LoRaWAN - технологія, яка швидко набирає популярності у сфері рішень інтернету речей. При цьому для багатьох клієнтів залишається маловивченою та екзотичною, через що навколо неї існує безліч міфів та помилок. У 2018 році в Росії було прийнято поправки до законодавства про використання частот LoRaWAN, які розширюють можливості використання цієї технології без ліцензії. Ми вважаємо, що зараз найкращий момент для початку використання цієї технології у вирішенні реальних бізнес-завдань.
У статті ми розглянемо основні принципи роботи LoRaWAN, варіанти побудови власної мережі та використання сторонніх провайдерів, а також розповімо про наші продукти LoRaWAN.
Що таке LoRaWAN
LoRaWAN - набір протоколів, що визначають фізичний та мережевий рівні передачі даних для малопотужних пристроїв з низьким енергоспоживанням, що працює на великих відстанях. Абревіатура LoRa означає Long Range, тобто великі відстані передачі, a WAN (Wide Area Network) означає, що протокол визначає ще й мережевий рівень.
На відміну від широко відомих стандартів бездротового зв'язку GSM/3G/LTE/WiFi, LoRaWAN спочатку проектувався для одночасного обслуговування величезної кількості малопотужних абонентських пристроїв. Тому основний наголос зроблений на захищеність від перешкод, енергоефективність та дальність дії. При цьому максимальні швидкості передачі даних обмежені кількома кілобітами в секунду.
Подібно до стільникової мережі, в LoRaWAN є абонентські пристрої та базові станції. Дальність зв'язку абонентського пристрою з базовою станцією може досягати 10 км. При цьому абонентські пристрої зазвичай мають автономне живлення від батареї і більшу частину часу знаходяться в енергозберігаючому режимі, зрідка прокидаючись для короткочасного обміну даними з сервером. Так, наприклад, лічильники води можуть прокидатися раз на кілька днів і передавати поточне значення спожитого об'єму води на сервер, а решту часу перебувають у сплячому режимі. Такий підхід дозволяє отримати пристрої, що працюють до кількох років, без необхідності заміни акумуляторів. Завдання пристроїв LoRaWAN максимально швидко передати/отримати потрібні дані від базової станції та звільнити ефір для інших пристроїв, тому в мережі існують суворі правила на певний час в ефірі. Пристрої передають дані тільки після отримання підтвердження базової станції, це дозволяє контролювати навантаження на ефір з боку сервера і рівномірно розподіляти сеанси обміну даними в часі.
Стандарт LoRa описує фізичний рівень, модуляцію сигналу в діапазонах частот 433 MHz, 868 MHz у Європі, 915 MHz Австралія/Америка та 923 MHz Азія. У Росії для LoRaWAN використовується діапазон 868 МГц.
Як працює LoRaWAN
Оскільки LoRaWAN працює в діапазоні, що не ліцензується, це значно спрощує розгортання своєї власної мережі з базовими станціями, в такому випадку не потрібно залежати від операторів зв'язку. Крім розгортання власної мережі, можна використовувати мережі операторів. Провайдери LoRaWAN вже існують по всьому світу і з недавнього часу почали з'являтися і в Росії, наприклад, оператор до своєї LoRaWAN-мережі у багатьох містах.
У Росії зазвичай LoRaWAN працює в діапазоні 866-869 MHz, максимальна ширина каналу, яку займає один абонентський пристрій, становить 125 kHz. Так виглядає обмін даними протоколу LoRaWAN на спектрограмі, записаній хабракористувачем Русланом Надіршиним за допомогою SDR.
У Росії з 2018 року прийняті поправки до законів, які істотно знижують обмеження на використання частот 868 MHz. Детально про нові законодавчі норми, що регулюють частоти LoRaWAN в Росії, можна прочитати .
Базова станція - У термінології стандартів LoRaWAN називається шлюзом або концентратором. За призначенням цей пристрій схожий на базові станції звичайних мобільних мереж стільникового зв'язку: до нього підключаються кінцеві пристрої і виконують його вказівки щодо вибору каналів, потужності, тимчасових слотів для передачі даних. Базові станції підключаються до централізованого програмного сервера, який має доступом до стану всієї мережі загалом, займається плануванням частот тощо.
Зазвичай базові станції LoRaWAN підключені до стаціонарного живлення та мають стабільний доступ до інтернету. Advantech пропонує кілька моделей базових станцій LoRaWAN серії ємністю 100 та 500 абонентських пристроїв, та можливістю підключення до інтернету по Ethernet та LTE.
Абонентський пристрій — малопотужний клієнтський пристрій, що має звичайне автономне живлення. Більшість часу знаходиться в сплячому енергозберігаючому режимі. Взаємодіє з віддаленим сервером програм передачі/отримання даних. Зберігає ключі шифрування для автентифікації на базовій станції та сервері програм. Може перебувати у зоні дії кількох базових станцій. Строго дотримується правил роботи в ефірі, отримані від базової станції. Пристрої Advantech - це модульні I/O термінали, з різними аналоговими та цифровими інтерфейсами введення виводу та послідовними інтерфейсами RS-485/232.
Клієнт може розгорнути базові станції LoRaWAN або використовувати існуючі мережі сторонніх операторів.
Публічна мережа LoRaWAN
У цій архітектурі пристрої підключаються до мережі стороннього оператора. Клієнту необхідно придбати лише абонентські пристрої та укласти договір із провайдером, отримати ключі для доступу до мережі. При цьому клієнт повністю залежить від покриття оператора.
Потрібно мати на увазі, що в публічній мережі LoRaWAN можуть діяти жорсткі обмеження на час в ефірі, який може займати пристрій, тому для додатків, де необхідний частіший обмін даними, такі мережі можуть не підійти.
