LoRaWAN ist eine Technologie, die im Bereich der Internet-of-Things-Lösungen schnell an Popularität gewinnt. Gleichzeitig bleibt es für viele Kunden wenig erforscht und exotisch, weshalb es viele Mythen und Missverständnisse gibt. Im Jahr 2018 verabschiedete Russland Gesetzesänderungen zur Nutzung von LoRaWAN-Frequenzen, die die Möglichkeiten der lizenzfreien Nutzung dieser Technologie erweitern. Wir glauben, dass jetzt der beste Zeitpunkt ist, diese Technologie zur Lösung echter Geschäftsprobleme einzusetzen.
In diesem Artikel befassen wir uns mit den Grundprinzipien von LoRaWAN, Möglichkeiten zum Aufbau eines eigenen Netzwerks und der Nutzung von Drittanbietern und sprechen auch über unsere Produkte, die LoRaWAN unterstützen.
Was ist LoRaWAN?
LoRaWAN ist eine Reihe von Protokollen, die physische und Netzwerkdatenübertragungsschichten für Geräte mit geringem Stromverbrauch und geringem Stromverbrauch definieren, die über große Entfernungen betrieben werden. Die Abkürzung LoRa bedeutet Long Range, also große Datenübertragungsstrecken, und WAN (Wide Area Network) bedeutet, dass das Protokoll auch die Netzwerkschicht beschreibt.
Im Gegensatz zu den bekannten drahtlosen Kommunikationsstandards GSM/3G/LTE/WiFi wurde LoRaWAN ursprünglich für die gleichzeitige Versorgung einer großen Anzahl von Teilnehmergeräten mit geringem Stromverbrauch entwickelt. Daher stehen Störfestigkeit, Energieeffizienz und Reichweite im Vordergrund. Gleichzeitig sind die maximalen Datenübertragungsraten auf nur wenige Kilobit pro Sekunde begrenzt.
Wie ein Mobilfunknetz verfügt LoRaWAN über Teilnehmergeräte und Basisstationen. Die Kommunikationsreichweite zwischen dem Teilnehmergerät und der Basisstation kann 10 km erreichen. In diesem Fall werden die Teilnehmergeräte in der Regel über eine Batterie mit Strom versorgt und befinden sich die meiste Zeit im Energiesparmodus, wobei sie gelegentlich für einen kurzfristigen Datenaustausch mit dem Server aufwachen. Beispielsweise können Wasserzähler alle paar Tage aufwachen und den aktuellen Wert der verbrauchten Wassermenge an den Server übermitteln, während sie die restliche Zeit im Schlafmodus bleiben. Dieser Ansatz ermöglicht es, Geräte zu erhalten, die mehrere Jahre lang funktionieren, ohne dass die Batterien ausgetauscht werden müssen. Die Aufgabe von LoRaWAN-Geräten besteht darin, die erforderlichen Daten so schnell wie möglich von der Basisstation zu senden/empfangen und die Funkwellen für andere Geräte freizugeben. Daher gelten im Netzwerk strenge Regeln für die Sendezeit. Geräte übertragen Daten erst, nachdem sie eine Bestätigung von der Basisstation erhalten haben. Dadurch können Sie die Belastung der Funkwellen auf der Serverseite steuern und Datenaustauschsitzungen gleichmäßig über die Zeit verteilen.
Der LoRa-Standard beschreibt die physikalische Schicht, Signalmodulation in den Frequenzbereichen 433 MHz, 868 MHz in Europa, 915 MHz Australien/Amerika und 923 MHz Asien. In Russland nutzt LoRaWAN das 868-MHz-Band.
So funktioniert LoRaWAN
Da LoRaWAN in einem nicht lizenzierten Bereich betrieben wird, vereinfacht es den Aufbau eines eigenen Netzwerks mit Basisstationen erheblich, sodass keine Abhängigkeit von Telekommunikationsbetreibern besteht. Neben der Bereitstellung Ihres eigenen Netzwerks können Sie auch die Netzwerke bestehender Betreiber nutzen. LoRaWAN-Anbieter gibt es bereits auf der ganzen Welt und seit kurzem tauchen auch in Russland auf, beispielsweise der Betreiber in vielen Städten mit Ihrem LoRaWAN-Netzwerk verbinden.
In Russland arbeitet LoRaWAN normalerweise im Bereich 866-869 MHz, die maximale Kanalbreite, die von einem Teilnehmergerät belegt wird, beträgt 125 kHz. So sieht der Datenaustausch über das LoRaWAN-Protokoll auf einem vom Habra-Benutzer Ruslan aufgezeichneten Spektrogramm aus Nadyrshin mit Hilfe von SDR.
In Russland wurden seit 2018 Gesetzesänderungen verabschiedet, die die Beschränkungen bei der Nutzung von 868-MHz-Frequenzen deutlich reduzieren. Sie können sich ausführlich über die neuen gesetzlichen Normen zur Regelung der LoRaWAN-Frequenzen in Russland informieren .
