LoRaWAN je technologie, která si rychle získává oblibu v oblasti řešení internetu věcí. Pro mnoho klientů přitom zůstává málo prozkoumaná a exotická, proto kolem ní koluje mnoho mýtů a mylných představ. V roce 2018 Rusko přijalo úpravy legislativy o využívání frekvencí LoRaWAN, které rozšiřují možnosti využití této technologie bez licence. Věříme, že nyní je ten nejlepší čas začít používat tuto technologii k řešení skutečných obchodních problémů.
V tomto článku se podíváme na základní principy LoRaWAN, možnosti budování vlastní sítě a využití poskytovatelů třetích stran a také si povíme o našich produktech, které podporují LoRaWAN.
Co je LoRaWAN
LoRaWAN je sada protokolů, které definují vrstvy fyzického a síťového přenosu dat pro zařízení s nízkou spotřebou a nízkou spotřebou pracující na velké vzdálenosti. Zkratka LoRa znamená Long Range, tedy dlouhé přenosové vzdálenosti dat a WAN (Wide Area Network) znamená, že protokol popisuje i síťovou vrstvu.
Na rozdíl od dobře známých standardů bezdrátové komunikace GSM/3G/LTE/WiFi byl LoRaWAN původně navržen tak, aby současně obsluhoval obrovské množství předplatitelských zařízení s nízkou spotřebou. Hlavní důraz je proto kladen na odolnost proti rušení, energetickou účinnost a dosah. Současně jsou maximální rychlosti přenosu dat omezeny pouze na několik kilobitů za sekundu.
Stejně jako mobilní síť má LoRaWAN předplatitelská zařízení a základnové stanice. Komunikační dosah mezi účastnickým zařízením a základnovou stanicí může dosáhnout 10 km. V tomto případě jsou předplatitelská zařízení obvykle sama napájena z baterie a většinu času jsou v úsporném režimu a občas se probudí kvůli krátkodobé výměně dat se serverem. Například vodoměry se mohou probudit jednou za několik dní a odeslat aktuální hodnotu spotřebovaného objemu vody na server a po zbytek času zůstat v režimu spánku. Tento přístup umožňuje získat zařízení, která fungují až několik let bez nutnosti výměny baterií. Úkolem zařízení LoRaWAN je co nejrychleji vysílat/přijímat potřebná data ze základnové stanice a uvolnit éter pro další zařízení, takže síť má přísná pravidla pro čas obsazený éterem. Zařízení vysílají data pouze po obdržení potvrzení od základnové stanice, což vám umožňuje řídit zatížení rádiových vln na straně serveru a rovnoměrně rozdělit relace výměny dat v průběhu času.
Standard LoRa popisuje fyzickou vrstvu, modulaci signálu ve frekvenčních rozsazích 433 MHz, 868 MHz v Evropě, 915 MHz Austrálie/Amerika a 923 MHz Asie. V Rusku LoRaWAN používá pásmo 868 MHz.
Jak funguje LoRaWAN
Vzhledem k tomu, že LoRaWAN funguje v nelicencovaném rozsahu, výrazně zjednodušuje nasazení vlastní sítě se základnovými stanicemi, v takovém případě není nutné se spoléhat na telekomunikační operátory. Kromě nasazení vlastní sítě můžete využít sítě stávajících operátorů. Poskytovatelé LoRaWAN již existují po celém světě a v poslední době se začínají objevovat i v Rusku, například operátor do vaší sítě LoRaWAN v mnoha městech.
V Rusku LoRaWAN obvykle pracuje v rozsahu 866-869 MHz, maximální šířka kanálu obsazená jedním předplatitelským zařízením je 125 kHz. Takto vypadá výměna dat přes protokol LoRaWAN na spektrogramu zaznamenaném uživatelem habra Ruslanem Nadyrshin s pomocí SDR.
V Rusku byly od roku 2018 přijaty novely zákonů, které výrazně omezují omezení používání frekvencí 868 MHz. Podrobně si můžete přečíst o nových legislativních normách upravujících frekvence LoRaWAN v Rusku .
