LoRaWAN é unha tecnoloxía que está a gañar rapidamente popularidade no campo das solucións de Internet das Cousas. Ao mesmo tempo, para moitos clientes segue sendo pouco estudado e exótico, polo que hai moitos mitos e equívocos ao seu redor. En 2018, Rusia adoptou emendas á lexislación sobre o uso de frecuencias LoRaWAN, que amplían as posibilidades de usar esta tecnoloxía sen licenza. Cremos que agora é o mellor momento para comezar a utilizar esta tecnoloxía para resolver problemas empresariais reais.
Neste artigo analizaremos os principios básicos de LoRaWAN, as opcións para construír a túa propia rede e usar provedores de terceiros, e tamén falaremos dos nosos produtos compatibles con LoRaWAN.
O que é LoRaWAN
LoRaWAN é un conxunto de protocolos que definen capas de transferencia de datos físicas e de rede para dispositivos de baixa potencia e baixa potencia que operan a longas distancias. A abreviatura LoRa significa Long Range, é dicir, longas distancias de transmisión de datos, e WAN (Wide Area Network) significa que o protocolo tamén describe a capa de rede.
A diferenza dos coñecidos estándares de comunicación sen fíos GSM/3G/LTE/WiFi, LoRaWAN foi deseñado orixinalmente para servir simultaneamente un gran número de dispositivos de subscritores de baixa potencia. Polo tanto, a principal énfase está na inmunidade ás interferencias, a eficiencia enerxética e o alcance. Ao mesmo tempo, as taxas máximas de transferencia de datos están limitadas a só uns poucos kilobits por segundo.
Do mesmo xeito que unha rede móbil, LoRaWAN ten dispositivos de subscritor e estacións base. O rango de comunicación entre o dispositivo do abonado e a estación base pode alcanzar os 10 km. Neste caso, os dispositivos dos subscritores adoitan alimentarse por si mesmos cunha batería e a maioría das veces están en modo de aforro de enerxía, espertándose ocasionalmente para intercambiar datos a curto prazo co servidor. Por exemplo, os contadores de auga poden espertar unha vez cada poucos días e transmitir o valor actual do volume de auga consumido ao servidor e permanecer en modo de suspensión o resto do tempo. Este enfoque permite obter dispositivos que funcionan ata varios anos sen necesidade de substituír as baterías. A tarefa dos dispositivos LoRaWAN é transmitir/recibir os datos necesarios desde a estación base o máis rápido posible e liberar as ondas para outros dispositivos, polo que a rede ten regras estritas para o tempo ocupado no aire. Os dispositivos transmiten datos só despois de recibir a confirmación da estación base, isto permítelle controlar a carga das ondas de radio do lado do servidor e distribuír uniformemente as sesións de intercambio de datos ao longo do tempo.
O estándar LoRa describe a capa física, a modulación do sinal nos rangos de frecuencia 433 MHz, 868 MHz en Europa, 915 MHz Australia/América e 923 MHz Asia. En Rusia, LoRaWAN usa a banda de 868 MHz.
Como funciona LoRaWAN
Dado que LoRaWAN opera nun rango sen licenza, simplifica moito a implantación da súa propia rede con estacións base, caso en que non hai necesidade de depender dos operadores de telecomunicacións. Ademais de implementar a súa propia rede, pode utilizar as redes dos operadores existentes. Os provedores de LoRaWAN xa existen en todo o mundo e recentemente comezaron a aparecer en Rusia, por exemplo o operador á súa rede LoRaWAN en moitas cidades.
En Rusia, LoRaWAN adoita operar no rango 866-869 MHz, o ancho máximo de canle ocupado por un dispositivo de abonado é de 125 kHz. Así se ve o intercambio de datos a través do protocolo LoRaWAN nun espectrograma gravado polo usuario de habra Ruslan Nadyrshin coa axuda de SDR.
