Khi xây dựng các ứng dụng cảm biến chạy bằng pin phân tán dựa vào việc truyền tải lượng nhỏ dữ liệu ở khoảng cách xa, phải đáp ứng ba yêu cầu cốt lõi: các thành phần tiêu thụ điện năng cực thấp, độ tin cậy trong môi trường không được kiểm soát và kiến trúc tương đối đơn giản và có thể mở rộng. Điều này làm cho LoRaWAN (Mạng diện rộng tầm xa) trở thành lựa chọn lý tưởng cho các tình huống như tòa nhà thông minh, môi trường khuôn viên trường, bán lẻ và giám sát công nghiệp.
Các ứng dụng LoRaWAN có phạm vi truyền dẫn vài dặm, tuổi thọ pin vài năm và lợi thế về hiệu quả chi phí. Giao tiếp LoRaWAN có thể bao phủ các trang trại hoặc nhà máy thông qua một cổng duy nhất mà không cần định tuyến mạng di động, Wi Fi hoặc mạng lưới.
Năm 2015, với sự hỗ trợ của Liên minh LoRa, LoRaWAN chính thức được thành lập dưới dạng kiến trúc mạng và lớp MAC mở. Đây là kiến trúc và giao thức mạng không dây mở, tiêu thụ điện năng thấp, vượt trội hơn các giải pháp thay thế như IoT di động, Wi Fi, BLE, Zigbee, Thread và radio phụ GHz độc quyền về khả năng mở rộng, tính đơn giản và khả năng tương tác.
Liên minh hợp tác giữa Digi và SparkFun dự kiến sẽ đẩy nhanh quá trình từ ý tưởng khái niệm đến triển khai thực tế. Liên minh tích hợp nền tảng X-ON edge của Digi vào nền tảng đám mây IoT với phần cứng của SparkFun, cũng như bộ vi điều khiển Raspberry Pi.
Cụ thể, các nhà thiết kế có thể sử dụng bảng phát triển SparkFun 26060 IoT Node (Hình 1), bảng này có các mô-đun thu phát không dây Digi XBee LR tích hợp và Raspberry Pi 2350A mạnh mẽ.
Hình 1: Nút IoT SparkFun 26060 được trang bị bộ thu phát Digi XBee tích hợp, cho phép kết nối với nền tảng đám mây Digi X-On. (Nguồn ảnh: SparkFun)
Mô-đun này được tự động kết nối với nền tảng IoT đám mây Digi X-ON thông qua cổng Digi HX15 LoRaWAN (Hình 2). Cổng này có thể được mua riêng hoặc được cung cấp như một phần của bộ SparkFun 27213 Digi X-ON (phiên bản Bắc Mỹ).
Hình 2: Cổng HX15 của Digi cung cấp giao diện dữ liệu cho cảm biến LoRaWAN và có thể được kết nối với nền tảng đám mây Digi X-ON thông qua Ethernet hoặc mạng LTE tùy chọn. (Nguồn ảnh: Digi International)
Hệ sinh thái SparkFun Qwiic Connect đơn giản hóa đáng kể quá trình mở rộng phần cứng với thư viện liên tục mở rộng gồm hơn 100 cảm biến, bộ truyền động và màn hình cắm và chạy. Tất cả các thành phần của hệ thống được kết nối với nhau thông qua giao diện I ² C phổ quát và các đầu nối JST 4 chân được tiêu chuẩn hóa. Nút IoT của SparkFun đi kèm với chương trình cơ sở được biên dịch sẵn giúp tự động phát hiện các cảm biến SparkFun Qwiic được kết nối và truyền dữ liệu qua LoRaWAN bằng mô-đun Digi XBee LR. Mô-đun này được kết nối với cổng HX15 và đẩy dữ liệu lên nền tảng đám mây Digi X-ON thông qua Ethernet hoặc LTE tùy chọn. Digi X-ON có khả năng truyền được mã hóa từ cổng tới đám mây, kiểm soát truy cập người dùng an toàn và khả năng quản lý siêu dữ liệu ở cấp thiết bị.
Đối với các nhà thiết kế, không cần thiết lập cổng hoặc đăng ký LoRaWAN. Họ có thể sử dụng chức năng truy cập cảm biến cấu hình bằng 0 để đạt được luồng dữ liệu sẵn sàng trên đám mây từ các nút đến đám mây mà không cần cấu hình người dùng, mã hóa hoặc cài đặt proxy MQTT trong suốt quá trình. Điều này làm cho việc tạo nguyên mẫu nhanh, xác thực khái niệm hoặc triển khai hoạt động hầu như không cần (nếu cần) dựa vào LoRa hoặc kiến thức chuyên môn về công nghệ đám mây.
