LoRaWAN – тэхналогія, якая хутка набірае папулярнасць у сферы рашэнняў інтэрнэту рэчаў. Пры гэтым для многіх кліентаў застаецца малавывучанай і экзатычнай, з-за чаго вакол яе існуе мноства міфаў і памылак. У 2018 годзе ў Расіі былі прыняты папраўкі ў заканадаўства аб выкарыстанні частот LoRaWAN, якія пашыраюць магчымасці выкарыстання гэтай тэхналогіі без ліцэнзіі. Мы лічым, што зараз найлепшы момант для пачатку выкарыстання гэтай тэхналогіі ў вырашэнні рэальных бізнес-задач.
У артыкуле мы разгледзім асноўныя прынцыпы працы LoRaWAN, варыянты пабудовы ўласнай сеткі і выкарыстання іншых правайдэраў, а таксама раскажам аб нашых прадуктах, якія падтрымліваюць LoRaWAN.
Што такое LoRaWAN
LoRaWAN – набор пратаколаў, якія вызначаюць фізічны і сеткавы ўзроўні перадачы дадзеных для маламагутных прылад з нізкім энергаспажываннем, які працуе на вялікіх адлегласцях. Абрэвіятура LoRa азначае Long Range, гэта значыць вялікія адлегласці перадачы дадзеных, a WAN (Wide Area Network) азначае, што пратакол апісвае яшчэ і сеткавы ўзровень.
У адрозненне ад шырока вядомых стандартаў бесправадной сувязі GSM/3G/LTE/WiFi, LoRaWAN першапачаткова праектаваўся для адначасовага абслугоўвання вялікай колькасці маламагутных абаненцкіх прылад. Таму асноўны ўпор зроблены на абароненасць ад перашкод, энергаэфектыўнасць і далёкасць дзеяння. Пры гэтым максімальныя хуткасці перадачы дадзеных абмежаваныя ўсяго некалькімі кілабітамі за секунду.
Падобна сотавай сетцы, у LoRaWAN ёсць абаненцкія прылады і базавыя станцыі. Далёкасць сувязі абаненцкай прылады з базавай станцыяй можа дасягаць 10км. Пры гэтым абаненцкія прылады звычайна маюць аўтаномнае харчаванне ад батарэі і большую частку часу знаходзяцца ў энергазберагальным рэжыме, прачынаючыся зрэдку для кароткачасовага абмену дадзенымі з серверам. Так, напрыклад, лічыльнікі вады могуць прачынацца раз у некалькі дзён і перадаваць бягучае значэнне спажытага аб'ёму вады на сервер, а ўвесь астатні час знаходзяцца ў спячым рэжыме. Такі падыход дазваляе атрымаць прылады, якія працуюць да некалькіх гадоў без неабходнасці замены акумулятараў. Задача прылад LoRaWAN максімальна хутка перадаць/атрымаць патрэбныя дадзеныя ад базавай станцыі і вызваліць эфір для іншых прылад, таму ў сетцы існуюць строгія правілы на час, займанае ў эфіры. Прылады перадаюць дадзеныя толькі пасля атрымання пацверджання ад базавай станцыі, гэта дазваляе кантраляваць нагрузку на эфір са боку сервера і раўнамерна размяркоўваць сеансы абмену дадзенымі ў часе.
Стандарт LoRa апісвае фізічны ўзровень, мадуляцыю сігналу ў дыяпазонах частот 433 MHz, 868 MHz у Еўропе, 915 MHz Аўстралія/Амерыка і 923 MHz Азія. У Расіі для LoRaWAN выкарыстоўваецца дыяпазон 868 MHz.
Як працуе LoRaWAN
Бо LoRaWAN працуе ў неліцэнзуемым дыяпазоне, гэта значна спрашчае разгортванне сваёй уласнай сеткі з базавымі станцыямі, у такім разе не трэба залежаць ад аператараў сувязі. Апроч разгортвання ўласнай сеткі, можна выкарыстоўваць сеткі існуючых аператараў. Правайдэры LoRaWAN ужо існуюць па ўсім свеце і з нядаўняга часу пачалі з'яўляцца і ў Расіі, напрыклад аператар да сваёй LoRaWAN-сеткі ў многіх гарадах.
У Расіі звычайна LoRaWAN працуе ў дыяпазоне 866-869 MHz, максімальная шырыня канала, займаная адной абаненцкай прыладай, складае 125 kHz. Так выглядае абмен дадзенымі па пратаколе LoRaWAN на спектраграме, запісанай хабракарыстальнікам Русланам. Надыршыным з дапамогай SDR.
У Расіі з 2018 года прыняты папраўкі ў законы, якія істотна зніжаюць абмежаванні на выкарыстанне частот 868 MHz. Падрабязна аб новых заканадаўчых нормах, якія рэгулююць частоты LoRaWAN у Расіі можна прачытаць .
