Как LoRaWAN помогает строить современный интернет вещей

LoRaWAN — технология, которая быстро набирает популярность в сфере решений интернета вещей. При этом для многих клиентов остается малоизученной и экзотической, из-за чего вокруг нее существует множество мифов и заблуждений. В 2018 году в России были приняты поправки в законодательство об использовании частот LoRaWAN, которые расширяют возможности использования данной технологии без лицензии. Мы считаем, что сейчас наилучший момент для начала использования этой технологии в решении реальных бизнес-задач.

В статье мы рассмотрим основные принципы работы LoRaWAN, варианты построения собственной сети и использования сторонних провайдеров, а также расскажем о наших продуктах, поддерживающих LoRaWAN.

Что такое LoRaWAN

LoRaWAN — набор протоколов, определяющих физический и сетевой уровни передачи данных для маломощных устройств с низким энергопотреблением, работающий на больших расстояниях. Аббревиатура LoRa означает Long Range, то есть большие расстояния передачи данных, a WAN (Wide Area Network) означает, что протокол описывает еще и сетевой уровень.

В отличие от широко известных стандартов беспроводной связи GSM/3G/LTE/WiFi, LoRaWAN изначально проектировался для одновременного обслуживания огромного числа маломощных абонентских устройств. Поэтому основной упор сделан на защищенность от помех, энергоэффективность и дальность действия. При этом максимальные скорости передачи данных ограничены всего несколькими килобитами в секунду.

Подобно сотовой сети, в LoRaWAN есть абонентские устройства и базовые станции. Дальность связи абонентского устройства с базовой станцией может достигать 10км. При этом абонентские устройства обычно имеют автономное питание от батареи и большую часть времени находятся в энергосберегающем режиме, просыпаясь изредка для кратковременного обмена данными с сервером. Так, например, счетчики воды могут просыпаться раз в несколько дней и передавать текущее значение потребленного объема воды на сервер, а все остальное время находятся в спящем режиме. Такой подход позволяет получить устройства, работающие до нескольких лет без необходимости замены аккумуляторов. Задача устройств LoRaWAN максимально быстро передать/получить нужные данные от базовой станции и освободить эфир для других устройств, поэтому в сети существуют строгие правила на время, занимаемое в эфире. Устройства передают данные только после получения подтверждения от базовой станции, это позволяет контролировать нагрузку на эфир со стороны сервера и равномерно распределять сеансы обмена данными во времени.

Стандарт LoRa описывает физический уровень, модуляцию сигнала в диапазонах частот 433 MHz, 868 MHz в Европе, 915 MHz Австралия/Америка и 923 MHz Азия. В России для LoRaWAN используется диапазон 868 MHz.

Как работает LoRaWAN

Так как LoRaWAN работает в нелицензируемом диапазоне, это значительно упрощает развертывание своей собственной сети с базовыми станциями, в таком случае не нужно зависеть от операторов связи. Помимо развертывания собственной сети, можно использовать сети существующих операторов. Провайдеры LoRaWAN уже существуют по всему миру и с недавнего времени начали появляться и в России, например оператор Эр-Телеком уже предлагает подключение к своей LoRaWAN-сети во многих городах.

В России обычно LoRaWAN работает в диапазоне 866—869 MHz, максимальная ширина канала, занимаемая одним абонентским устройством, составляет 125 kHz. Так выглядит обмен данными по протоколу LoRaWAN на спектрограмме, записанной хабрапользователем Русланом ElectricFromUfa Надыршиным с помощью SDR.

В России с 2018 года приняты поправки в законы, существенно снижающие ограничения на использование частот 868 MHz. Подробно о новых законодательных нормах, регулирующих частоты LoRaWAN в России можно прочитать в этой статье.

Базовая станция — в терминологии стандартов LoRaWAN называется шлюзом или концентратором. По назначению это устройство схоже с базовыми станции обычных мобильных сетей сотовой связи: к нему подключаются конечные устройства и выполняют его указания по выбору каналов, мощности, временных слотов для передачи данных. Базовые станции подключаются к централизованному программному серверу, который имеет доступ к состоянию всей сети в целом, занимается планированием частот и т.д.
Обычно базовые станции LoRaWAN подключены к стационарному питанию и имеют стабильный доступ в интернет. Advantech предлагает несколько моделей базовых станций LoRaWAN серии WISE-6610 емкостью 100 и 500 абонентских устройств, и возможностью подключения к интернету по Ethernet и LTE.

Абонентское устройство — маломощное клиентское устройство, обычное имеющее автономное питание. Большую часть времени находится в спящем энергосберегающем режиме. Взаимодействует с удаленным сервером приложений для передачи/получения данных. Хранит ключи шифрования для аутентификации на базовой станции и сервере приложений. Может находится в зоне действия нескольких базовых станций. Строго соблюдает правила по работе в эфире, полученные от базовой станции. Устройства Advantech WISE-4610 — это модульные I/O терминалы, с различными аналоговыми и цифровыми интерфейсами ввода вывода и последовательными интерфейсами RS-485/232.

Клиент может развернуть свои базовые станции LoRaWAN или использовать существующие сети сторонних операторов

Публичная сеть LoRaWAN

В данной архитектуре устройства подключаются к публичной сети стороннего оператора. Клиенту необходимо приобрести только абонентские устройства и заключить договор с провайдером, получить ключи для доступа к сети. При этом клиент полностью зависим от покрытия оператора.
Нужно иметь в виду, что в публичной сети LoRaWAN могут действовать жесткие ограничения на время в эфире, которое может занимать устройство, поэтому для приложений, где необходим более частый обмен данными, такие сети могут не подойти.
Перед отправкой данных устройство запрашивает разрешение на передачу, и только если базовая станция ответит подтверждением, обмен состоится.

