LoRaWAN je technológia, ktorá si rýchlo získava na popularite v oblasti riešení internetu vecí. Zároveň pre mnohých klientov zostáva málo prebádaný a exotický, preto je okolo neho veľa mýtov a mylných predstáv. V roku 2018 Rusko prijalo novely legislatívy o využívaní frekvencií LoRaWAN, ktoré rozširujú možnosti využitia tejto technológie bez licencie. Veríme, že teraz je ten najlepší čas začať používať túto technológiu na riešenie skutočných obchodných problémov.
V tomto článku sa pozrieme na základné princípy LoRaWAN, možnosti budovania vlastnej siete a využívania poskytovateľov tretích strán a tiež si povieme o našich produktoch, ktoré podporujú LoRaWAN.
Čo je LoRaWAN
LoRaWAN je sada protokolov, ktoré definujú vrstvy fyzického a sieťového prenosu údajov pre zariadenia s nízkou spotrebou a nízkou spotrebou, ktoré pracujú na veľké vzdialenosti. Skratka LoRa znamená Long Range, teda veľké vzdialenosti prenosu dát a WAN (Wide Area Network) znamená, že protokol popisuje aj sieťovú vrstvu.
Na rozdiel od dobre známych štandardov bezdrôtovej komunikácie GSM/3G/LTE/WiFi bol LoRaWAN pôvodne navrhnutý tak, aby súčasne slúžil obrovskému množstvu účastníckych zariadení s nízkou spotrebou. Hlavný dôraz sa preto kladie na odolnosť voči rušeniu, energetickú účinnosť a dosah. Zároveň sú maximálne rýchlosti prenosu dát obmedzené len na niekoľko kilobitov za sekundu.
Podobne ako mobilná sieť má LoRaWAN účastnícke zariadenia a základňové stanice. Komunikačný dosah medzi účastníckym zariadením a základňovou stanicou môže dosiahnuť 10 km. V tomto prípade sú účastnícke zariadenia zvyčajne napájané z batérie a väčšinu času sú v režime šetrenia energie, pričom sa občas zobudia kvôli krátkodobej výmene dát so serverom. Napríklad vodomery sa môžu prebudiť raz za niekoľko dní a odoslať aktuálnu hodnotu spotrebovaného objemu vody na server a zvyšok času zostať v režime spánku. Tento prístup umožňuje získať zariadenia, ktoré fungujú až niekoľko rokov bez potreby výmeny batérií. Úlohou zariadení LoRaWAN je čo najrýchlejšie vysielať/prijímať potrebné dáta zo základňovej stanice a uvoľniť éter pre ďalšie zariadenia, takže sieť má prísne pravidlá pre čas obsadený vo vzduchu. Zariadenia prenášajú údaje až po prijatí potvrdenia od základňovej stanice, čo vám umožňuje kontrolovať zaťaženie vysielania na strane servera a rovnomerne rozdeľovať relácie výmeny údajov v priebehu času.
Norma LoRa popisuje fyzickú vrstvu, moduláciu signálu vo frekvenčných rozsahoch 433 MHz, 868 MHz v Európe, 915 MHz Austrália/Amerika a 923 MHz Ázia. V Rusku LoRaWAN používa pásmo 868 MHz.
Ako funguje LoRaWAN
Keďže LoRaWAN funguje v nelicencovanom rozsahu, výrazne zjednodušuje nasadenie vlastnej siete so základňovými stanicami, v takom prípade nie je potrebné sa spoliehať na telekomunikačných operátorov. Okrem nasadenia vlastnej siete môžete využiť siete existujúcich operátorov. Poskytovatelia LoRaWAN už existujú po celom svete a nedávno sa začali objavovať aj v Rusku, napríklad operátor do vašej siete LoRaWAN v mnohých mestách.
V Rusku LoRaWAN zvyčajne pracuje v rozsahu 866-869 MHz, maximálna šírka kanála obsadená jedným účastníckym zariadením je 125 kHz. Takto vyzerá výmena dát cez protokol LoRaWAN na spektrograme, ktorý zaznamenal užívateľ habra Ruslan Nadyrshin s pomocou SDR.
V Rusku boli od roku 2018 prijaté novely zákonov, ktoré výrazne znižujú obmedzenia na používanie frekvencií 868 MHz. Podrobne si môžete prečítať o nových legislatívnych normách upravujúcich frekvencie LoRaWAN v Rusku .