Základna — v terminologii standardů LoRaWAN se nazývá brána nebo hub. Z hlediska účelu je toto zařízení podobné základnovým stanicím konvenčních mobilních celulárních sítí: koncová zařízení se k němu připojují a řídí se jeho pokyny pro výběr kanálů, výkonu a časových slotů pro přenos dat. Základnové stanice jsou připojeny k centralizovanému softwarovému serveru, který má přístup ke stavu celé sítě jako celku, zabývá se plánováním frekvencí atd.
Základnové stanice LoRaWAN jsou obvykle připojeny ke stacionárnímu napájení a mají stabilní přístup k internetu. Advantech nabízí několik modelů základnových stanic řady LoRaWAN s kapacitou 100 a 500 účastnických zařízení a možností připojení k internetu přes Ethernet a LTE.
Předplatitelské zařízení - klientské zařízení s nízkou spotřebou, obvykle s vlastním napájením. Většinu času je v úsporném režimu spánku. Interaguje se vzdáleným aplikačním serverem pro přenos/příjem dat. Ukládá šifrovací klíče pro autentizaci na základnové stanici a aplikačním serveru. Může být v oblasti pokrytí několika základnovými stanicemi. Striktně dodržuje pravidla pro práci na vzduchu přijímaném ze základnové stanice. Zařízení Advantech jsou modulární I/O terminály s různými analogovými a digitálními vstupně/výstupními rozhraními a sériovými rozhraními RS-485/232.
Zákazník může nasadit vlastní základnové stanice LoRaWAN nebo využít stávající sítě operátorů třetích stran
Veřejná síť LoRaWAN
V této architektuře jsou zařízení připojena k veřejné síti operátora třetí strany. Klient potřebuje pouze zakoupit předplatitelská zařízení a uzavřít smlouvu s poskytovatelem a získat klíče pro přístup do sítě. Klient je přitom zcela závislý na pokrytí operátora.
Mějte na paměti, že veřejná síť LoRaWAN může mít přísná omezení vysílacího času, který může zařízení zabírat, takže pro aplikace, které vyžadují častější výměnu dat, nemusí být takové sítě vhodné.
Před odesláním dat si zařízení vyžádá povolení k vysílání a teprve pokud základnová stanice odpoví potvrzením, dojde k výměně.
Při použití sítě LoRaWAN třetí strany klient využívá infrastrukturu základnové stanice někoho jiného a závisí na pokrytí poskytovatele a jeho omezeních přenosu dat.
Tento přístup je vhodný například při výměně účastnických zařízení v městských oblastech, kde již existuje potřebná infrastruktura. Například pro instalaci senzorů v obytných budovách a s malým množstvím přenášených dat, pro sběr dat z elektroměrů nebo spotřeby vody. Taková zařízení mohou přenášet data jednou za několik dní.
Soukromá síť LoRaWAN
Při nasazení privátní sítě si zákazník nezávisle nainstaluje základnové stanice a naplánuje pokrytí. Tento přístup je vhodný, když potřebujete úplnou kontrolu nad sítí nebo na místech, kde není pokrytí operátorem.
V privátní síti má zákazník úplnou kontrolu nad infrastrukturou
V této architektuře zákazník jednorázově investuje do vybavení pro nasazení základnových stanic a již není závislý na službách a externích operátorech. Tato možnost je vhodná pro budování sítě na vzdálených zemědělských pozemcích, výrobních zařízeních atd. Vlastní síť usnadňuje škálování stávající infrastruktury, zvýšení pokrytí, počtu účastnických zařízení a objemu přenášených dat.
