LoRaWAN è una tecnologia che sta rapidamente guadagnando popolarità nel campo delle soluzioni Internet of Things. Allo stesso tempo, per molti clienti rimane poco studiato ed esotico, motivo per cui esistono molti miti e idee sbagliate attorno ad esso. Nel 2018, la Russia ha adottato modifiche alla legislazione sull’uso delle frequenze LoRaWAN, che ampliano le possibilità di utilizzo di questa tecnologia senza licenza. Crediamo che ora sia il momento migliore per iniziare a utilizzare questa tecnologia per risolvere problemi aziendali reali.
In questo articolo esamineremo i principi di base di LoRaWAN, le opzioni per costruire la propria rete e utilizzare fornitori di terze parti e parleremo anche dei nostri prodotti che supportano LoRaWAN.
Cos'è LoRaWAN
LoRaWAN è un insieme di protocolli che definiscono i livelli di trasferimento dati fisici e di rete per dispositivi a basso consumo che operano su lunghe distanze. L'abbreviazione LoRa significa Long Range, cioè lunghe distanze di trasmissione dati, e WAN (Wide Area Network) significa che il protocollo descrive anche lo strato di rete.
A differenza dei noti standard di comunicazione wireless GSM/3G/LTE/WiFi, LoRaWAN è stato originariamente progettato per servire contemporaneamente un numero enorme di dispositivi di abbonati a basso consumo. Pertanto, l'enfasi principale è sull'immunità alle interferenze, sull'efficienza energetica e sulla portata. Allo stesso tempo, la velocità massima di trasferimento dati è limitata a pochi kilobit al secondo.
Come una rete cellulare, LoRaWAN dispone di dispositivi di abbonamento e stazioni base. Il raggio di comunicazione tra il dispositivo dell'abbonato e la stazione base può raggiungere i 10 km. In questo caso, i dispositivi degli abbonati sono solitamente autoalimentati da una batteria e per la maggior parte del tempo sono in modalità di risparmio energetico, attivandosi occasionalmente per lo scambio di dati a breve termine con il server. Ad esempio, i contatori dell'acqua possono attivarsi una volta ogni pochi giorni e trasmettere il valore corrente del volume d'acqua consumato al server, e rimanere in modalità di sospensione per il resto del tempo. Questo approccio consente di ottenere dispositivi che funzionano fino a diversi anni senza la necessità di sostituire le batterie. Il compito dei dispositivi LoRaWAN è trasmettere/ricevere i dati necessari dalla stazione base il più rapidamente possibile e liberare le onde radio per altri dispositivi, quindi la rete ha regole rigide per il tempo trascorso in onda. I dispositivi trasmettono i dati solo dopo aver ricevuto conferma dalla stazione base, questo consente di controllare il carico sulle onde radio sul lato server e distribuire uniformemente le sessioni di scambio dati nel tempo.
Lo standard LoRa descrive il livello fisico, la modulazione del segnale nelle gamme di frequenza 433 MHz, 868 MHz in Europa, 915 MHz Australia/America e 923 MHz Asia. In Russia, LoRaWAN utilizza la banda 868 MHz.
Come funziona LoRaWAN
Poiché LoRaWAN opera in un raggio d'azione senza licenza, semplifica notevolmente l'implementazione della propria rete con stazioni base, nel qual caso non è necessario dipendere dagli operatori di telecomunicazioni. Oltre a implementare la propria rete, è possibile utilizzare le reti degli operatori esistenti. I fornitori LoRaWAN esistono già in tutto il mondo e recentemente hanno iniziato ad apparire anche in Russia, ad esempio l'operatore alla tua rete LoRaWAN in molte città.
In Russia, LoRaWAN opera solitamente nell'intervallo 866-869 MHz, la larghezza massima del canale occupata da un dispositivo dell'abbonato è 125 kHz. Questo è l'aspetto dello scambio di dati tramite il protocollo LoRaWAN su uno spettrogramma registrato dall'utente habra Ruslan Nadyrshin con l'aiuto di SDR.
In Russia, dal 2018, sono state adottate modifiche alle leggi che riducono significativamente le restrizioni sull'uso delle frequenze 868 MHz. Puoi leggere in dettaglio le nuove norme legislative che regolano le frequenze LoRaWAN in Russia .
