LoRaWAN je tehnologija, ki hitro pridobiva na priljubljenosti na področju rešitev interneta stvari. Hkrati pa za mnoge stranke ostaja malo raziskano in eksotično, zato se okoli njega vrti veliko mitov in napačnih predstav. Leta 2018 je Rusija sprejela spremembe zakonodaje o uporabi frekvenc LoRaWAN, ki širijo možnosti uporabe te tehnologije brez licence. Verjamemo, da je zdaj najboljši čas, da začnete uporabljati to tehnologijo za reševanje resničnih poslovnih problemov.
V tem članku si bomo ogledali osnovna načela LoRaWAN, možnosti za izgradnjo lastnega omrežja in uporabo tretjih ponudnikov ter govorili tudi o naših izdelkih, ki podpirajo LoRaWAN.
Kaj je LoRaWAN
LoRaWAN je nabor protokolov, ki določajo fizične in omrežne plasti prenosa podatkov za naprave z nizko porabo energije, ki delujejo na velikih razdaljah. Okrajšava LoRa pomeni Long Range, torej velike razdalje prenosa podatkov, WAN (Wide Area Network) pa pomeni, da protokol opisuje tudi omrežno plast.
Za razliko od dobro znanih standardov brezžične komunikacije GSM/3G/LTE/WiFi je bil LoRaWAN prvotno zasnovan tako, da hkrati služi velikemu številu naročniških naprav z nizko porabo energije. Zato je glavni poudarek na odpornosti na motnje, energetski učinkovitosti in dosegu. Hkrati so največje hitrosti prenosa podatkov omejene na le nekaj kilobitov na sekundo.
Tako kot mobilno omrežje ima tudi LoRaWAN naročniške naprave in bazne postaje. Domet komunikacije med naročniško napravo in bazno postajo lahko doseže 10 km. V tem primeru se naročniške naprave običajno napajajo same iz baterije in so večino časa v varčnem načinu, občasno pa se prebudijo za kratkotrajno izmenjavo podatkov s strežnikom. Vodomer se lahko na primer prebudi enkrat na nekaj dni in strežniku posreduje trenutno vrednost porabljene količine vode, preostali čas pa ostane v načinu mirovanja. Ta pristop omogoča pridobitev naprav, ki delujejo do nekaj let brez potrebe po menjavi baterij. Naloga naprav LoRaWAN je, da čim hitreje oddajajo/sprejemajo potrebne podatke iz bazne postaje in sprostijo eter za druge naprave, zato ima omrežje stroga pravila glede časa zasedbe v etru. Naprave prenašajo podatke šele po prejemu potrditve od bazne postaje, kar vam omogoča nadzor nad obremenitvijo radijskih valov na strani strežnika in enakomerno porazdelitev sej izmenjave podatkov skozi čas.
Standard LoRa opisuje fizično plast, modulacijo signala v frekvenčnih območjih 433 MHz, 868 MHz v Evropi, 915 MHz v Avstraliji/Ameriki in 923 MHz v Aziji. V Rusiji LoRaWAN uporablja pas 868 MHz.
Kako deluje LoRaWAN
Ker LoRaWAN deluje v nelicenciranem območju, močno poenostavi postavitev lastnega omrežja z baznimi postajami, v tem primeru pa ni več odvisnosti od telekomunikacijskih operaterjev. Poleg postavitve lastnega omrežja lahko uporabljate omrežja obstoječih operaterjev. Ponudniki LoRaWAN že obstajajo po vsem svetu in so se pred kratkim začeli pojavljati v Rusiji, na primer operater v vaše omrežje LoRaWAN v številnih mestih.
V Rusiji LoRaWAN običajno deluje v območju 866–869 MHz, največja širina kanala, ki ga zaseda ena naročniška naprava, je 125 kHz. Tako je videti izmenjava podatkov prek protokola LoRaWAN na spektrogramu, ki ga je posnel uporabnik habre Ruslan Nadyrshin s pomočjo SDR.
V Rusiji so od leta 2018 sprejete spremembe zakonov, ki znatno zmanjšujejo omejitve uporabe frekvenc 868 MHz. Podrobno si lahko preberete o novih zakonodajnih normah, ki urejajo frekvence LoRaWAN v Rusiji .