En Rusia, desde 2018, adoptáronse emendas ás leis que reducen significativamente as restricións ao uso das frecuencias de 868 MHz. Podes ler en detalle sobre as novas normas lexislativas que regulan as frecuencias LoRaWAN en Rusia .
Estación base — na terminoloxía dos estándares LoRaWAN chámase pasarela ou hub. En termos de propósito, este dispositivo é semellante ás estacións base das redes móbiles móbiles convencionais: os dispositivos finais conéctanse a el e seguen as súas instrucións para seleccionar canles, potencia e franxas horarias para a transmisión de datos. As estacións base están conectadas a un servidor de software centralizado, que ten acceso ao estado de toda a rede no seu conxunto, se ocupa da planificación de frecuencias, etc.
Normalmente, as estacións base LoRaWAN están conectadas a enerxía estacionaria e teñen acceso estable a Internet. Advantech ofrece varios modelos de estacións base da serie LoRaWAN cunha capacidade de 100 e 500 dispositivos de abonado, e a posibilidade de conectarse a Internet a través de Ethernet e LTE.
Dispositivo de abonado - un dispositivo cliente de baixa potencia, normalmente autoalimentado. A maior parte do tempo está no modo de aforro de enerxía de sono. Interactúa cun servidor de aplicacións remoto para transmitir/recibir datos. Almacena claves de cifrado para a autenticación na estación base e no servidor de aplicacións. Pode estar dentro da área de cobertura de varias estacións base. Cumpre estrictamente as regras para traballar no aire recibido da estación base. Dispositivos Advantech son terminais de E/S modulares, con varias interfaces de entrada/saída analóxicas e dixitais e interfaces serie RS-485/232.
O cliente pode implantar as súas propias estacións base LoRaWAN ou usar redes existentes de operadores de terceiros
Rede pública LoRaWAN
Nesta arquitectura, os dispositivos están conectados á rede pública dun operador de terceiros. O cliente só ten que comprar dispositivos de subscritor e celebrar un acordo co provedor e recibir claves para acceder á rede. Ao mesmo tempo, o cliente depende completamente da cobertura do operador.
Teña en conta que unha rede LoRaWAN pública pode ter restricións estritas sobre o tempo de antena que pode ocupar un dispositivo, polo que para aplicacións que requiren un intercambio de datos máis frecuente, estas redes poden non ser adecuadas.
Antes de enviar datos, o dispositivo solicita permiso para transmitir e só se a estación base responde con confirmación, o intercambio terá lugar.
Cando utiliza unha rede LoRaWAN de terceiros, o cliente usa a infraestrutura da estación base doutra persoa e depende da cobertura do provedor e das súas restricións de transferencia de datos.
Este enfoque é conveniente, por exemplo, cando se substitúen os dispositivos de abonado en áreas urbanas onde xa existe a infraestrutura necesaria. Por exemplo, para instalar sensores en edificios residenciais e cunha pequena cantidade de datos transmitidos, para recoller datos de contadores de electricidade ou consumo de auga. Estes dispositivos poden transmitir datos unha vez cada poucos días.
Rede privada LoRaWAN
Ao implementar unha rede privada, o cliente instala de forma independente as estacións base e planifica a cobertura. Este enfoque é conveniente cando necesitas un control total sobre a rede ou en sitios onde non existe cobertura de operador.
Nunha rede privada, o cliente ten control total sobre a infraestrutura
Nesta arquitectura, o cliente realiza un investimento único en equipos para a implantación de estacións base e xa non depende de servizos e operadores alleos. Esta opción é adecuada para construír unha rede en lugares agrícolas remotos, instalacións de produción, etc. Ter a túa propia rede fai máis doado escalar a infraestrutura existente, aumentar a cobertura, o número de dispositivos de abonado e o volume de datos transmitidos.