Stazione base — nella terminologia degli standard LoRaWAN è chiamato gateway o hub. In termini di scopo, questo dispositivo è simile alle stazioni base delle reti cellulari convenzionali: i dispositivi terminali si collegano ad esso e seguono le sue istruzioni per selezionare canali, potenza e intervalli di tempo per la trasmissione dei dati. Le stazioni base sono collegate a un server software centralizzato, che ha accesso allo stato dell'intera rete nel suo insieme, si occupa della pianificazione delle frequenze, ecc.
In genere, le stazioni base LoRaWAN sono collegate all'alimentazione fissa e dispongono di un accesso Internet stabile. Advantech offre diversi modelli di stazioni base della serie LoRaWAN con una capacità di 100 e 500 dispositivi di abbonato e la possibilità di connettersi a Internet tramite Ethernet e LTE.
Dispositivo dell'abbonato - un dispositivo client a basso consumo, solitamente autoalimentato. Per la maggior parte del tempo è in modalità risparmio energetico. Interagisce con un server applicativo remoto per trasmettere/ricevere dati. Memorizza le chiavi di crittografia per l'autenticazione sulla stazione base e sul server delle applicazioni. Può trovarsi all'interno dell'area di copertura di diverse stazioni base. Aderisce rigorosamente alle regole per lavorare sull'aria ricevuta dalla stazione base. Dispositivi Advantech sono terminali I/O modulari, con varie interfacce di ingresso/uscita analogiche e digitali e interfacce seriali RS-485/232.
Il cliente può implementare le proprie stazioni base LoRaWAN o utilizzare le reti esistenti di operatori terzi
Rete LoRaWAN pubblica
In questa architettura i dispositivi sono collegati alla rete pubblica di un operatore terzo. Il cliente deve solo acquistare i dispositivi dell'abbonato, stipulare un accordo con il fornitore e ricevere le chiavi per accedere alla rete. Allo stesso tempo, il cliente dipende completamente dalla copertura dell’operatore.
Tieni presente che una rete LoRaWAN pubblica può avere rigide restrizioni sul tempo di trasmissione che un dispositivo può occupare, quindi per le applicazioni che richiedono uno scambio di dati più frequente, tali reti potrebbero non essere adatte.
Prima di inviare i dati, il dispositivo richiede il permesso di trasmettere e solo se la stazione base risponde con conferma, avrà luogo lo scambio.
Quando si utilizza una rete LoRaWAN di terze parti, il cliente utilizza l'infrastruttura della stazione base di qualcun altro e dipende dalla copertura del provider e dalle sue restrizioni sul trasferimento dei dati
Questo approccio è conveniente, ad esempio, quando si sostituiscono i dispositivi degli abbonati nelle aree urbane dove esiste già l'infrastruttura necessaria. Ad esempio, per l'installazione di sensori in edifici residenziali e con una piccola quantità di dati trasmessi, per la raccolta di dati dai contatori elettrici o dal consumo di acqua. Tali dispositivi possono trasmettere dati una volta ogni pochi giorni.
Rete LoRaWAN privata
Quando si installa una rete privata, il cliente installa autonomamente le stazioni base e pianifica la copertura. Questo approccio è utile quando è necessario il controllo completo sulla rete o nei siti in cui non esiste copertura da parte dell'operatore.
In una rete privata il cliente ha il controllo completo sull'infrastruttura
In questa architettura, il cliente effettua un investimento una tantum in apparecchiature per l'implementazione delle stazioni base e non dipende più da servizi e operatori terzi. Questa opzione è adatta per costruire una rete in siti agricoli remoti, impianti di produzione, ecc. Avere una propria rete rende più semplice scalare l’infrastruttura esistente, aumentare la copertura, il numero di dispositivi di abbonamento e il volume dei dati trasmessi.
