LoRaWAN е технология, която бързо набира популярност в областта на решенията за Интернет на нещата. В същото време за много клиенти той остава малко проучен и екзотичен, поради което около него има много митове и заблуди. През 2018 г. Русия прие поправки в законодателството относно използването на честотите LoRaWAN, които разширяват възможностите за използване на тази технология без лиценз. Вярваме, че сега е най-доброто време да започнете да използвате тази технология за решаване на реални бизнес проблеми.
В тази статия ще разгледаме основните принципи на LoRaWAN, опциите за изграждане на собствена мрежа и използване на доставчици на трети страни, както и ще говорим за нашите продукти, които поддържат LoRaWAN.
Какво е LoRaWAN
LoRaWAN е набор от протоколи, които определят физически и мрежови слоеве за пренос на данни за устройства с ниска мощност и ниска мощност, работещи на големи разстояния. Съкращението LoRa означава Long Range, тоест големи разстояния за предаване на данни, а WAN (Wide Area Network) означава, че протоколът описва и мрежовия слой.
За разлика от добре познатите стандарти за безжична комуникация GSM/3G/LTE/WiFi, LoRaWAN първоначално е проектиран да обслужва едновременно огромен брой абонатни устройства с ниска мощност. Следователно основният акцент е върху устойчивостта на смущения, енергийната ефективност и обхвата. В същото време максималните скорости на трансфер на данни са ограничени само до няколко килобита в секунда.
Подобно на клетъчна мрежа, LoRaWAN има абонатни устройства и базови станции. Обхватът на комуникация между абонатното устройство и базовата станция може да достигне 10 км. В този случай абонатните устройства обикновено се захранват самостоятелно от батерия и през повечето време са в енергоспестяващ режим, като се събуждат от време на време за краткосрочен обмен на данни със сървъра. Например, водомерите могат да се събуждат веднъж на няколко дни и да предават текущата стойност на изразходвания обем вода на сървъра, а през останалото време да остават в режим на заспиване. Този подход дава възможност да се получат устройства, които работят до няколко години без необходимост от смяна на батериите. Задачата на устройствата LoRaWAN е да предават/получават необходимите данни от базовата станция възможно най-бързо и да освобождават ефира за други устройства, така че мрежата има строги правила за времето, заето в ефир. Устройствата предават данни само след получаване на потвърждение от базовата станция, което ви позволява да контролирате натоварването на ефира от страна на сървъра и равномерно разпределяне на сесиите за обмен на данни във времето.
Стандартът LoRa описва физическия слой, модулацията на сигнала в честотните диапазони 433 MHz, 868 MHz в Европа, 915 MHz Австралия/Америка и 923 MHz Азия. В Русия LoRaWAN използва честотната лента 868 MHz.
Как работи LoRaWAN
Тъй като LoRaWAN работи в нелицензиран диапазон, той значително опростява разгръщането на собствена мрежа с базови станции, в който случай няма нужда да зависи от телекомуникационните оператори. В допълнение към разгръщането на собствена мрежа, можете да използвате мрежите на съществуващи оператори. Доставчиците на LoRaWAN вече съществуват по целия свят и наскоро започнаха да се появяват в Русия, например операторът към вашата LoRaWAN мрежа в много градове.
В Русия LoRaWAN обикновено работи в диапазона 866-869 MHz, максималната ширина на канала, заета от едно абонатно устройство, е 125 kHz. Ето как изглежда обменът на данни чрез протокола LoRaWAN на спектрограма, записана от потребителя на habra Ruslan Надиршин с помощта на SDR.
В Русия от 2018 г. бяха приети изменения в законите, които значително намаляват ограниченията за използване на честоти от 868 MHz. Можете да прочетете подробно за новите законодателни норми, регулиращи честотите на LoRaWAN в Русия .
Основна станция — в терминологията на стандартите LoRaWAN се нарича шлюз или хъб. По предназначение това устройство е подобно на базовите станции на конвенционалните мобилни клетъчни мрежи: крайните устройства се свързват с него и следват неговите инструкции за избор на канали, мощност и времеви интервали за предаване на данни. Базовите станции са свързани към централизиран софтуерен сървър, който има достъп до състоянието на цялата мрежа като цяло, занимава се с честотно планиране и др.
Обикновено базовите станции LoRaWAN са свързани към стационарно захранване и имат стабилен достъп до Интернет. Advantech предлага няколко модела базови станции от серията LoRaWAN с капацитет от 100 и 500 абонатни устройства, и възможност за връзка с интернет чрез Ethernet и LTE.
Абонатно устройство - клиентско устройство с ниска мощност, обикновено със собствено захранване. През по-голямата част от времето е в енергоспестяващ режим на заспиване. Взаимодейства с отдалечен сървър на приложения за предаване/получаване на данни. Съхранява криптиращи ключове за удостоверяване на базовата станция и сървъра на приложения. Може да е в зоната на покритие на няколко базови станции. Спазва стриктно правилата за работа по ефира, получен от базовата станция. Устройства Advantech са модулни I/O терминали, с различни аналогови и цифрови входно/изходни интерфейси и RS-485/232 сериен интерфейс.
Клиентът може да разположи свои собствени базови станции LoRaWAN или да използва съществуващи мрежи на оператори на трети страни
Публична LoRaWAN мрежа
В тази архитектура устройствата са свързани към публична мрежа на трети оператор. Клиентът трябва само да закупи абонатни устройства и да сключи договор с доставчика и да получи ключове за достъп до мрежата. В същото време клиентът е напълно зависим от покритието на оператора.
