La tecnología LoRa® (de largo alcance) está ampliando el alcance del Internet de las cosas (IoT) al combinar la conectividad inalámbrica de largo alcance con el rendimiento de baja potencia. Desde las ciudades inteligentes hasta la agricultura inteligente y el seguimiento de la cadena de suministro, LoRa es una opción ideal para crear redes flexibles de IoT que puedan funcionar tanto en entornos urbanos como rurales.

Pero, ¿es realmente fácil desarrollar una nueva solución LoRa o migrar a una?

Comprender una nueva tecnología inalámbrica y elegir la solución adecuada para su aplicación puede ser agotador. El diseño de la radiofrecuencia (RF) inalámbrica suele requerir una profunda experiencia en RF y añade un tiempo de desarrollo significativo para los diseñadores.

Este artículo presentará los cuatro elementos principales de la arquitectura de red LoRa y analizará en detalle algunos de los retos más comunes a los que se enfrentan los diseñadores al desarrollar nodos finales LoRa. También veremos cómo los módulos LoRa certificados por la normativa pueden ayudar a superar estos retos y reducir el tiempo de comercialización.

Arquitectura de la red LoRaWAN
LoRa es una técnica de modulación inalámbrica o capa física que permite a los dispositivos finales de baja potencia comunicarse a larga distancia. LoRaWAN es un protocolo de red inalámbrica que actúa como capa de control de acceso al medio (MAC) y se implementa sobre la capa física de LoRa. La especificación de LoRaWAN detalla el protocolo de comunicación y la arquitectura de la red y tiene como objetivo proporcionar una comunicación segura de los dispositivos finales y la interoperabilidad dentro de la red.
La red LoRa tiene cuatro elementos, como se muestra en la figura 1.

1. Los nodos finales son elementos del ecosistema LoRa que recogen los datos de los sensores y transmiten/reciben los datos. Por lo general, se conectan a distancia y se alimentan con baterías.
2. La pasarela es un puente transparente entre los nodos finales y el servidor de la red. Normalmente, los nodos finales utilizan LoRaWAN para conectarse a la pasarela, mientras que la pasarela utiliza redes de gran ancho de banda como WiFi, Ethernet o celular para conectarse a las redes.
3. Un servidor de red se conecta a varias pasarelas. Recoge los datos de las pasarelas y filtra los mensajes duplicados, decide qué pasarela debe responder a los mensajes de los nodos finales y adapta la velocidad de los datos para prolongar la duración de la batería de los nodos finales.
4. El servidor de aplicaciones recoge los datos de los nodos finales y controla las acciones de los dispositivos de los nodos finales.
Veamos con más detalle qué son los nodos finales LoRa y los retos que plantea su diseño.
Desafíos comunes en el diseño de los nodos finales LoRa
Los nodos finales son objetos simples, como sensores y actuadores. Normalmente, son las "cosas" del Internet de las cosas (IoT). En el ecosistema LoRaWAN, un nodo final se comunica con el servidor de red a través de una o varias pasarelas.
La mayoría de las veces, los nodos finales LoRa son aplicaciones de bajo coste alimentadas por baterías que deben ser muy eficientes en cuanto a costes y energía. Dependiendo del tiempo de desarrollo, los costes del objetivo, el consumo de energía y la experiencia en RF disponible, hay varias opciones disponibles para construir nodos finales LoRa. Antes de analizar las opciones disponibles para construir nodos finales LoRa, veamos algunos de los retos más comunes a los que se enfrentan los diseñadores al diseñar nodos finales, que pueden ayudarnos a elegir el producto adecuado.

Los retos más comunes a la hora de diseñar esta arquitectura de nodos finales son:
1. Diseño RF
Al igual que con cualquier diseño inalámbrico, se necesita una gran experiencia en el diseño de RF para diseñar nodos finales LoRa. Cuando se utilizan SoCs/SiPs LoRa, el desarrollador del dispositivo de nodo final es responsable de todo el diseño de RF, incluidos los esquemas, la lista de materiales, el diseño de la PCB, el ajuste de la antena y otro hardware de RF. Incluso con la mejor documentación y guías de diseño de aplicaciones, el diseño de RF no siempre es fácil. No sólo requiere profundos conocimientos de RF, sino que también supone un tiempo de desarrollo considerable para los diseñadores. La depuración de los diseños de RF suele requerir también equipos especiales que aumentan los costes de desarrollo. Para superar los retos del diseño de RF, algunos proveedores ofrecen SoCs/SiPs que cuentan con una excelente documentación, diseños de referencia certificados por la normativa y paquetes de diseño detallados para el chip. Sin embargo, para obtener el menor tiempo de desarrollo y reducir el riesgo, un módulo LoRa optimizado, probado y certificado para RF es casi siempre la mejor opción. Estos módulos pueden proporcionar una solución completa como un único componente, reduciendo el riesgo de diseño y los tiempos de desarrollo.