При использовании сторонней сети LoRaWAN, клиент использует чужую инфраструктуру базовых станций и зависит от покрытия провайдера и его ограничений на передачу данных

Такой подход удобен, например, при замещении абонентских устройств в городской застройке, где уже существует нужная инфраструктура. Например, для установки датчиков в жилых объектах и при малом объеме передаваемых данных, для сбора данных со счетчиков электроэнергии или расхода воды. Подобные устройства могут передавать данные раз в несколько дней.

Приватная сеть LoRaWAN

При развертывании приватной сети заказчик самостоятельно устанавливает базовые станции и планирует покрытие. Такой подход удобен, когда нужен полный контроль над сетью, или же на объектах, где не существует покрытия операторов.

В приватной сети заказчик полностью контролирует инфраструктуру

В данной архитектуре заказчик единоразово инвестирует в оборудование для развертывания базовых станций и далее не зависит от услуг и сторонних операторов. Такой вариант подходит для построения сети на удаленных сельскохозяйственных объектах, производстве и т.д. Собственная сеть позволяет легче масштабировать существующую инфраструктуру, увеличивать покрытие, число абонентских устройств и объем передаваемых данных.

Абонентские терминалы ввода-вывода WISE-4610

Технические характеристики

• Версии для всех мировых частотных диапазонов LoRaWAN
• Дальность связи с базой до 5км
• Модули расширения для подключения периферийных устройств
• Встроенный аккумулятор на 4000mAh
• Модуль GPS (Galileo/BeiDou/GLONASS)
• Защита IP65
• Программирование по интерфейсу USB

Устройства серии WISE-4610 — это модульные терминалы для подключения различных периферийных устройств к сети LoRaWAN. С их помощью можно собирать данные с любых цифровых и аналоговых датчиков, таких как термометры, гигрометры, барометры, акселерометры и т.д., управлять другими устройствами по интерфейсам RS-232/485. Имеет встроенный аккумулятор на 4000mA, на котором может работать до полугода автономно. Интегрируется с солнечными батареями для зарядки аккумулятора. Встроенный приемник GPS позволяет точно определять местоположение устройства, что упрощает учет и монтаж: устройства могут монтироваться без предварительного заведения в базу данных, и после установки автоматически привязываются к объекту на основе полученных координат.

Программирование и настройка выполняется по обычному интерфейсу USB и не требует дополнительных контроллеров и программаторов, поэтому может быть выполнена на месте с помощью ноутбука.

Интерфейсные модули

Набор интерфейсов для подключения внешних устройств к WISE-4610, реализуется с помощью интерфейсных модулей, которые подключаются снизу. К одному терминалу WISE-4610 можно подключить один интерфейсный модуль. В зависимости от задач заказчика это могут быть цифровые или аналоговые входы/выходы, или последовательные интерфейсы. Контакты интерфейсов защищены герметичным коннектором с резьбовым соединением M12.

• WISE-S614-A — 4 аналоговых входа и 4 цифровых входа
• WISE-S615-A — 6 каналов для термометра типа RTD (Resistance Temperature Detector)
• WISE-S617-A — 6 цифровых входов, 2 последовательных интерфейса RS-232/485

Датчик серии Wzzard LRPv2

Датчики серии BB Wzzard LRPv2 это абонентские устройства LoRaWAN, предназначенные для сбора данных в жестких условиях, и рассчитанные на быстрый монтаж. Они имеют магнитную основу и могут надежно крепиться на металлические поверхности без дополнительного крепежа, что позволяет быстро развернуть сеть из множества устройств. Герметичный интерфейсный разъем, расположенный сбоку, предназначен для подключения внешних периферийных устройств и датчиков.

Технические характеристики

• Работа во всех частотных диапазонах LoRaWAN 868/915/923MHz
• Магнитное крепление на металлическую поверхность
• Интерфейсы RS485 (Modbus), 4 аналоговых входа, 2 цифровых выхода, 1 цифровой выход
• Герметичное подключение интерфейсного шлейфа
• Работа от 2 литиевых батарей формата AA, солнечных панелей или блока питания 9~36V
• Класс защищенности IP66
• Работа при температурах -40 ~ 75°C

Базовые станции LoRaWAN WISE-6610

Advantech предлагает полный спектр устройств для развертывания приватной сети LoRaWAN. Шлюзы серии WISE-6610 служат для подключения абонентских устройств, таких как WISE-4610 и Wzzard LRPv2, и передачи данных на сервер приложений. В линейке представлены модели, поддерживающие одновременно подключение 100 и 500 абонентских устройств. Подключение шлюза к интернету выполняется по Ethernet, также доступны версии со встроенным 4G модемом. Поддержка протоколов MQTT и Modbus для передачи данных на сервер приложений.

Технические характеристики

• Поддержка всех диапазонов LoRaWAN
• Одновременное обслуживание 100 или 500 абонентских устройств
• Подключение по Ethernet
• Опционально: встроенный LTE-модем
• Встроенный VPN сервер/клиент

Заключение

Технология LoRaWAN заслуженно привлекает большое внимание в среде промышленных решений, и уже сегодня позволяет эффективно решать многие бизнес-задачи. Но для большинства заказчиков LoRaWAN до сих пор остается малоизвестной и непонятной технологией. Мы верим, что в ближайшем будущем она будет так же распространена, как и классические сети сотовой связи, что позволит нашим заказчикам проще внедрять автономные решения интернета вещей.

Источник: habr.com