Базавая станцыя - У тэрміналогіі стандартаў LoRaWAN называецца шлюзам або канцэнтратарам. Па прызначэнні гэта прылада падобна з базавымі станцыі звычайных мабільных сетак сотавай сувязі: да яго падлучаюцца канчатковыя прылады і выконваюць яго ўказанні па выбары каналаў, магутнасці, часавых слотаў для перадачы дадзеных. Базавыя станцыі падключаюцца да цэнтралізаванага праграмнага сервера, які мае доступ да стану ўсёй сеткі ў цэлым, займаецца планаваннем частот і г.д.
Звычайна базавыя станцыі LoRaWAN падлучаныя да стацыянарнага сілкавання і маюць стабільны доступ у інтэрнэт. Advantech прапануе некалькі мадэляў базавых станцый LoRaWAN серыі ёмістасцю 100 і 500 абаненцкіх прылад, і магчымасцю падключэння да інтэрнэту па Ethernet і LTE.
Абаненцкая прылада - маламагутная кліенцкая прылада, звычайнае мелае аўтаномнае сілкаванне. Большую частку часу знаходзіцца ў спячым энергазберагальным рэжыме. Узаемадзейнічае з выдаленым серверам прыкладанняў для перадачы/атрымання дадзеных. Захоўвае ключы шыфравання для аўтэнтыфікацыі на базавай станцыі і сэрвэры прыкладанняў. Можа знаходзіцца ў зоне дзеяння некалькіх базавых станцый. Строга выконвае правілы па рабоце ў эфіры, атрыманыя ад базавай станцыі. Прылады Advantech - гэта модульныя I/O тэрміналы, з рознымі аналагавымі і лічбавымі інтэрфейсамі ўводу высновы і паслядоўнымі інтэрфейсамі RS-485/232.
Кліент можа разгарнуць свае базавыя станцыі LoRaWAN або выкарыстоўваць існуючыя сеткі іншых аператараў.
Публічная сетка LoRaWAN
У дадзенай архітэктуры прылады падлучаюцца да публічнай сеткі іншага аператара. Кліенту неабходна набыць толькі абаненцкія прылады і заключыць дамову з правайдэрам, атрымаць ключы для доступу да сеткі. Пры гэтым кліент цалкам залежым ад пакрыцця аператара.
Трэба мець на ўвазе, што ў публічнай сетцы LoRaWAN могуць дзейнічаць жорсткія абмежаванні на час у эфіры, якое можа займаць прыладу, таму для прыкладанняў, дзе неабходны больш часты абмен дадзенымі, такія сеткі могуць не падысці.
Перад адпраўкай дадзеных прылада запытвае дазвол на перадачу, і толькі калі базавая станцыя адкажа пацверджаннем, абмен адбудзецца.
Пры выкарыстанні іншай сеткі LoRaWAN, кліент выкарыстоўвае чужую інфраструктуру базавых станцый і залежыць ад пакрыцця правайдэра і яго абмежаванняў на перадачу даных
Такі падыход зручны, напрыклад, пры замяшчэнні абаненцкіх прылад у гарадской забудове, дзе ўжо існуе патрэбная інфраструктура. Напрыклад, для ўсталёўкі датчыкаў у жылых аб'ектах і пры малым аб'ёме перадаваных дадзеных, для збору дадзеных са лічыльнікаў электраэнергіі ці выдатку вады. Падобныя прылады могуць перадаваць дадзеныя раз на некалькі дзён.
Прыватная сетка LoRaWAN
Пры разгортванні прыватнай сеткі заказчык самастойна устанаўлівае базавыя станцыі і плануе пакрыццё. Такі падыход зручны, калі патрэбен поўны кантроль над сеткай, ці ж на аб'ектах, дзе не існуе пакрыцця аператараў.
У прыватнай сетцы заказчык цалкам кантралюе інфраструктуру
У дадзенай архітэктуры заказчык аднаразова інвесціруе ў абсталяванне для разгортвання базавых станцый і далей не залежыць ад паслуг і іншых аператараў. Такі варыянт падыходзіць для пабудовы сеткі на аддаленых сельскагаспадарчых аб'ектах, вытворчасці і т.д. Уласная сетка дазваляе лягчэй маштабаваць існуючую інфраструктуру, павялічваць пакрыццё, колькасць абаненцкіх прылад і аб'ём перадаюцца даных.
