-LB GNSS modul koji omogućava konkurentan prijem GPS (USA), GLONASS (Rusija), BeiDou (Kina) i QZSS (Japan) kroz 33 tracking, 99 akvizicionih i 210 PRN kanala. Mogućnost da se istovremeno prate sateliti različitih standarda u svakom trenutku povećava broj dostupnih satelitskih izvora, time i bržu i tačniju geolokaciju. Današnja tehnologija, koju ovaj Quectel L76-LB zadovoljava pruža mogućnost lociranja sa greškom do 0.3 m. Za razliku od LoRaWAN antene koja je eksterna, GNSS je montirana na samoj ploči i nalazi se stoga unutar kućišta.

Plastični oklop ne smeta prijemu GNSS signala, ali građevine smetaju i to poprilično. Naš test unutar objekta od betona u brutalističkom stilu, bez obzira na blizinu prozora i njihovu veličinu modul nije uspevao da vidi ni jedan satelit. U retkim slučajevima i veoma kratko – red veličine desetak sekundi – uspevao je da prepozna 3 do 4 satelita i da prikaže vreme i datum, dok bi pozicija bila promašena za oko 50-tak metara u svim pravcima – čak i u visinu.

Kada smo komplet (Wio terminal+Baterijski modul+LoRaWAN i GNSS modul) izneli napolje, u slobodan prostor za desetak sekundi povezao se sa 7 satelita. Na osnovu dobijenih podataka proračunata lokacija je bila praktično 100% tačna.

Softver i primena

Ovaj dodatak Wio Terminal ekosistemu proširuje mogućnost primene na izdvojenim ili mobilnim pozicijama pre svega u ruralnim oblastima i na otvorenom uz mogućnost baterijskog napajanja. Odličan domet u tom slučaju i pokrivenost GNSS satelitima učiniće da Wio Terminal bude uređaj za praćenje i lociranje ili edge IoT tačka za obradu i povremeno slanje podataka prikupljenih sa senzora u polju.

Set se u kombinaciji sa Wio Terminalom može posmatrati kao mejkerski, ali je realno on najviše edukativan i odgovara naprednim STEM kursevima u kojima se realizuju projekti upotrebne vrednosti.

Ono što smo i dosada znali i upoznali se u radu sa Wio Terminalom da je on podržan od strane Edge Impulse portala na kome se i sa besplatnom licencom mogu realizovati do tri nezavisna ML projekta. ML model je statistički model koji na osnovu prikupljenih podataka za neko stanje sa određenim nivoom poverenja može odrediti da li se tekuće stanje može smatrati predefinisanom. Dakle, kao primer uzmimo kuvalo sa poklopcem za vodu. Definišimo tri stanja: voda je hladna, voda se zagreva i najzad voda je proključala. Postavimo senzor vibracija na poklopac ketlera i uzorkujmo njegova očitavanja u sva tri stanja zagrejanosti vode. Edge Impulse ovde „uskače“ i može nam pomoći da se rezultati prikupe, obrade i najzad kreira ML model za Wio Terminal. Kroz nekoliko projekata na Seeed Studio Wiki sajtu data su objašnjena za povezivanje Wio Terminala i kreiranje modela, odnosno Arduino biblioteke. Obratite pažnju na jedan propust u on-line uputstvu, naime za ML odlučivanje je neophodno da se definišu bar dva stanja: uobičajeno i ono koje detektujemo. Naravno stanja koje detektujemo može biti i više, kao u našem slučaju. Voda je hladna bez vibracija je uobičajeno stanje. Voda se zagreva sa manjim vibracijama je prvo stanje koje se detektuje, dok je finalno, treće (drugo koje treba da se prepozna) stanje kada voda proključa.

