LoRaWAN to technologia, która szybko zyskuje popularność w obszarze rozwiązań Internetu Rzeczy. Jednocześnie dla wielu klientów pozostaje mało zbadany i egzotyczny, dlatego wokół niego krąży wiele mitów i nieporozumień. W 2018 roku Rosja przyjęła zmiany w przepisach dotyczących wykorzystania częstotliwości LoRaWAN, które rozszerzają możliwości korzystania z tej technologii bez licencji. Wierzymy, że teraz jest najlepszy moment, aby zacząć wykorzystywać tę technologię do rozwiązywania realnych problemów biznesowych.
W tym artykule przyjrzymy się podstawowym zasadom LoRaWAN, możliwościom budowy własnej sieci i korzystania z zewnętrznych dostawców, a także porozmawiamy o naszych produktach obsługujących LoRaWAN.
Co to jest LoRaWAN
LoRaWAN to zestaw protokołów definiujących fizyczne i sieciowe warstwy przesyłania danych dla urządzeń małej mocy i małej mocy działających na duże odległości. Skrót LoRa oznacza Long Range, czyli duże odległości transmisji danych, a WAN (Wide Area Network) oznacza, że protokół opisuje także warstwę sieciową.
W przeciwieństwie do znanych standardów komunikacji bezprzewodowej GSM/3G/LTE/WiFi, LoRaWAN został pierwotnie zaprojektowany do jednoczesnej obsługi ogromnej liczby urządzeń abonenckich o niskim poborze mocy. Dlatego główny nacisk położony jest na odporność na zakłócenia, efektywność energetyczną i zasięg. Jednocześnie maksymalne szybkości przesyłania danych są ograniczone do zaledwie kilku kilobitów na sekundę.
Podobnie jak sieć komórkowa, LoRaWAN składa się z urządzeń abonenckich i stacji bazowych. Zasięg komunikacji pomiędzy urządzeniem abonenckim a stacją bazową może sięgać 10 km. W tym przypadku urządzenia abonenckie zazwyczaj zasilane są samodzielnie z akumulatora i przez większość czasu znajdują się w trybie oszczędzania energii, budząc się okazjonalnie w celu krótkotrwałej wymiany danych z serwerem. Przykładowo wodomierze mogą budzić się raz na kilka dni i przekazywać do serwera aktualną wartość ilości zużytej wody, a przez resztę czasu pozostawać w stanie uśpienia. Dzięki takiemu podejściu możliwe jest uzyskanie urządzeń, które działają nawet kilka lat bez konieczności wymiany baterii. Zadaniem urządzeń LoRaWAN jest jak najszybsze przesłanie/odbiór niezbędnych danych ze stacji bazowej i uwolnienie fal radiowych dla innych urządzeń, dzięki czemu sieć ma rygorystyczne zasady dotyczące czasu przebywania w powietrzu. Urządzenia przesyłają dane dopiero po otrzymaniu potwierdzenia ze stacji bazowej, pozwala to kontrolować obciążenie fal radiowych po stronie serwera i równomiernie rozkładać sesje wymiany danych w czasie.
Standard LoRa opisuje warstwę fizyczną, modulację sygnału w zakresach częstotliwości 433 MHz, 868 MHz w Europie, 915 MHz Australia/Ameryka i 923 MHz Azja. W Rosji LoRaWAN wykorzystuje pasmo 868 MHz.
Jak działa LoRaWAN
Ponieważ LoRaWAN działa w zakresie nielicencjonowanym, znacznie ułatwia budowę własnej sieci wraz ze stacjami bazowymi, dzięki czemu nie ma konieczności polegania na operatorach telekomunikacyjnych. Oprócz wdrożenia własnej sieci można skorzystać z sieci istniejących operatorów. Dostawcy LoRaWAN istnieją już na całym świecie, a ostatnio zaczęli pojawiać się w Rosji, na przykład u operatora do Twojej sieci LoRaWAN w wielu miastach.
W Rosji LoRaWAN zwykle działa w zakresie 866-869 MHz, maksymalna szerokość kanału zajmowanego przez jedno urządzenie abonenckie wynosi 125 kHz. Tak wygląda wymiana danych poprzez protokół LoRaWAN na spektrogramie zarejestrowanym przez użytkownika Habra Ruslana Nadyrshin przy pomocy SDR.
W Rosji od 2018 roku przyjęto zmiany w przepisach, które znacząco zmniejszają ograniczenia w korzystaniu z częstotliwości 868 MHz. Możesz przeczytać szczegółowo o nowych normach prawnych regulujących częstotliwości LoRaWAN w Rosji .