Basisstation — wird in der Terminologie der LoRaWAN-Standards als Gateway oder Hub bezeichnet. Vom Einsatzzweck her ähnelt dieses Gerät den Basisstationen herkömmlicher Mobilfunknetze: Endgeräte verbinden sich mit ihm und folgen seinen Anweisungen zur Auswahl von Kanälen, Leistung und Zeitfenstern für die Datenübertragung. Basisstationen sind mit einem zentralen Softwareserver verbunden, der Zugriff auf den Zustand des gesamten Netzwerks hat, sich um die Frequenzplanung kümmert usw.
Typischerweise sind LoRaWAN-Basisstationen an die stationäre Stromversorgung angeschlossen und verfügen über einen stabilen Internetzugang. Advantech bietet mehrere Modelle von Basisstationen der LoRaWAN-Serie an mit einer Kapazität von 100 und 500 Teilnehmergeräten und der Möglichkeit, sich über Ethernet und LTE mit dem Internet zu verbinden.
Teilnehmergerät - ein Client-Gerät mit geringem Stromverbrauch, das normalerweise über eine eigene Stromversorgung verfügt. Meistens befindet es sich im Schlaf-Energiesparmodus. Interagiert mit einem Remote-Anwendungsserver, um Daten zu senden/empfangen. Speichert Verschlüsselungsschlüssel zur Authentifizierung auf der Basisstation und dem Anwendungsserver. Kann im Abdeckungsbereich mehrerer Basisstationen liegen. Hält sich strikt an die Regeln für die Arbeit an der von der Basisstation empfangenen Luft. Geräte Advantech sind modulare I/O-Terminals mit verschiedenen analogen und digitalen Ein-/Ausgangsschnittstellen und seriellen RS-485/232-Schnittstellen.
Der Kunde kann seine eigenen LoRaWAN-Basisstationen einsetzen oder bestehende Netzwerke von Drittbetreibern nutzen
Öffentliches LoRaWAN-Netzwerk
Bei dieser Architektur werden Geräte mit dem öffentlichen Netzwerk eines Drittbetreibers verbunden. Der Kunde muss lediglich Abonnentengeräte kaufen, einen Vertrag mit dem Anbieter abschließen und Schlüssel für den Zugriff auf das Netzwerk erhalten. Gleichzeitig ist der Kunde vollständig auf den Versicherungsschutz des Betreibers angewiesen.
Beachten Sie, dass in einem öffentlichen LoRaWAN-Netzwerk möglicherweise strenge Einschränkungen hinsichtlich der Sendezeit gelten, die ein Gerät beanspruchen kann. Daher sind solche Netzwerke für Anwendungen, die einen häufigeren Datenaustausch erfordern, möglicherweise nicht geeignet.
Vor dem Senden von Daten fordert das Gerät die Erlaubnis zum Senden an und erst wenn die Basisstation mit einer Bestätigung antwortet, findet der Austausch statt.
Bei der Nutzung eines LoRaWAN-Netzwerks eines Drittanbieters nutzt der Kunde die Basisstationsinfrastruktur eines anderen und ist von der Abdeckung des Anbieters und seinen Datenübertragungsbeschränkungen abhängig
Dieser Ansatz bietet sich beispielsweise beim Austausch von Teilnehmergeräten in städtischen Gebieten an, in denen die erforderliche Infrastruktur bereits vorhanden ist. Zum Beispiel für die Installation von Sensoren in Wohngebäuden und bei geringer übertragener Datenmenge, für die Erfassung von Daten von Stromzählern oder Wasserverbrauch. Solche Geräte können alle paar Tage einmal Daten übertragen.
Privates LoRaWAN-Netzwerk
Bei der Bereitstellung eines privaten Netzwerks installiert der Kunde selbstständig Basisstationen und plant die Abdeckung. Dieser Ansatz ist praktisch, wenn Sie die vollständige Kontrolle über das Netzwerk benötigen oder an Standorten, an denen keine Netzabdeckung besteht.
In einem privaten Netzwerk hat der Kunde die vollständige Kontrolle über die Infrastruktur
Bei dieser Architektur investiert der Kunde einmalig in die Ausrüstung für den Aufbau von Basisstationen und ist nicht mehr auf Dienste und Drittbetreiber angewiesen. Diese Option eignet sich zum Aufbau eines Netzwerks an abgelegenen landwirtschaftlichen Standorten, Produktionsstätten usw. Ein eigenes Netzwerk erleichtert die Skalierung der bestehenden Infrastruktur, erhöht die Abdeckung, die Anzahl der Teilnehmergeräte und das übertragene Datenvolumen.