Имайте предвид, че публичната LoRaWAN мрежа може да има строги ограничения за ефирното време, което устройството може да заема, така че за приложения, които изискват по-чест обмен на данни, такива мрежи може да не са подходящи.
Преди да изпрати данни, устройството иска разрешение за предаване и само ако базовата станция отговори с потвърждение, обменът ще се извърши.
Когато използва LoRaWAN мрежа на трета страна, клиентът използва инфраструктурата на базовата станция на някой друг и зависи от покритието на доставчика и неговите ограничения за пренос на данни
Този подход е удобен например при подмяна на абонатни устройства в населени места, където вече съществува необходимата инфраструктура. Например за инсталиране на сензори в жилищни сгради и с малко количество предавани данни, за събиране на данни от електромери или потребление на вода. Такива устройства могат да предават данни веднъж на няколко дни.
Частна LoRaWAN мрежа
Когато разгръща частна мрежа, клиентът самостоятелно инсталира базови станции и планира покритие. Този подход е удобен, когато се нуждаете от пълен контрол над мрежата или в обекти, където операторското покритие не съществува.
В частна мрежа клиентът има пълен контрол върху инфраструктурата
При тази архитектура клиентът прави еднократна инвестиция в оборудване за разполагане на базови станции и вече не е зависим от услуги и оператори на трети страни. Този вариант е подходящ за изграждане на мрежа в отдалечени земеделски обекти, производствени мощности и др. Наличието на собствена мрежа улеснява мащабирането на съществуващата инфраструктура, увеличаване на покритието, броя на абонатните устройства и обема на предаваните данни.
Абонатни I/O терминали
Технические характеристики
- Версии за всички глобални LoRaWAN честотни ленти
- Обхват на комуникация с база до 5 км
- Разширителни модули за свързване периферни устройства
- Вграденият 4000mAh батерия
- GPS модул (Галилео/BeiDou/GLONASS)
- IP65 защита
- USB програмиране
Серия устройства са модулни терминали за свързване на различни периферни устройства към мрежата LoRaWAN. С тяхна помощ можете да събирате данни от всякакви цифрови и аналогови сензори, като термометри, хигрометри, барометри, акселерометри и др., и да управлявате други устройства чрез RS-232/485 интерфейси. Има вградена 4000mA батерия, която може да работи автономно до шест месеца. Интегрира се със слънчеви панели за зареждане на батерията. Вграденият GPS приемник ви позволява точно да определите местоположението на устройството, което опростява отчитането и инсталирането: устройствата могат да бъдат монтирани без първо влизане в базата данни и след инсталирането те автоматично се свързват с обекта въз основа на получените координати.
Програмирането и конфигурацията се извършва чрез обикновен USB интерфейс и не изисква допълнителни контролери и програмисти, така че може да се извърши на място с помощта на лаптоп.
Интерфейсни модули
Набор от интерфейси за свързване на външни устройства , се реализира с помощта на интерфейсни модули, които се свързват отдолу. Към един терминал може да се свърже един интерфейсен модул. В зависимост от задачите на клиента, това могат да бъдат цифрови или аналогови входове/изходи или серийни интерфейси. Контактите на интерфейса са защитени от запечатан конектор с резбова връзка M12.
- — 4 аналогови входа и 4 цифрови входа
- WISE-S615-A - 6 канала за термометър RTD (Resistance Temperature Detector)
- WISE-S617-A - 6 цифрови входа, 2 RS-232/485 серийни интерфейса
Сензор от серия Wzzard LRPv2
Сензори от серия BB Това са абонатни устройства на LoRaWAN, предназначени за събиране на данни в тежки условия и предназначени за бърза инсталация. Те имат магнитна основа и могат да бъдат здраво закрепени към метални повърхности без допълнителни крепежни елементи, което ви позволява бързо да разгърнете мрежа от много устройства. Запечатаният интерфейсен конектор, разположен отстрани, е предназначен за свързване на външни периферни устройства и сензори.
Технические характеристики
- Работа във всички честотни диапазони LoRaWAN 868/915/923MHz
- Магнитен монтаж върху метална повърхност
- Интерфейси RS485 (Modbus), 4 аналогови входа, 2 цифрови изхода, 1 цифров изход
- Запечатано свързване на интерфейсния кабел
- Захранва се от 2 AA литиеви батерии, слънчеви панели или 9~36V захранване
- Клас на защита IP66
- Работа при температури -40 ~ 75°C
Базови станции LoRaWAN
Advantech предлага пълна гама от устройства за разгръщане на частна LoRaWAN мрежа. Серия Gateways се използват за свързване на абонатни устройства, като напр и и предаване на данни към сървъра на приложения. Линията включва модели, които поддържат едновременно свързване на 100 и 500 абонатни устройства. Порталът е свързан с интернет чрез Ethernet, налични са и версии с вграден 4G модем. Поддържа MQTT и Modbus протоколи за пренос на данни към сървъра на приложения.
Технические характеристики
- Поддържа всички LoRaWAN ленти
- Едновременно обслужване на 100 или 500 абонатни устройства
- Ethernet връзка
- Опция: вграден LTE модем
- Вграден VPN сървър/клиент
Заключение
Технологията LoRaWAN заслужено привлича голямо внимание сред индустриалните решения и днес може ефективно да реши много бизнес проблеми. Но за повечето клиенти LoRaWAN все още остава малко позната и неразбираема технология. Вярваме, че в близко бъдеще тя ще бъде толкова широко разпространена, колкото класическите клетъчни мрежи, което ще позволи на нашите клиенти по-лесно да прилагат автономни решения за Интернет на нещата.
Източник: www.habr.com