Stacja bazowa — w terminologii standardów LoRaWAN nazywany jest bramą lub koncentratorem. Urządzenie to pod względem przeznaczenia przypomina stacje bazowe konwencjonalnych sieci komórkowych: urządzenia końcowe łączą się z nim i postępują zgodnie z jego instrukcjami dotyczącymi wyboru kanałów, mocy i przedziałów czasowych transmisji danych. Stacje bazowe są podłączone do scentralizowanego serwera oprogramowania, który ma dostęp do stanu całej sieci jako całości, zajmuje się planowaniem częstotliwości itp.
Zazwyczaj stacje bazowe LoRaWAN podłączone są do zasilania stacjonarnego i posiadają stabilny dostęp do Internetu. Advantech oferuje kilka modeli stacji bazowych serii LoRaWAN o pojemności 100 i 500 urządzeń abonenckich oraz możliwości podłączenia do Internetu poprzez Ethernet i LTE.
Urządzenie abonenckie - urządzenie klienckie o niskim poborze mocy, zwykle z własnym zasilaniem. Przez większość czasu znajduje się w trybie oszczędzania energii podczas snu. Współpracuje ze zdalnym serwerem aplikacji w celu przesyłania/odbierania danych. Przechowuje klucze szyfrujące do uwierzytelnienia na stacji bazowej i serwerze aplikacji. Może znajdować się w zasięgu kilku stacji bazowych. Ściśle przestrzega zasad pracy na powietrzu odbieranym ze stacji bazowej. Urządzenia Advantech to modułowe terminale we/wy z różnymi analogowymi i cyfrowymi interfejsami wejścia/wyjścia oraz interfejsami szeregowymi RS-485/232.
Klient może wdrożyć własne stacje bazowe LoRaWAN lub skorzystać z istniejących sieci operatorów zewnętrznych
Publiczna sieć LoRaWAN
W tej architekturze urządzenia są podłączone do sieci publicznej zewnętrznego operatora. Klient musi jedynie zakupić urządzenia abonenckie, zawrzeć umowę z dostawcą i otrzymać klucze umożliwiające dostęp do sieci. Jednocześnie klient jest całkowicie zależny od zasięgu operatora.
Należy pamiętać, że w publicznej sieci LoRaWAN mogą obowiązywać ścisłe ograniczenia dotyczące czasu antenowego zajmowanego przez urządzenie, więc w przypadku zastosowań wymagających częstszej wymiany danych takie sieci mogą nie być odpowiednie.
Przed wysłaniem danych urządzenie pyta o zgodę na transmisję i dopiero jeśli stacja bazowa odpowie potwierdzeniem, nastąpi wymiana.
Korzystając z sieci LoRaWAN innej firmy, klient korzysta z infrastruktury stacji bazowej innej firmy i jest zależny od zasięgu dostawcy i jego ograniczeń w przesyłaniu danych
Takie podejście jest wygodne np. przy wymianie urządzeń abonenckich na obszarach miejskich, gdzie istnieje już niezbędna infrastruktura. Na przykład do instalowania czujników w budynkach mieszkalnych i przy niewielkiej ilości przesyłanych danych, do zbierania danych z liczników energii elektrycznej lub zużycia wody. Urządzenia takie mogą przesyłać dane raz na kilka dni.
Prywatna sieć LoRaWAN
Wdrażając sieć prywatną, klient samodzielnie instaluje stacje bazowe i planuje pokrycie. Takie podejście jest wygodne, gdy potrzebujesz pełnej kontroli nad siecią lub w lokalizacjach, w których nie ma zasięgu operatora.
W sieci prywatnej klient ma pełną kontrolę nad infrastrukturą
W tej architekturze klient jednorazowo inwestuje w sprzęt do wdrażania stacji bazowych i nie jest już zależny od usług i operatorów zewnętrznych. Ta opcja jest odpowiednia do budowy sieci w odległych obszarach rolniczych, zakładach produkcyjnych itp. Posiadanie własnej sieci ułatwia skalowanie istniejącej infrastruktury, zwiększanie zasięgu, liczby urządzeń abonenckich i wolumenu przesyłanych danych.