Základná stanica — v terminológii štandardov LoRaWAN sa nazýva brána alebo hub. Z hľadiska účelu je toto zariadenie podobné základňovým staniciam bežných mobilných celulárnych sietí: koncové zariadenia sa k nemu pripájajú a riadia sa jeho pokynmi na výber kanálov, výkonu a časových úsekov na prenos dát. Základňové stanice sú napojené na centralizovaný softvérový server, ktorý má prístup k stavu celej siete ako celku, zaoberá sa frekvenčným plánovaním atď.
Základné stanice LoRaWAN sú zvyčajne pripojené k stacionárnemu napájaniu a majú stabilný prístup k internetu. Advantech ponúka niekoľko modelov základňových staníc série LoRaWAN s kapacitou 100 a 500 účastníckych zariadení, a možnosťou pripojenia na internet cez Ethernet a LTE.
Predplatiteľské zariadenie - klientske zariadenie s nízkou spotrebou energie, zvyčajne s vlastným napájaním. Väčšinu času je v režime šetrenia energie. Interaguje so vzdialeným aplikačným serverom na prenos/prijímanie údajov. Ukladá šifrovacie kľúče na autentifikáciu na základňovej stanici a aplikačnom serveri. Môže byť v oblasti pokrytia niekoľkých základňových staníc. Striktne dodržiava pravidlá pre prácu vo vzduchu prijímanom zo základnej stanice. Zariadenia Advantech sú modulárne I/O terminály s rôznymi analógovými a digitálnymi vstupno-výstupnými rozhraniami a sériovými rozhraniami RS-485/232.
Zákazník môže nasadiť svoje vlastné základňové stanice LoRaWAN alebo využiť existujúce siete operátorov tretích strán
Verejná sieť LoRaWAN
V tejto architektúre sú zariadenia pripojené k verejnej sieti operátora tretej strany. Klient si potrebuje iba zakúpiť účastnícke zariadenia a uzavrieť zmluvu s poskytovateľom a získať kľúče na prístup do siete. Klient je zároveň úplne závislý od pokrytia operátora.
Majte na pamäti, že verejná sieť LoRaWAN môže mať prísne obmedzenia na vysielací čas, ktorý môže zariadenie zaberať, takže pre aplikácie, ktoré vyžadujú častejšiu výmenu dát, takéto siete nemusia byť vhodné.
Pred odoslaním dát si zariadenie vyžiada povolenie na prenos a až keď základňová stanica odpovie potvrdením, dôjde k výmene.
Pri použití siete LoRaWAN tretej strany klient využíva infraštruktúru základnej stanice niekoho iného a závisí od pokrytia poskytovateľa a jeho obmedzení prenosu dát.
Tento prístup je vhodný napríklad pri výmene účastníckych zariadení v mestských oblastiach, kde už existuje potrebná infraštruktúra. Napríklad pre inštaláciu snímačov v obytných budovách a s malým množstvom prenášaných dát, pre zber údajov z elektromerov alebo spotreby vody. Takéto zariadenia môžu prenášať údaje raz za niekoľko dní.
Súkromná sieť LoRaWAN
Pri nasadení privátnej siete si zákazník samostatne inštaluje základňové stanice a plánuje pokrytie. Tento prístup je vhodný, keď potrebujete úplnú kontrolu nad sieťou alebo na miestach, kde neexistuje pokrytie operátorom.
V privátnej sieti má zákazník úplnú kontrolu nad infraštruktúrou
V tejto architektúre zákazník jednorazovo investuje do vybavenia na nasadenie základňových staníc a už nie je závislý od služieb a tretích operátorov. Táto možnosť je vhodná na budovanie siete na vzdialených poľnohospodárskych miestach, výrobných zariadeniach atď. Vlastná sieť uľahčuje škálovanie existujúcej infraštruktúry, zvýšenie pokrytia, počtu účastníckych zariadení a objemu prenášaných dát.