Bazna postaja — v terminologiji standardov LoRaWAN se imenuje prehod ali vozlišče. Po namenu je ta naprava podobna baznim postajam običajnih mobilnih celičnih omrežij: nanjo se povežejo končne naprave in sledijo njenim navodilom za izbiro kanalov, moči in časovnih rež za prenos podatkov. Bazne postaje so povezane s centraliziranim programskim strežnikom, ki ima dostop do stanja celotnega omrežja kot celote, se ukvarja s frekvenčnim načrtovanjem itd.
Običajno so bazne postaje LoRaWAN priključene na stacionarno napajanje in imajo stabilen dostop do interneta. Advantech ponuja več modelov baznih postaj serije LoRaWAN s kapaciteto 100 in 500 naročniških naprav ter možnostjo povezave z internetom preko Etherneta in LTE.
Naročniška naprava - odjemalska naprava z nizko porabo energije, običajno z lastnim napajanjem. Večino časa je v načinu spanja, ki varčuje z energijo. Interakcija z oddaljenim aplikacijskim strežnikom za prenos/prejem podatkov. Shranjuje šifrirne ključe za avtentikacijo na bazni postaji in aplikacijskem strežniku. Lahko je v območju pokritosti več baznih postaj. Strogo se drži pravil za delo v zraku, ki ga prejema od bazne postaje. Naprave Advantech so modularni I/O terminali, z različnimi analognimi in digitalnimi vhodno/izhodnimi vmesniki ter serijskimi vmesniki RS-485/232.
Stranka lahko postavi lastne bazne postaje LoRaWAN ali uporabi obstoječa omrežja tretjih operaterjev
Javno omrežje LoRaWAN
V tej arhitekturi so naprave povezane z javnim omrežjem tretje osebe. Naročnik mora le kupiti naročniške naprave in skleniti pogodbo s ponudnikom ter prejeti ključe za dostop do omrežja. Hkrati je naročnik popolnoma odvisen od pokritosti operaterja.
Ne pozabite, da ima lahko javno omrežje LoRaWAN stroge omejitve glede časa, ki ga naprava lahko zasede, zato za aplikacije, ki zahtevajo pogostejšo izmenjavo podatkov, takšna omrežja morda niso primerna.
Naprava pred pošiljanjem podatkov zahteva dovoljenje za prenos in le če bazna postaja odgovori s potrditvijo, bo prišlo do izmenjave.
Pri uporabi omrežja LoRaWAN tretje osebe odjemalec uporablja infrastrukturo bazne postaje nekoga drugega in je odvisen od pokritosti ponudnika in njegovih omejitev prenosa podatkov
Ta pristop je primeren na primer pri zamenjavi naročniških naprav v mestnih območjih, kjer že obstaja potrebna infrastruktura. Na primer za vgradnjo senzorjev v stanovanjske objekte in z majhno količino prenesenih podatkov, za zbiranje podatkov iz števcev električne energije ali porabe vode. Takšne naprave lahko prenašajo podatke enkrat na nekaj dni.
Zasebno omrežje LoRaWAN
Pri postavitvi zasebnega omrežja stranka samostojno namesti bazne postaje in načrtuje pokritost. Ta pristop je primeren, ko potrebujete popoln nadzor nad omrežjem ali na mestih, kjer operater ne pokriva.
V zasebnem omrežju ima stranka popoln nadzor nad infrastrukturo
Pri tej arhitekturi stranka izvede enkratno naložbo v opremo za postavitev baznih postaj in ni več odvisna od storitev in tretjih operaterjev. Ta možnost je primerna za izgradnjo omrežja na oddaljenih kmetijskih območjih, proizvodnih obratih itd. Z lastnim omrežjem lažje širimo obstoječo infrastrukturo, povečujemo pokritost, število naročniških naprav in količino prenesenih podatkov.