Ovako prikupljene podatke možemo slati preko LoRaWAN mreže. Za prenos podataka, razumljivo, potrebne su dve tačke. Jedna je udaljena od upravljačkog centra, na mestu gde se nalazi senzor ili senzori čija očitavanja šaljemo. No, sa ML sposobnim edge uređajem, kakav je Wio Terminal možemo na licu mesta odrediti stanje uz neki stepen verovatnoće i u slučaju potrebe poslati samo informacioni signal koji ga identifikuje. LoRaWAN je upravo pogodan za slanje periodičnih informacionih signala na veliku udaljenost, pa je ova aplikacija njemu daleko primerenija.

No da bi imao kome da šalje, potreban je LoRaWAN Gateway na drugoj, prijemno/komandnoj strani i on mora formirati LoRaWAN mrežu. Pogodno je za tu svrhu iskoristiti još jedan Wio Terminal sa LoRaWAN i GNSS modulom ili neki drugi LoRaWAN sposoban uređaj koji bi mogao da identifikuje naš udaljeni čvor i od njega primi podatke.

Najzad programiranje i potrebne biblioteke su date za Arduino IDE i PlatformIo u Visual Code Studio-u. Najnovija biblioteka za Seeed SAMD Boards u Arduino IDE, verzija 1.8.5 nam je pravila probleme prilikom kompilacije programskih primera sa Seeed Studio Wio Terminal Wiki sajta, promenom na 1.8.1 sve je bilo OK.

Zaključak

Seeed Studio LoRaWAN i GNSS modul za Wio Terminal se na kraju pokazao kao odličan dodatak koji otvara Wio Terminal ekosistem za LoRaWAN komunikacije i omogućava precizno geolociranje na otvorenom. On ima svoje limitacije kada su u pitanju zatvoreni prostori, i to sa oba komunikaciona modula, gde mu upotrebljivost opada, a u većini slučajeva i potpuno prestaje. Dakle, ako planirate rad u zatvorenom, nemojte ni pomišljati da koristite GNSS, dok će LoRaWAN funkcionisati ukoliko je gateway relativno blizu, ponajbolje u istoj prostoriji ili antenu izmestite na otvoreni prostor.

Kada smo izašli na slobodan prostor, bez obzira na oblačnost ili teške snežno-kišne uslove modul je radio savršeno, energetski oslanjajući svoj rad potpuno na bateriju. Mi nemamo pokazatelj stanja Wio Terminal baterije koju posedujemo, ali možemo reći da je aplikacija sa upaljenim ekranom Wio Terminala radila oko 4 sata. Nije sjajno i svakako se mora povesti računa o optimizaciji potrošnje u sopstvenom projektu. No, LoRaWAN i nije zamišljen za kontinuirani prenos signala, već bi idealan slučaj da uređaj bude u sleep ili deepsleep modu, a da se iz njega budi interaptom koga inicira ulazni signal sa nekog senzora, tajmer periodično ili na neki drugi način.

Cena ovog modula je $32.90, sam Wio Terminal bez koga ne radi je dodatnih $29, a opcione baterije od 650 mAh je $25.2. Dakle, za $60 do $90 ćete dobiti razvojno okruženje, sasvim STEM upotrebljivo, u kome ćete u Arduino IDE-u moći da proučavate LoRaWAN primene uz inkorporiranje tehnologija GNSS geolokacije. Ako ovo posmatrate kao korak ka boljem razumevanju tih tehnologija, kao učenje koje može čak iznedriti realno upotrebljiv projekat, onda je veoma interesantna opcija. Posebno ako se uzme u obzir spremnost Seeed Studio-a da podrži ovaj modul, u krajnjoj instanci i svoj LoRa-E5-HF ne samo kroz informacionu bazu, već i sa nekoliko pratećih razvojnih sistema za sam LoRa-E5-HF modul. Ovo može biti i vaš korak ka industrijskoj primeni LoRaWAN komunikacija, kao i primeni u pametnoj poljoprivredi ili nadzoru stanja životne sredine, ili nešto poput IIoT nadgledanja u industriji.