Terminali I/O dell'abbonato
caratteristiche tecniche
- Versioni per tutte le bande di frequenza LoRaWAN globali
- Portata di comunicazione con base a 5km
- Moduli di espansione per il collegamento periferiche
- Incorporato Batteria da 4000 mAh
- Modulo GPS (Galileo/BeiDou/GLONASS)
- Protezione IP65
- Programmazione USB
Dispositivi in serie sono terminali modulari per connettere diversi dispositivi periferici alla rete LoRaWAN. Con il loro aiuto è possibile raccogliere dati da qualsiasi sensore digitale e analogico, come termometri, igrometri, barometri, accelerometri, ecc. e controllare altri dispositivi tramite interfacce RS-232/485. Ha una batteria integrata da 4000 mA, che può funzionare in modo autonomo fino a sei mesi. Si integra con i pannelli solari per caricare la batteria. Il ricevitore GPS integrato consente di determinare con precisione la posizione del dispositivo, il che semplifica la contabilità e l'installazione: i dispositivi possono essere montati senza prima entrare nel database e dopo l'installazione vengono automaticamente collegati all'oggetto in base alle coordinate ricevute.
La programmazione e la configurazione vengono eseguite tramite una normale interfaccia USB e non richiedono controller e programmatori aggiuntivi, quindi possono essere eseguite in loco utilizzando un laptop.
Moduli di interfaccia
Un set di interfacce a cui collegare dispositivi esterni , viene realizzato tramite moduli di interfaccia collegati dal basso. A un terminale è possibile collegare un modulo di interfaccia. A seconda dei compiti del cliente, questi possono essere ingressi/uscite digitali o analogici oppure interfacce seriali. I contatti dell'interfaccia sono protetti da un connettore sigillato con attacco filettato M12.
- — 4 ingressi analogici e 4 ingressi digitali
- WISE-S615-A - 6 canali per termometro RTD (rilevatore di temperatura a resistenza).
- WISE-S617-A - 6 ingressi digitali, 2 interfacce seriali RS-232/485
Sensore serie Wzzard LRPv2
Sensori della serie BB Si tratta di dispositivi per abbonati LoRaWAN progettati per la raccolta dati in ambienti difficili e progettati per un'installazione rapida. Hanno una base magnetica e possono essere fissati saldamente a superfici metalliche senza dispositivi di fissaggio aggiuntivi, il che consente di implementare rapidamente una rete di molti dispositivi. Il connettore di interfaccia sigillato, situato sul lato, è progettato per il collegamento di periferiche e sensori esterni.
caratteristiche tecniche
- Funzionamento in tutte le gamme di frequenza LoRaWAN 868/915/923 MHz
- Supporto magnetico su superficie metallica
- Interfacce RS485 (Modbus), 4 ingressi analogici, 2 uscite digitali, 1 uscita digitale
- Collegamento sigillato del cavo di interfaccia
- Alimentato da 2 batterie al litio AA, pannelli solari o alimentatore 9~36V
- Classe di protezione IP66
- Funzionamento a temperature -40 ~ 75°C
Stazioni base LoRaWAN
Advantech offre una gamma completa di dispositivi per l'implementazione di una rete LoRaWAN privata. Serie di gateway vengono utilizzati per collegare i dispositivi dell'abbonato, come и e trasmettere i dati al server delle applicazioni. La linea comprende modelli che supportano la connessione simultanea di 100 e 500 dispositivi abbonati. Il gateway si collega a Internet tramite Ethernet; sono disponibili anche versioni con modem 4G integrato. Supporta i protocolli MQTT e Modbus per il trasferimento dei dati al server delle applicazioni.
caratteristiche tecniche
- Supporta tutte le bande LoRaWAN
- Manutenzione simultanea di 100 o 500 dispositivi di abbonati
- Connessione Ethernet
- Opzionale: modem LTE integrato
- Server/client VPN integrato
conclusione
La tecnologia LoRaWAN attira meritatamente molta attenzione tra le soluzioni industriali e oggi può risolvere efficacemente molti problemi aziendali. Ma per la maggior parte dei clienti LoRaWAN rimane ancora una tecnologia poco conosciuta e incomprensibile. Crediamo che nel prossimo futuro avrà la stessa diffusione delle classiche reti cellulari, il che consentirà ai nostri clienti di implementare più facilmente soluzioni autonome di Internet of Things.
Fonte: habr.com