Účastnické I/O terminály
Технические характеристики
- Verze pro všechna globální frekvenční pásma LoRaWAN
- Komunikační dosah se základnou do 5 km
- Rozšiřující moduly pro připojení příslušenství
- Postaveno 4000mAh baterie
- GPS modul (Galileo/BeiDou/GLONASS)
- Krytí IP65
- USB programování
Sériová zařízení jsou modulární terminály pro připojení různých periferních zařízení do sítě LoRaWAN. S jejich pomocí můžete sbírat data z libovolných digitálních a analogových senzorů, jako jsou teploměry, vlhkoměry, barometry, akcelerometry atd., a ovládat další zařízení přes rozhraní RS-232/485. Má vestavěnou baterii 4000 mA, která může pracovat autonomně až šest měsíců. Integruje se se solárními panely pro nabíjení baterie. Vestavěný GPS přijímač umožňuje přesně určit polohu zařízení, což zjednodušuje účtování a instalaci: zařízení lze namontovat bez předchozího vstupu do databáze a po instalaci jsou automaticky spojena s objektem na základě přijatých souřadnic.
Programování a konfigurace se provádí přes běžné USB rozhraní a nevyžaduje další ovladače a programátory, takže je lze provést na místě pomocí notebooku.
Moduly rozhraní
Sada rozhraní pro připojení externích zařízení , je implementován pomocí modulů rozhraní, které jsou připojeny zespodu. Na jeden terminál lze připojit jeden modul rozhraní. V závislosti na úkolech zákazníka to mohou být digitální nebo analogové vstupy/výstupy nebo sériová rozhraní. Kontakty rozhraní jsou chráněny utěsněným konektorem se závitem M12.
- — 4 analogové vstupy a 4 digitální vstupy
- WISE-S615-A - 6 kanálů pro teploměr RTD (Resistance Temperature Detector)
- WISE-S617-A - 6 digitálních vstupů, 2 sériová rozhraní RS-232/485
Senzor Wzzard řady LRPv2
Senzory řady BB Jedná se o předplatitelská zařízení LoRaWAN určená pro sběr dat v náročných prostředích a určená pro rychlou instalaci. Mají magnetickou základnu a lze je bezpečně připevnit na kovové povrchy bez dalších upevňovacích prvků, což vám umožní rychle rozmístit síť mnoha zařízení. Utěsněný konektor rozhraní, umístěný na boku, je určen pro připojení externích periferních zařízení a senzorů.
Технические характеристики
- Provoz ve všech frekvenčních rozsazích LoRaWAN 868/915/923MHz
- Magnetický držák na kovový povrch
- Rozhraní RS485 (Modbus), 4 analogové vstupy, 2 digitální výstupy, 1 digitální výstup
- Utěsněné připojení propojovacího kabelu
- Napájení 2 lithiovými bateriemi AA, solárními panely nebo napájením 9~36V
- Třída ochrany IP66
- Provoz při teplotách -40 ~ 75°C
základnové stanice LoRaWAN
Advantech nabízí celou řadu zařízení pro nasazení privátní sítě LoRaWAN. Série Brány slouží k připojení účastnických zařízení, jako jsou např и a přenos dat na aplikační server. Řada zahrnuje modely, které podporují současné připojení 100 a 500 účastnických zařízení. Brána je připojena k internetu přes Ethernet, dostupné jsou i verze s vestavěným 4G modemem. Podporuje protokoly MQTT a Modbus pro přenos dat na aplikační server.
Технические характеристики
- Podporuje všechna pásma LoRaWAN
- Současný servis 100 nebo 500 účastnických zařízení
- Ethernetové připojení
- Volitelně: vestavěný LTE modem
- Vestavěný VPN server/klient
Závěr
Technologie LoRaWAN zaslouženě přitahuje mezi průmyslovými řešeními velkou pozornost a dnes dokáže efektivně vyřešit mnoho obchodních problémů. Pro většinu zákazníků ale stále zůstává LoRaWAN málo známou a nepochopitelnou technologií. Věříme, že v blízké budoucnosti bude stejně rozšířený jako klasické mobilní sítě, což našim zákazníkům umožní snadněji implementovat autonomní řešení internetu věcí.
Zdroj: www.habr.com