Účastnícke I/O terminály
Технические характеристики
- Verzie pre všetky globálne frekvenčné pásma LoRaWAN
- Komunikačný dosah so základňou do 5 km
- Rozširujúce moduly na pripojenie periférne zariadenia
- Vstavaný 4000 mAh batéria
- GPS modul (Galileo/BeiDou/GLONASS)
- Krytie IP65
- USB programovanie
Sériové zariadenia sú modulárne terminály na pripojenie rôznych periférnych zariadení do siete LoRaWAN. S ich pomocou môžete zbierať dáta z akýchkoľvek digitálnych a analógových senzorov, ako sú teplomery, vlhkomery, barometre, akcelerometre atď., a ovládať ďalšie zariadenia cez rozhrania RS-232/485. Má vstavanú 4000 mA batériu, ktorá dokáže fungovať autonómne až šesť mesiacov. Integruje sa so solárnymi panelmi na nabíjanie batérie. Zabudovaný GPS prijímač umožňuje presne určiť polohu zariadenia, čo zjednodušuje účtovanie a inštaláciu: zariadenia je možné namontovať bez predchádzajúceho vstupu do databázy a po inštalácii sa automaticky prepoja s objektom na základe prijatých súradníc.
Programovanie a konfigurácia sa vykonáva cez bežné rozhranie USB a nevyžaduje ďalšie ovládače a programátory, takže je možné vykonať na mieste pomocou prenosného počítača.
Moduly rozhrania
Sada rozhraní na pripojenie externých zariadení , je implementovaný pomocou modulov rozhrania, ktoré sú pripojené zospodu. Na jeden terminál možno pripojiť jeden modul rozhrania. V závislosti od úloh zákazníka to môžu byť digitálne alebo analógové vstupy/výstupy alebo sériové rozhrania. Kontakty rozhrania sú chránené utesneným konektorom so závitom M12.
- — 4 analógové vstupy a 4 digitálne vstupy
- WISE-S615-A - 6 kanálov pre RTD (Resistance Temperature Detector) teplomer
- WISE-S617-A - 6 digitálnych vstupov, 2 sériové rozhrania RS-232/485
Senzor Wzzard série LRPv2
Senzory série BB Ide o účastnícke zariadenia LoRaWAN určené na zber dát v náročných prostrediach a určené na rýchlu inštaláciu. Majú magnetickú základňu a dajú sa bezpečne pripevniť na kovové povrchy bez ďalších upevňovacích prvkov, čo umožňuje rýchle nasadenie siete mnohých zariadení. Utesnený konektor rozhrania, umiestnený na boku, je určený na pripojenie externých periférnych zariadení a senzorov.
Технические характеристики
- Prevádzka vo všetkých frekvenčných rozsahoch LoRaWAN 868/915/923MHz
- Magnetický držiak na kovový povrch
- Rozhrania RS485 (Modbus), 4 analógové vstupy, 2 digitálne výstupy, 1 digitálny výstup
- Utesnené pripojenie kábla rozhrania
- Napájanie pomocou 2 AA lítiových batérií, solárnych panelov alebo 9~36V napájacieho zdroja
- Trieda ochrany IP66
- Prevádzka pri teplotách -40 ~ 75°C
Základňové stanice LoRaWAN
Advantech ponúka celý rad zariadení na nasadenie súkromnej siete LoRaWAN. Séria Brány slúžia na pripojenie účastníckych zariadení, ako napr и a prenos údajov na aplikačný server. Linka zahŕňa modely, ktoré podporujú súčasné pripojenie 100 a 500 účastníckych zariadení. Brána je pripojená na internet cez Ethernet, dostupné sú aj verzie so zabudovaným 4G modemom. Podporuje protokoly MQTT a Modbus pre prenos dát na aplikačný server.
Технические характеристики
- Podporuje všetky pásma LoRaWAN
- Súčasný servis 100 alebo 500 účastníckych zariadení
- Ethernetové pripojenie
- Voliteľné: vstavaný LTE modem
- Vstavaný VPN server/klient
Záver
Technológia LoRaWAN zaslúžene púta veľkú pozornosť medzi priemyselnými riešeniami a dnes dokáže efektívne vyriešiť mnohé obchodné problémy. No pre väčšinu zákazníkov zostáva LoRaWAN stále málo známou a nepochopiteľnou technológiou. Veríme, že v blízkej budúcnosti bude rovnako rozšírený ako klasické mobilné siete, čo našim zákazníkom umožní jednoduchšie implementovať autonómne riešenia internetu vecí.
Zdroj: hab.com