Các nhà thiết kế có thể tinh chỉnh tốc độ lấy mẫu, thêm hỗ trợ cho nhiều cảm biến Qwiic hơn hoặc điều chỉnh các định dạng tải trọng mà không cần bắt đầu lại từ đầu. Nền tảng Digi X-ON cung cấp chế độ xem tập trung về tất cả các nút được triển khai, theo dõi thời gian chạy, thời lượng pin, chất lượng tín hiệu và lịch sử kết nối - tất cả các chỉ báo chính để khắc phục sự cố và tối ưu hóa mạng cảm biến phân tán.
Tính linh hoạt của quy trình làm việc
RP2350 cung cấp tính linh hoạt trong quy trình làm việc độc đáo cho các nhà thiết kế sản phẩm, hỗ trợ phát triển ứng dụng dựa trên Arduino, MicroPython và C/C++ (sử dụng Pico SDK). Do khả năng tương thích với cả ba môi trường phát triển, SparkFun IoT Node cung cấp cho các nhà thiết kế nhiều sự lựa chọn và tính linh hoạt, cho phép quy trình làm việc phù hợp với kỹ năng chuyên môn của họ - từ kéo và thả tập lệnh trong Python đến phát triển mã C được tối ưu hóa bằng cách sử dụng khả năng tăng tốc phần cứng.
Các nhà thiết kế có thể nhanh chóng phát triển các nguyên mẫu ứng dụng trong MicroPython, thử nghiệm các cảm biến tương thích Qwiic trong môi trường thời gian thực hoặc điều chỉnh khoảng thời gian lấy mẫu. Khi dự án tiến triển, họ có thể chuyển đổi liền mạch sang môi trường Arduino hoặc C++ thuần túy để tối ưu hóa mức tiêu thụ điện năng, mức sử dụng bộ nhớ hoặc hiệu suất I/O. SparkFun cũng cung cấp các hình ảnh MicroPython được biên dịch sẵn được tùy chỉnh riêng cho các mô-đun IoT của nó.
Khi các thiết bị IoT bắt đầu gửi dữ liệu, X-ON sẽ cung cấp bảng điều khiển để theo dõi chỉ số cảm biến, kiểm tra trạng thái thiết bị và thậm chí đẩy các bản cập nhật chương trình cơ sở từ xa. Các nhà thiết kế sản phẩm có thể liên tục cải tiến thiết kế của mình mà không cần tiếp xúc thực tế với thiết bị.
Giải pháp hợp tác này cung cấp giải pháp lý tưởng cho việc thử nghiệm ứng dụng tại chỗ hoặc mở rộng quy mô dự án thí điểm của các hệ thống cảm biến chạy bằng pin phân tán. Thiết kế gia cố của cổng HX15, kiến trúc đám mây an toàn của Digi X-ON và ngăn xếp chương trình cơ sở được cấu hình tự động đều có thể giảm bớt khó khăn khi triển khai từ phòng thí nghiệm đến triển khai tại chỗ. Các nhà thiết kế có thể tiến hành thử nghiệm ứng dụng dựa trên dữ liệu cảm biến thực tế trong môi trường thực, sau đó chỉ cần sao chép cấu hình nút và cổng để đạt được khả năng mở rộng mà không cần phát triển chương trình cơ sở hoặc tích hợp đám mây.
Mô-đun IoT của SparkFun dựa trên RP2350, nền tảng X-ON của Digi và hệ sinh thái vi điều khiển linh hoạt của Raspberry Pi cung cấp một lộ trình đơn giản hóa độc đáo từ nguyên mẫu đến triển khai. Cho dù thử nghiệm các cảm biến mới, xác minh phạm vi truyền LoRaWAN hay tối ưu hóa mức tiêu thụ điện năng, sự kết hợp này có thể hỗ trợ thăm dò thử nghiệm đồng thời đáp ứng các yêu cầu khắt khe về thiết kế sẵn sàng sản xuất.
Bằng cách sử dụng phần cứng mở và kết nối được tiêu chuẩn hóa, các nhà thiết kế có thể đảm bảo rằng các dự án IoT của họ có khả năng thích ứng và độ bền tốt trong quá trình phát triển. Khi yêu cầu của dự án phát triển, các ứng dụng được xây dựng trên nền tảng này cũng có thể duy trì tính di động và linh hoạt mạnh mẽ hơn.