Абаненцкія тэрміналы ўводу-вываду
Тэхнічныя характарыстыкі
- Версіі для ўсіх сусветных частотных дыяпазонаў LoRaWAN
- Далёкасць сувязі з базай да 5км
- Модулі пашырэння для падлучэння перыферыйных прылад
- убудаваны акумулятар на 4000mAh
- Модуль GPS (Galileo/BeiDou/GLONASS)
- Абарона IP65
- Праграмаванне па інтэрфейсе USB
Прылады серыі - гэта модульныя тэрміналы для падлучэння розных перыферыйных прылад да сеткі LoRaWAN. З іх дапамогай можна збіраць дадзеныя з любых лічбавых і аналагавых датчыкаў, такіх як тэрмометры, гігрометры, барометры, акселерометры і г.д., кіраваць іншымі прыладамі па інтэрфейсах RS-232/485. Мае ўбудаваны акумулятар на 4000mA, на якім можа працаваць да паўгода аўтаномна. Інтэгруецца з сонечнымі батарэямі для зарадкі акумулятара. Убудаваны прымач GPS дазваляе сапраўды вызначаць месцазнаходжанне прылады, што спрашчае ўлік і мантаж: прылады могуць манціравацца без папярэдняй установы ў базу дадзеных, і пасля ўсталёўкі аўтаматычна прывязваюцца да аб'екта на аснове атрыманых каардынат.
Праграмаванне і настройка выконваецца па звычайным інтэрфейсе USB і не патрабуе дадатковых кантролераў і праграматараў, таму можа быць выканана на месцы з дапамогай наўтбука.
Інтэрфейсныя модулі
Набор інтэрфейсаў для падлучэння вонкавых прылад да , рэалізуецца з дапамогай інтэрфейсных модуляў, якія падключаюцца знізу. Да аднаго тэрмінала можна падлучыць адзін інтэрфейсны модуль. У залежнасці ад задач заказчыка гэта могуць быць лічбавыя ці аналагавыя ўваходы/выхады, ці паслядоўныя інтэрфейсы. Кантакты інтэрфейсаў абаронены герметычным канектарам з разьбовым злучэннем M12.
- — 4 аналагавыя ўваходы і 4 лічбавыя ўваходы
- WISE-S615-A – 6 каналаў для тэрмометра тыпу RTD (Resistance Temperature Detector)
- WISE-S617-A – 6 лічбавых уваходаў, 2 паслядоўных інтэрфейсу RS-232/485
Датчык серыі Wzzard LRPv2
Датчыкі серыі BB гэта абаненцкія прылады LoRaWAN, прызначаныя для збору дадзеных у цвёрдых умовах, і разлічаныя на хуткі мантаж. Яны маюць магнітную аснову і могуць надзейна мацавацца на металічныя паверхні без дадатковага крапяжу, што дазваляе хутка разгарнуць сетку са мноства прылад. Герметычны інтэрфейсны раздым, размешчаны збоку, прызначаны для падлучэння вонкавых перыферыйных прылад і датчыкаў.
Тэхнічныя характарыстыкі
- Праца ва ўсіх частотных дыяпазонах LoRaWAN 868/915/923MHz
- Магнітнае мацаванне на металічную паверхню
- Інтэрфейсы RS485 (Modbus), 4 аналагавых уваходу, 2 лічбавых выхаду, 1 лічбавы выхад
- Герметычнае падлучэнне інтэрфейснага шлейфу
- Праца ад 2 літыевых батарэй фармату AA, сонечных панэляў або блока харчавання 9~36V
- Клас абароненасці IP66
- Праца пры тэмпературах -40 ~ 75°C
Базавыя станцыі LoRaWAN
Advantech прапануе поўны спектр прылад для разгортвання прыватнай сеткі LoRaWAN. Шлюзы серыі служаць для падлучэння абаненцкіх прылад, такіх як и , і перадачы дадзеных на сервер прыкладанняў. У лінейцы прадстаўлены мадэлі, якія падтрымліваюць адначасова падлучэнне 100 і 500 абаненцкіх прылад. Падлучэнне шлюза да інтэрнэту выконваецца па Ethernet, таксама даступныя версіі з убудаваным 4G мадэмам. Падтрымка пратаколаў MQTT і Modbus для перадачы даных на сервер прыкладанняў.
Тэхнічныя характарыстыкі
- Падтрымка ўсіх дыяпазонаў LoRaWAN
- Адначасовае абслугоўванне 100 ці 500 абаненцкіх прылад
- Падключэнне па Ethernet
- Апцыянальна: убудаваны LTE-мадэм
- Убудаваны VPN сервер/кліент
Заключэнне
Тэхналогія LoRaWAN заслужана прыцягвае вялікую ўвагу ў асяроддзі прамысловых рашэнняў, і ўжо сёння дазваляе эфектыўна вырашаць многія бізнес-задачы. Але для большасці заказчыкаў LoRaWAN да гэтага часу застаецца малавядомай і незразумелай тэхналогіяй. Мы верым, што ў найбліжэйшай будучыні яна будзе гэтак жа распаўсюджана, як і класічныя сеткі сотавай сувязі, што дазволіць нашым замоўцам прасцей укараняць аўтаномныя рашэнні інтэрнэту рэчаў.
Крыніца: habr.com