Zaciski we/wy abonenta
Технические характеристики
- Wersje dla wszystkich globalnych pasm częstotliwości LoRaWAN
- Zasięg komunikacji z bazą do 5 km
- Moduły rozszerzeń do podłączenia urządzenia peryferyjne
- Zbudowany Bateria 4000 mAh
- Moduł GPS (Galileo/BeiDou/GLONASS)
- Ochrona IP65
- Programowanie USB
Urządzenia serii to modułowe terminale umożliwiające podłączenie różnych urządzeń peryferyjnych do sieci LoRaWAN. Za ich pomocą można zbierać dane z dowolnych czujników cyfrowych i analogowych, takich jak termometry, higrometry, barometry, akcelerometry itp. oraz sterować innymi urządzeniami poprzez interfejsy RS-232/485. Posiada wbudowany akumulator 4000mA, który może pracować autonomicznie aż do sześciu miesięcy. Integruje się z panelami słonecznymi w celu ładowania akumulatora. Wbudowany odbiornik GPS pozwala na dokładne określenie lokalizacji urządzenia, co upraszcza rozliczanie i instalację: urządzenia można montować bez konieczności wcześniejszego wpisania do bazy, a po instalacji automatycznie łączą się z obiektem na podstawie otrzymanych współrzędnych.
Programowanie i konfiguracja odbywa się poprzez zwykły interfejs USB i nie wymaga dodatkowych kontrolerów i programistów, dlatego można to zrobić na miejscu za pomocą laptopa.
Moduły interfejsu
Zestaw interfejsów do podłączenia urządzeń zewnętrznych , realizowany jest za pomocą modułów interfejsu, które są podłączane od dołu. Do jednego terminala można podłączyć jeden moduł interfejsu. W zależności od zadań Klienta mogą to być wejścia/wyjścia cyfrowe, analogowe lub interfejsy szeregowe. Styki interfejsu są chronione uszczelnionym złączem z gwintem M12.
- — 4 wejścia analogowe i 4 wejścia cyfrowe
- WISE-S615-A - 6 kanałów dla termometru RTD (rezystancyjnego czujnika temperatury)
- WISE-S617-A - 6 wejść cyfrowych, 2 interfejsy szeregowe RS-232/485
Czujnik serii Wzzard LRPv2
Czujniki serii BB Są to urządzenia abonenckie LoRaWAN przeznaczone do gromadzenia danych w trudnych warunkach i zaprojektowane z myślą o szybkiej instalacji. Posiadają podstawę magnetyczną i można je bezpiecznie przymocować do metalowych powierzchni bez dodatkowych elementów mocujących, co pozwala na szybkie wdrożenie sieci wielu urządzeń. Umieszczone z boku uszczelnione złącze interfejsu przeznaczone jest do podłączenia zewnętrznych urządzeń peryferyjnych i czujników.
Технические характеристики
- Praca we wszystkich zakresach częstotliwości LoRaWAN 868/915/923 MHz
- Mocowanie magnetyczne na metalowej powierzchni
- Interfejsy RS485 (Modbus), 4 wejścia analogowe, 2 wyjścia cyfrowe, 1 wyjście cyfrowe
- Uszczelnione połączenie kabla interfejsu
- Zasilany 2 bateriami litowymi AA, panelami słonecznymi lub zasilaczem 9 ~ 36 V
- Stopień ochrony IP66
- Praca w temperaturach -40 ~ 75°C
Stacje bazowe LoRaWAN
Advantech oferuje pełną gamę urządzeń do wdrażania prywatnej sieci LoRaWAN. Seria bramek służą do podłączenia urządzeń abonenckich, np и i przesyłanie danych do serwera aplikacji. W linii znajdują się modele umożliwiające jednoczesne podłączenie 100 i 500 urządzeń abonenckich. Bramka łączy się z Internetem poprzez Ethernet, dostępne są również wersje z wbudowanym modemem 4G. Obsługuje protokoły MQTT i Modbus do przesyłania danych do serwera aplikacji.
Технические характеристики
- Obsługuje wszystkie pasma LoRaWAN
- Jednoczesna obsługa 100 lub 500 urządzeń abonenckich
- Połączenie Ethernetowe
- Opcjonalnie: wbudowany modem LTE
- Wbudowany serwer/klient VPN
wniosek
Technologia LoRaWAN zasłużenie cieszy się dużym zainteresowaniem wśród rozwiązań przemysłowych, a dziś może skutecznie rozwiązać wiele problemów biznesowych. Jednak dla większości klientów LoRaWAN nadal pozostaje technologią mało znaną i niezrozumiałą. Wierzymy, że w najbliższej przyszłości będzie ona równie powszechna jak klasyczne sieci komórkowe, co pozwoli naszym klientom łatwiej wdrażać autonomiczne rozwiązania Internetu Rzeczy.
Źródło: www.habr.com