Naročniški I/O terminali
Технические характеристики
- Različice za vse globalne frekvenčne pasove LoRaWAN
- Domet komunikacije z bazo do 5km
- Razširitveni moduli za povezavo periferne naprave
- Vgrajena 4000mAh baterija
- GPS modul (Galileo/BeiDou/GLONASS)
- Zaščita IP65
- USB programiranje
Serijske naprave so modularni terminali za priklop različnih perifernih naprav v omrežje LoRaWAN. Z njihovo pomočjo lahko zbirate podatke iz poljubnih digitalnih in analognih senzorjev, kot so termometri, higrometri, barometri, merilniki pospeška ipd., ter krmilite druge naprave preko vmesnikov RS-232/485. Ima vgrajeno 4000mA baterijo, ki lahko avtonomno deluje do šest mesecev. Integrira se s sončnimi kolektorji za polnjenje baterije. Vgrajen GPS sprejemnik vam omogoča natančno določitev lokacije naprave, kar poenostavi obračun in namestitev: naprave je mogoče namestiti brez predhodnega vnosa v bazo podatkov, po namestitvi pa se samodejno povežejo z objektom na podlagi prejetih koordinat.
Programiranje in konfiguracija poteka preko običajnega USB vmesnika in ne zahteva dodatnih krmilnikov in programatorjev, tako da se lahko izvaja na licu mesta s prenosnim računalnikom.
Vmesniški moduli
Nabor vmesnikov za povezavo zunanjih naprav , se izvaja z vmesniškimi moduli, ki so povezani od spodaj. Na en terminal lahko priključite en vmesniški modul. Glede na naloge naročnika so to lahko digitalni ali analogni vhodi/izhodi ali pa serijski vmesniki. Vmesniški kontakti so zaščiteni z zatesnjenim konektorjem z navojnim priključkom M12.
- — 4 analogni vhodi in 4 digitalni vhodi
- WISE-S615-A - 6 kanalov za RTD (Resistance Temperature Detector) termometer
- WISE-S617-A - 6 digitalnih vhodov, 2 serijska vmesnika RS-232/485
Senzor serije Wzzard LRPv2
Senzorji serije BB To so naročniške naprave LoRaWAN, namenjene zbiranju podatkov v težkih okoljih in zasnovane za hitro namestitev. Imajo magnetno podlago in jih je mogoče varno pritrditi na kovinske površine brez dodatnih pritrdilnih elementov, kar vam omogoča hitro postavitev mreže številnih naprav. Zaprti vmesniški konektor, ki se nahaja ob strani, je namenjen za priključitev zunanjih perifernih naprav in senzorjev.
Технические характеристики
- Delovanje v vseh frekvenčnih območjih LoRaWAN 868/915/923MHz
- Magnetni nosilec na kovinski površini
- Vmesniki RS485 (Modbus), 4 analogni vhodi, 2 digitalna izhoda, 1 digitalni izhod
- Zaprta povezava vmesniškega kabla
- Napaja 2 litijevi bateriji AA, sončne celice ali napajalnik 9~36 V
- Razred zaščite IP66
- Delovanje pri temperaturah -40 ~ 75°C
Bazne postaje LoRaWAN
Advantech ponuja celotno paleto naprav za postavitev zasebnega omrežja LoRaWAN. Serija prehodov se uporabljajo za priklop naročniških naprav, kot npr и in prenos podatkov na aplikacijski strežnik. Linija vključuje modele, ki podpirajo hkratno povezavo 100 in 500 naročniških naprav. Prehod je povezan z internetom prek etherneta, na voljo pa so tudi izvedbe z vgrajenim 4G modemom. Podpira protokola MQTT in Modbus za prenos podatkov na aplikacijski strežnik.
Технические характеристики
- Podpira vse pasove LoRaWAN
- Hkratno servisiranje 100 ali 500 naročniških naprav
- Ethernet povezava
- Opcijsko: vgrajen LTE modem
- Vgrajen strežnik/odjemalec VPN
Zaključek
Tehnologija LoRaWAN med industrijskimi rešitvami zasluženo pritegne veliko pozornosti in danes lahko učinkovito reši številne poslovne težave. Toda za večino strank LoRaWAN še vedno ostaja malo znana in nerazumljiva tehnologija. Verjamemo, da bo v bližnji prihodnosti tako razširjena kot klasična mobilna omrežja, kar bo našim uporabnikom omogočilo lažjo implementacijo avtonomnih rešitev interneta stvari.
Vir: www.habr.com