Teilnehmer-E/A-Terminals
Technische Eigenschaften
- Versionen für alle globalen LoRaWAN-Frequenzbänder
- Kommunikationsreichweite mit Basis zu 5km
- Erweiterungsmodule zum Anschluss Peripheriegeräte
- Gebaut 4000-mAh-Akku
- GPS-Modul (Galileo/BeiDou/GLONASS)
- Schutzart IP65
- USB-Programmierung
Seriengeräte sind modulare Terminals zum Anschluss verschiedener Peripheriegeräte an das LoRaWAN-Netzwerk. Mit ihrer Hilfe können Sie Daten von beliebigen digitalen und analogen Sensoren wie Thermometern, Hygrometern, Barometern, Beschleunigungsmessern usw. sammeln und andere Geräte über RS-232/485-Schnittstellen steuern. Es verfügt über einen eingebauten 4000-mA-Akku, der bis zu sechs Monate autonom betrieben werden kann. Integriert mit Solarmodulen zum Laden der Batterie. Mit dem integrierten GPS-Empfänger können Sie den Standort des Geräts genau bestimmen, was die Abrechnung und Installation vereinfacht: Geräte können ohne vorherige Eingabe in die Datenbank montiert werden und werden nach der Installation anhand der empfangenen Koordinaten automatisch mit dem Objekt verknüpft.
Die Programmierung und Konfiguration erfolgt über eine normale USB-Schnittstelle und erfordert keine zusätzlichen Controller und Programmierer, sodass sie vor Ort mit einem Laptop durchgeführt werden kann.
Schnittstellenmodule
Eine Reihe von Schnittstellen zum Anschließen externer Geräte wird über Schnittstellenmodule realisiert, die von unten angeschlossen werden. Zu einem Terminal Es kann ein Schnittstellenmodul angeschlossen werden. Je nach Aufgabenstellung des Kunden können dies digitale oder analoge Ein-/Ausgänge oder serielle Schnittstellen sein. Die Schnittstellenkontakte sind durch einen abgedichteten Stecker mit M12-Gewindeanschluss geschützt.
- — 4 analoge Eingänge und 4 digitale Eingänge
- WISE-S615-A – 6 Kanäle für RTD-Thermometer (Resistance Temperature Detector).
- WISE-S617-A – 6 digitale Eingänge, 2 serielle RS-232/485-Schnittstellen
Wzzard-Sensor der LRPv2-Serie
Sensoren der BB-Serie Hierbei handelt es sich um LoRaWAN-Teilnehmergeräte, die für die Datenerfassung in rauen Umgebungen konzipiert und für eine schnelle Installation ausgelegt sind. Sie verfügen über eine magnetische Basis und können ohne zusätzliche Befestigungselemente sicher an Metalloberflächen befestigt werden, sodass Sie schnell ein Netzwerk aus vielen Geräten aufbauen können. Der seitlich angebrachte, abgedichtete Schnittstellenstecker ist für den Anschluss externer Peripheriegeräte und Sensoren vorgesehen.
Technische Eigenschaften
- Betrieb in allen Frequenzbereichen LoRaWAN 868/915/923 MHz
- Magnetische Halterung auf Metalloberfläche
- Schnittstellen RS485 (Modbus), 4 analoge Eingänge, 2 digitale Ausgänge, 1 digitaler Ausgang
- Versiegelter Anschluss des Schnittstellenkabels
- Angetrieben durch 2 AA-Lithiumbatterien, Sonnenkollektoren oder 9~36 V Netzteil
- Schutzklasse IP66
- Betrieb bei Temperaturen -40 ~ 75°C
LoRaWAN-Basisstationen
Advantech bietet eine umfassende Palette an Geräten für die Bereitstellung eines privaten LoRaWAN-Netzwerks. Gateways-Serie dienen zum Anschluss von Teilnehmergeräten, wie z и und Übertragen von Daten an den Anwendungsserver. Die Linie umfasst Modelle, die den gleichzeitigen Anschluss von 100 und 500 Teilnehmergeräten unterstützen. Die Anbindung des Gateways an das Internet erfolgt über Ethernet, es sind auch Versionen mit integriertem 4G-Modem erhältlich. Unterstützt MQTT- und Modbus-Protokolle für die Datenübertragung zum Anwendungsserver.
Technische Eigenschaften
- Unterstützt alle LoRaWAN-Bänder
- Gleichzeitige Bedienung von 100 oder 500 Teilnehmergeräten
- Ethernet-Verbindung
- Optional: integriertes LTE-Modem
- Integrierter VPN-Server/Client
Abschluss
Die LoRaWAN-Technologie erregt zu Recht große Aufmerksamkeit unter den Industrielösungen und kann heute viele Geschäftsprobleme effektiv lösen. Doch für die meisten Kunden bleibt LoRaWAN immer noch eine wenig bekannte und unverständliche Technologie. Wir gehen davon aus, dass es in naher Zukunft eine ähnliche Verbreitung wie klassische Mobilfunknetze erreichen wird, was es unseren Kunden ermöglichen wird, autonome Internet-of-Things-Lösungen einfacher umzusetzen.
Source: habr.com