LoRaWAN é uma tecnologia que está ganhando popularidade rapidamente na área de soluções de Internet das Coisas. Ao mesmo tempo, para muitos clientes permanece pouco estudado e exótico, razão pela qual existem muitos mitos e equívocos em torno dele. Em 2018, a Rússia adotou alterações na legislação sobre o uso de frequências LoRaWAN, que ampliam as possibilidades de utilização desta tecnologia sem licença. Acreditamos que agora é o melhor momento para começar a usar esta tecnologia para resolver problemas reais de negócios.
Neste artigo veremos os princípios básicos do LoRaWAN, opções para construir sua própria rede e usar provedores terceirizados, e também falar sobre nossos produtos que suportam LoRaWAN.
O que é LoRaWAN
LoRaWAN é um conjunto de protocolos que define camadas de transferência de dados físicos e de rede para dispositivos de baixo consumo e baixo consumo de energia operando em longas distâncias. A abreviatura LoRa significa Long Range, ou seja, longas distâncias de transmissão de dados, e WAN (Wide Area Network) significa que o protocolo também descreve a camada de rede.
Ao contrário dos conhecidos padrões de comunicação sem fio GSM/3G/LTE/WiFi, o LoRaWAN foi originalmente projetado para atender simultaneamente um grande número de dispositivos de assinantes de baixo consumo de energia. Portanto, a ênfase principal está na imunidade a interferências, eficiência energética e alcance. Ao mesmo tempo, as taxas máximas de transferência de dados são limitadas a apenas alguns kilobits por segundo.
Como uma rede celular, LoRaWAN possui dispositivos de assinante e estações base. O alcance de comunicação entre o dispositivo do assinante e a estação base pode chegar a 10 km. Nesse caso, os dispositivos do assinante geralmente são autoalimentados por bateria e na maioria das vezes estão no modo de economia de energia, acordando ocasionalmente para troca de dados de curto prazo com o servidor. Por exemplo, os hidrômetros podem acordar uma vez a cada poucos dias e transmitir o valor atual do volume de água consumido ao servidor, permanecendo no modo de hibernação o resto do tempo. Esta abordagem permite obter dispositivos que funcionam por vários anos sem a necessidade de substituição de baterias. A tarefa dos dispositivos LoRaWAN é transmitir/receber os dados necessários da estação base o mais rápido possível e liberar as ondas aéreas para outros dispositivos, de modo que a rede tenha regras rígidas para o tempo ocupado no ar. Os dispositivos transmitem dados somente após receberem a confirmação da estação base, o que permite controlar a carga nas ondas de rádio no lado do servidor e distribuir uniformemente as sessões de troca de dados ao longo do tempo.
O padrão LoRa descreve a camada física, modulação de sinal nas faixas de frequência de 433 MHz, 868 MHz na Europa, 915 MHz na Austrália/América e 923 MHz na Ásia. Na Rússia, LoRaWAN usa a banda de 868 MHz.
Como funciona o LoRaWAN
Como o LoRaWAN opera em uma faixa não licenciada, ele simplifica bastante a implantação de sua própria rede com estações base, caso em que não há necessidade de depender de operadoras de telecomunicações. Além de implantar sua própria rede, você pode utilizar as redes das operadoras existentes. Provedores LoRaWAN já existem em todo o mundo e começaram recentemente a aparecer na Rússia, por exemplo a operadora à sua rede LoRaWAN em muitas cidades.
Na Rússia, LoRaWAN geralmente opera na faixa de 866-869 MHz, a largura máxima do canal ocupada por um dispositivo de assinante é de 125 kHz. É assim que se parece a troca de dados através do protocolo LoRaWAN em um espectrograma gravado pelo usuário habra Ruslan Nadyrshin com a ajuda do SDR.
Na Rússia, desde 2018, foram adotadas alterações nas leis que reduzem significativamente as restrições ao uso das frequências de 868 MHz. Você pode ler em detalhes sobre as novas normas legislativas que regulam as frequências LoRaWAN na Rússia .
Estação base — na terminologia dos padrões LoRaWAN é chamado de gateway ou hub. Em termos de finalidade, este dispositivo é semelhante às estações base de redes celulares móveis convencionais: os dispositivos finais se conectam a ele e seguem suas instruções para selecionar canais, potência e intervalos de tempo para transmissão de dados. As estações base são conectadas a um servidor de software centralizado, que tem acesso ao estado de toda a rede como um todo, trata do planejamento de frequência, etc.
Normalmente, as estações base LoRaWAN estão conectadas à energia estacionária e têm acesso estável à Internet. Advantech oferece vários modelos de estações base da série LoRaWAN com capacidade para 100 e 500 dispositivos de assinantes e capacidade de conexão à Internet via Ethernet e LTE.
Dispositivo de assinante - um dispositivo cliente de baixo consumo de energia, geralmente com alimentação própria. Na maioria das vezes, ele está no modo de economia de energia. Interage com um servidor de aplicativos remoto para transmitir/receber dados. Armazena chaves de criptografia para autenticação na estação base e no servidor de aplicativos. Pode estar dentro da área de cobertura de várias estações base. Cumpre rigorosamente as regras de trabalho no ar recebido da estação base. Dispositivos Advantech são terminais de E/S modulares, com diversas interfaces de entrada/saída analógicas e digitais e interfaces seriais RS-485/232.
O cliente pode implantar suas próprias estações base LoRaWAN ou usar redes existentes de operadoras terceirizadas
Rede pública LoRaWAN
Nesta arquitetura, os dispositivos são conectados à rede pública de uma operadora terceirizada. O cliente só precisa adquirir dispositivos de assinante e firmar um contrato com o provedor e receber as chaves de acesso à rede. Ao mesmo tempo, o cliente fica totalmente dependente da cobertura da operadora.