2. Cumplimiento de la normativa y certificaciones
Las radios LoRa/sub-GHz suelen operar en la banda libre de licencias ISM y las frecuencias varían según la región, lo que supone un reto para los diseñadores de hardware y software. Hay que tener mucho cuidado para diseñar una solución que cumpla con la normativa y mantener los costes de la lista de materiales al mínimo. Además, los requisitos normativos en materia de radiofrecuencia cambian constantemente, por lo que mantenerse al día con los cambios normativos, volver a probar los dispositivos y volver a certificarlos para su cumplimiento puede costar varios miles de dólares y tiempo de ingeniería a las empresas desarrolladoras de nodos finales que pueden dedicarse a nuevos proyectos. El uso de un módulo LoRa certificado resuelve este problema fácilmente, ya que el fabricante del módulo se encarga de mantenerse al día con los requisitos reglamentarios y de volver a certificar los módulos según las últimas especificaciones. Todos estos costes y el tiempo invertido en el cumplimiento de la normativa pueden evitarse por completo si se elige un módulo LoRa certificado por la normativa.

3 Funcionamiento multirregión
Los dispositivos LoRa admiten varias frecuencias dependiendo de la región. A menudo, los fabricantes de nodos finales lanzan primero sus productos finales en una región importante. Una vez que la demanda aumenta, las empresas investigan la expansión del mismo diseño en otras regiones. Disponer de una única referencia que admita varias regiones permite la migración y expansión sin problemas del producto final a diferentes países y regiones. Un módulo LoRa con certificación reglamentaria que funciona para múltiples bandas de frecuencia es ideal para este tipo de expansión del producto.

4 Software robusto
Generalmente, los módulos LoRa integran toda la pila LoRaWAN dentro del módulo y el desarrollador del nodo final sólo necesita implementar la inicialización y la comunicación con el módulo. Con los SoCs/SiPs LoRa y con los módulos LoRa independientes, la pila debe ser proporcionada por el fabricante o el desarrollador debe desarrollar su propia pila si no se proporciona ninguna. Para minimizar el desarrollo de software, se recomienda elegir módulos/IC LoRa que sean compatibles con la pila LoRaWAN del fabricante. Las pilas LoRaWAN probadas de los fabricantes garantizan la interoperabilidad de los nodos finales con las principales redes y pasarelas LoRaWAN, lo que permite a los nodos finales trabajar en diferentes redes con un riesgo reducido.

5 Ruta de migración de los módulos a los SoC
Muchas empresas comienzan sus prototipos y series de producción iniciales con módulos certificados para reducir el riesgo y conseguir que sus productos lleguen más rápido al mercado. Una vez que su producto empieza a crecer, las empresas pueden decidir pasar a SoCs/CIs LoRa para aumentar la flexibilidad o reducir los costes de la lista de materiales. La migración no siempre es fácil, por lo que es muy importante tener en cuenta los módulos independientes que permiten una migración sencilla del software entre los módulos y los CIs. Además, es esencial elegir proveedores que vendan tanto módulos como SoC, para que la plataforma de desarrollo, la migración de software y la estructura de soporte sigan siendo las mismas.
Los módulos LoRa con certificación reglamentaria ayudan a superar los retos y a simplificar los diseños de nodos finales LoRa
Los módulos LoRa constan de todos los componentes de radio necesarios junto con la pila LoRaWAN y los circuitos de RF, lo que los hace ideales para un desarrollo más rápido de los dispositivos finales LoRaWAN. Dado que el desarrollo de RF y la certificación corren a cargo del fabricante del módulo, cualquier cambio en las especificaciones de certificación o la sustitución de componentes son gestionados completamente por el fabricante, lo que ahorra mucho tiempo de desarrollo y costes de recertificación a los fabricantes de dispositivos finales.
Los módulos LoRa autónomos con circuitos integrados LoRa altamente integrados proporcionan suficiente memoria para ejecutar el código de la aplicación junto con la pila LoRaWAN. Esto elimina la necesidad de un microcontrolador externo, ahorrando espacio en la placa y costes del sistema. En las figuras 2 y 3 se muestra un ejemplo sencillo de este módulo autónomo. El módulo WLR089U0, basado en la familia de circuitos integrados SAM R34/35 de Microchip Technology, es un módulo compacto con 256 KB de memoria flash y 40 KB de memoria RAM, lo que lo hace ideal para aplicaciones con limitaciones de espacio. Además, el módulo incluye un conmutador de RF integrado, lo que permite el funcionamiento multibanda y que el mismo módulo se utilice en varias zonas geográficas, facilitando la expansión del mercado de los productos finales. El WLR089U0 también es compatible con la pila LoRaWAN probada de Microchip y el software propietario peer-to-peer, lo que facilita el desarrollo de software para los usuarios finales que están desarrollando aplicaciones LoRa. Como los módulos se basan en los CIs SAM R34/35, la ruta de migración también es mucho más sencilla de los módulos a los CIs y viceversa. La elección de un módulo de este tipo ayuda a superar todos los retos de diseño habituales al desarrollar nodos finales LoRa, simplificando todo el proceso de diseño.

Conclusión

El desarrollo de nodos finales LoRa puede ser complejo y llevar mucho tiempo. Los módulos LoRa altamente integrados y certificados ofrecen un enfoque fácil y probado para superar los complejos retos que supone el diseño de estos nodos finales. Software fiable, mayor memoria, interruptores de RF integrados y certificaciones reglamentarias son algunas de las características clave que hay que buscar en los módulos LoRa. Elegir un módulo LoRa altamente certificado no sólo ayuda a simplificar el proceso de diseño, sino que también permite a los desarrolladores de nodos finales diferenciar con éxito sus productos y lanzarlos al mercado más rápidamente.

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