Перед надсиланням даних пристрій запитує про дозвіл на передачу, і тільки якщо базова станція відповість підтвердженням, обмін відбудеться.
При використанні сторонньої мережі LoRaWAN клієнт використовує чужу інфраструктуру базових станцій і залежить від покриття провайдера та його обмежень на передачу даних
Такий підхід зручний, приміром, при заміщенні абонентських пристроїв у міській забудові, де вже існує потрібна інфраструктура. Наприклад, для встановлення датчиків у житлових об'єктах і при малому обсязі даних, що передаються, для збору даних з лічильників електроенергії або витрати води. Подібні пристрої можуть надсилати дані раз на кілька днів.
Приватна мережа LoRaWAN
При розгортанні приватної мережі замовник самостійно встановлює базові станції та планує покриття. Такий підхід зручний, коли потрібен повний контроль над мережею, або ж на об'єктах, де немає покриття операторів.
У приватній мережі замовник повністю контролює інфраструктуру
У цій архітектурі замовник одноразово інвестує в обладнання для розгортання базових станцій і надалі не залежить від послуг та сторонніх операторів. Такий варіант підходить для побудови мережі на віддалених сільськогосподарських об'єктах, виробництві та ін. Власна мережа дозволяє легше масштабувати існуючу інфраструктуру, збільшувати покриття, число абонентських пристроїв і обсяг даних, що передаються.
Абонентські термінали введення-виводу
Технічні характеристики
- Версії для всіх світових частотних діапазонів LoRaWAN
- Дальність зв'язку з базою до 5км
- Модулі розширення для підключення периферійних пристроїв
- вбудований акумулятор на 4000mAh
- модуль GPS (Galileo/BeiDou/GLONASS)
- Захист IP65
- Програмування за інтерфейсом USB
Пристрої серії — це модульні термінали для підключення різних периферійних пристроїв до LoRaWAN мережі. З їх допомогою можна збирати дані з будь-яких цифрових та аналогових датчиків, таких як термометри, гігрометри, барометри, акселерометри тощо, керувати іншими пристроями за інтерфейсами RS-232/485. Має вбудований акумулятор на 4000 mA, на якому може працювати до півроку автономно. Інтегрується із сонячними батареями для заряджання акумулятора. Вбудований GPS-приймач дозволяє точно визначати розташування пристрою, що спрощує облік і монтаж: пристрої можуть монтуватися без попереднього закладу в базу даних, і після установки автоматично прив'язуються до об'єкта на основі отриманих координат.
Програмування та налаштування виконується за звичайним інтерфейсом USB і не вимагає додаткових контролерів та програматорів, тому може бути виконана на місці за допомогою ноутбука.
Інтерфейсні модулі
Набір інтерфейсів для підключення зовнішніх пристроїв реалізується за допомогою інтерфейсних модулів, які підключаються знизу. До одного терміналу можна підключити один інтерфейсний модуль. Залежно від завдань замовника це можуть бути цифрові або аналогові входи/виходи або послідовні інтерфейси. Контакти інтерфейсів захищені герметичним конектором з різьбовим з'єднанням M12.
- — 4 аналогові входи та 4 цифрові входи
- WISE-S615-A - 6 каналів для термометра типу RTD (Resistance Temperature Detector)
- WISE-S617-A — 6 цифрових входів, 2 послідовні інтерфейси RS-232/485
Датчик серії Wzzard LRPv2
Датчики серії BB це абонентські пристрої LoRaWAN, призначені для збору даних у жорстких умовах, та розраховані на швидкий монтаж. Вони мають магнітну основу і можуть надійно кріпитися на металеві поверхні без додаткового кріплення, що дозволяє швидко розгорнути мережу з багатьох пристроїв. Герметичний інтерфейсний роз'єм, розташований збоку, призначений для підключення зовнішніх периферійних пристроїв та датчиків.
Технічні характеристики
- Робота у всіх частотних діапазонах LoRaWAN 868/915/923MHz
- Магнітне кріплення на металеву поверхню
- Інтерфейси RS485 (Modbus), 4 аналогові входи, 2 цифрові виходи, 1 цифровий вихід
- Герметичне підключення інтерфейсного шлейфу
- Робота від 2 літієвих батарей формату AA, сонячних панелей або блоку живлення 9~36V
- Клас захищеності IP66
- Робота при температурах -40 ~ 75 ° C
Базові станції LoRaWAN
Advantech пропонує повний спектр пристроїв для розгортання приватної мережі LoRaWAN. Шлюзи серії служать для підключення абонентських пристроїв, таких як и , та передачі даних на сервер додатків. У лінійці представлені моделі, що підтримують одночасно підключення 100 та 500 абонентських пристроїв. Підключення шлюзу до інтернету виконується за допомогою Ethernet, також доступні версії з вбудованим 4G модемом. Підтримка протоколів MQTT та Modbus для передачі даних на сервер додатків.
Технічні характеристики
- Підтримка всіх діапазонів LoRaWAN
- Одночасне обслуговування 100 або 500 абонентських пристроїв
- Підключення по Ethernet
- Опціонально: вбудований LTE-модем
- Вбудований VPN сервер/клієнт
Висновок
Технологія LoRaWAN заслужено привертає велику увагу серед промислових рішень, і вже сьогодні дозволяє ефективно вирішувати багато бізнес-завдання. Але для більшості замовників LoRaWAN досі залишається маловідомою та незрозумілою технологією. Ми віримо, що в найближчому майбутньому вона буде такою ж поширеною, як і класичні мережі стільникового зв'язку, що дозволить нашим замовникам простіше впроваджувати автономні рішення інтернету речей.
Джерело: habr.com