Terminais de E/S do abonado
Технические характеристики
- Versións para todas as bandas de frecuencia LoRaWAN globais
- Rango de comunicación con base ata 5 km
- Módulos de expansión para conexión dispositivos periféricos
- Construído en Batería de 4000 mAh
- Módulo GPS (Galileo/BeiDou/GLONASS)
- Protección IP65
- Programación USB
Dispositivos da serie son terminais modulares para conectar varios dispositivos periféricos á rede LoRaWAN. Coa súa axuda, pode recoller datos de calquera sensor dixital e analóxico, como termómetros, higrómetros, barómetros, acelerómetros, etc., e controlar outros dispositivos mediante interfaces RS-232/485. Ten unha batería integrada de 4000 mA, que pode funcionar de forma autónoma ata seis meses. Intégrase con paneis solares para cargar a batería. O receptor GPS integrado permítelle determinar con precisión a localización do dispositivo, o que simplifica a contabilidade e a instalación: os dispositivos pódense montar sen entrar previamente na base de datos e, despois da instalación, ligáranse automaticamente ao obxecto en función das coordenadas recibidas.
A programación e configuración realízase a través dunha interface USB normal e non require controladores e programadores adicionais, polo que se pode facer no sitio usando un portátil.
Módulos de interface
Un conxunto de interfaces para conectar dispositivos externos , implétase mediante módulos de interface conectados desde abaixo. A un terminal pódese conectar un módulo de interface. Dependendo das tarefas do cliente, estas poden ser entradas/saídas dixitais ou analóxicas ou interfaces serie. Os contactos da interface están protexidos por un conector selado cunha conexión roscada M12.
- — 4 entradas analóxicas e 4 entradas dixitais
- WISE-S615-A - 6 canales para termómetro RTD (Detector de temperatura de resistencia)
- WISE-S617-A - 6 entradas dixitais, 2 interfaces serie RS-232/485
Sensor da serie Wzzard LRPv2
Sensores da serie BB Estes son dispositivos de subscritores LoRaWAN deseñados para a recollida de datos en ambientes duros e deseñados para unha instalación rápida. Teñen unha base magnética e pódense unir de forma segura a superficies metálicas sen elementos de fixación adicionais, o que lle permite despregar rapidamente unha rede de moitos dispositivos. O conector de interface selado, situado no lateral, está deseñado para conectar dispositivos e sensores periféricos externos.
Технические характеристики
- Funcionamento en todos os rangos de frecuencia LoRaWAN 868/915/923MHz
- Soporte magnético sobre superficie metálica
- Interfaces RS485 (Modbus), 4 entradas analóxicas, 2 saídas dixitais, 1 saída dixital
- Conexión selada do cable de interface
- Alimentado por 2 baterías de litio AA, paneis solares ou fonte de alimentación de 9 ~ 36 V
- Clase de protección IP66
- Funcionamento a temperaturas -40 ~ 75 °C
Estacións base LoRaWAN
Advantech ofrece unha gama completa de dispositivos para a implantación dunha rede LoRaWAN privada. Serie Gateways úsanse para conectar dispositivos de subscritores, como и , e transmitir datos ao servidor de aplicacións. A liña inclúe modelos que admiten a conexión simultánea de dispositivos de 100 e 500 abonados. A pasarela está conectada a Internet a través de Ethernet; tamén están dispoñibles versións con módem 4G incorporado. Admite protocolos MQTT e Modbus para a transferencia de datos ao servidor de aplicacións.
Технические характеристики
- Admite todas as bandas LoRaWAN
- Servizo simultáneo de dispositivos de 100 ou 500 abonados
- Conexión Ethernet
- Opcional: módem LTE incorporado
- Servidor/cliente VPN integrado
Conclusión
A tecnoloxía LoRaWAN merecidamente atrae moita atención entre as solucións industriais e hoxe pode resolver de forma eficaz moitos problemas comerciais. Pero para a maioría dos clientes, LoRaWAN segue sendo unha tecnoloxía pouco coñecida e incomprensible. Cremos que nun futuro próximo estará tan estendido como as clásicas redes móbiles, o que permitirá aos nosos clientes implementar máis facilmente solucións autónomas de Internet das Cousas.
Fonte: www.habr.com