Tenha em mente que uma rede LoRaWAN pública pode ter restrições estritas quanto ao tempo de antena que um dispositivo pode ocupar, portanto, para aplicações que exigem troca de dados mais frequente, tais redes podem não ser adequadas.
Antes de enviar os dados, o dispositivo solicita permissão para transmitir, e somente se a estação base responder com confirmação a troca ocorrerá.
Ao usar uma rede LoRaWAN de terceiros, o cliente usa a infraestrutura de estação base de outra pessoa e depende da cobertura do provedor e de suas restrições de transferência de dados
Esta abordagem é conveniente, por exemplo, ao substituir dispositivos de assinantes em áreas urbanas onde já existe a infra-estrutura necessária. Por exemplo, para instalação de sensores em edifícios residenciais e com pequena quantidade de dados transmitidos, para recolha de dados de contadores de eletricidade ou de consumo de água. Esses dispositivos podem transmitir dados uma vez a cada poucos dias.
Rede LoRaWAN privada
Ao implantar uma rede privada, o cliente instala estações base e planeja a cobertura de forma independente. Essa abordagem é conveniente quando você precisa de controle total sobre a rede ou em locais onde não existe cobertura da operadora.
Numa rede privada, o cliente tem controle total sobre a infraestrutura
Nessa arquitetura, o cliente faz um investimento único em equipamentos para implantação de estações base e não fica mais dependente de serviços e operadoras terceirizadas. Esta opção é adequada para construir uma rede em locais agrícolas remotos, instalações de produção, etc. Ter rede própria facilita dimensionar a infraestrutura existente, aumentar a cobertura, o número de dispositivos assinantes e o volume de dados transmitidos.
Terminais de E/S de assinante
características técnicas
- Versões para todas as bandas de frequência LoRaWAN globais
- Alcance de comunicação com base até 5km
- Módulos de expansão para conexão dispositivos periféricos
- Construído em Bateria de 4000mAh
- Módulo GPS (Galileu/BeiDou/GLONASS)
- Proteção IP65
- Programação USB
Dispositivos de série são terminais modulares para conectar vários dispositivos periféricos à rede LoRaWAN. Com a ajuda deles, você pode coletar dados de quaisquer sensores digitais e analógicos, como termômetros, higrômetros, barômetros, acelerômetros, etc., e controlar outros dispositivos através de interfaces RS-232/485. Possui bateria embutida de 4000mA, que pode operar de forma autônoma por até seis meses. Integra-se com painéis solares para carregar a bateria. O receptor GPS integrado permite determinar com precisão a localização do dispositivo, o que simplifica a contabilidade e a instalação: os dispositivos podem ser montados sem primeiro entrar no banco de dados e, após a instalação, são automaticamente vinculados ao objeto com base nas coordenadas recebidas.
A programação e configuração são realizadas através de uma interface USB normal e não requerem controladores e programadores adicionais, podendo ser feitas no local usando um laptop.
Módulos de interface
Um conjunto de interfaces para conectar dispositivos externos a , é implementado usando módulos de interface conectados por baixo. Para um terminal um módulo de interface pode ser conectado. Dependendo das tarefas do cliente, podem ser entradas/saídas digitais ou analógicas ou interfaces seriais. Os contatos da interface são protegidos por um conector selado com conexão roscada M12.
- — 4 entradas analógicas e 4 entradas digitais
- WISE-S615-A - 6 canais para termômetro RTD (Resistance Temperature Detector)
- WISE-S617-A - 6 entradas digitais, 2 interfaces seriais RS-232/485
Sensor da série Wzzard LRPv2
Sensores da série BB Esses são dispositivos de assinante LoRaWAN projetados para coleta de dados em ambientes hostis e para instalação rápida. Eles têm uma base magnética e podem ser fixados com segurança em superfícies metálicas sem fixadores adicionais, o que permite implantar rapidamente uma rede de vários dispositivos. O conector de interface selado, localizado na lateral, foi projetado para conectar sensores e dispositivos periféricos externos.
características técnicas
- Operação em todas as faixas de frequência LoRaWAN 868/915/923MHz
- Montagem magnética em superfície metálica
- Interfaces RS485 (Modbus), 4 entradas analógicas, 2 saídas digitais, 1 saída digital
- Conexão selada do cabo de interface
- Alimentado por 2 baterias de lítio AA, painéis solares ou fonte de alimentação de 9 ~ 36V
- Classe de proteção IP66
- Operação em temperaturas -40 ~ 75°C
Estações base LoRaWAN
A Advantech oferece uma gama completa de dispositivos para implantação de uma rede LoRaWAN privada. Série de portais são usados para conectar dispositivos de assinante, como и e transmitindo dados para o servidor de aplicativos. A linha inclui modelos que suportam a conexão simultânea de dispositivos de 100 e 500 assinantes. O gateway está conectado à Internet via Ethernet; também estão disponíveis versões com modem 4G integrado. Suporta protocolos MQTT e Modbus para transferência de dados para o servidor de aplicação.
características técnicas
- Suporta todas as bandas LoRaWAN
- Manutenção simultânea de dispositivos de 100 ou 500 assinantes
- Conexão Ethernet
- Opcional: modem LTE integrado
- Servidor/cliente VPN integrado
Conclusão
A tecnologia LoRaWAN atrai merecidamente muita atenção entre as soluções industriais e hoje pode resolver com eficácia muitos problemas de negócios. Mas para a maioria dos clientes, LoRaWAN ainda é uma tecnologia pouco conhecida e incompreensível. Acreditamos que num futuro próximo será tão difundido como as redes celulares clássicas, o que permitirá aos nossos clientes implementar mais facilmente soluções autónomas de Internet das Coisas.
Fonte: habr.com