LoRaWAN là công nghệ đang nhanh chóng phổ biến trong lĩnh vực giải pháp Internet of Things. Đồng thời, đối với nhiều khách hàng, nó vẫn còn ít được nghiên cứu và kỳ lạ, đó là lý do tại sao có nhiều huyền thoại và quan niệm sai lầm xung quanh nó. Năm 2018, Nga đã thông qua sửa đổi luật về sử dụng tần số LoRaWAN, nhằm mở rộng khả năng sử dụng công nghệ này mà không cần giấy phép. Chúng tôi tin rằng bây giờ là thời điểm tốt nhất để bắt đầu sử dụng công nghệ này để giải quyết các vấn đề kinh doanh thực tế.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét các nguyên tắc cơ bản của LoRaWAN, các tùy chọn để xây dựng mạng của riêng bạn và sử dụng các nhà cung cấp bên thứ ba, đồng thời nói về các sản phẩm hỗ trợ LoRaWAN của chúng tôi.
LoRaWAN là gì
LoRaWAN là một bộ giao thức xác định các lớp truyền dữ liệu mạng và vật lý cho các thiết bị tiêu thụ ít năng lượng, tiêu thụ điện năng thấp hoạt động trên khoảng cách xa. Chữ viết tắt LoRa có nghĩa là Tầm xa, nghĩa là khoảng cách truyền dữ liệu dài và WAN (Mạng diện rộng) có nghĩa là giao thức cũng mô tả lớp mạng.
Không giống như các tiêu chuẩn truyền thông không dây GSM/3G/LTE/WiFi nổi tiếng, LoRaWAN ban đầu được thiết kế để phục vụ đồng thời một số lượng lớn thiết bị thuê bao công suất thấp. Do đó, điểm nhấn chính là khả năng chống nhiễu, hiệu quả sử dụng năng lượng và phạm vi hoạt động. Đồng thời, tốc độ truyền dữ liệu tối đa được giới hạn ở mức chỉ vài kilobit/giây.
Giống như mạng di động, LoRaWAN có các thiết bị thuê bao và trạm gốc. Phạm vi liên lạc giữa thiết bị thuê bao và trạm gốc có thể đạt tới 10 km. Trong trường hợp này, các thiết bị thuê bao thường tự cấp nguồn bằng pin và phần lớn thời gian ở chế độ tiết kiệm năng lượng, thỉnh thoảng thức dậy để trao đổi dữ liệu ngắn hạn với máy chủ. Ví dụ: đồng hồ nước có thể thức dậy vài ngày một lần và truyền giá trị hiện tại của lượng nước tiêu thụ đến máy chủ và duy trì ở chế độ ngủ trong thời gian còn lại. Cách tiếp cận này giúp có thể có được các thiết bị hoạt động tới vài năm mà không cần thay pin. Nhiệm vụ của các thiết bị LoRaWAN là truyền/nhận dữ liệu cần thiết từ trạm gốc càng nhanh càng tốt và giải phóng sóng vô tuyến cho các thiết bị khác nên mạng có các quy định nghiêm ngặt về thời gian chiếm dụng trên không. Các thiết bị chỉ truyền dữ liệu sau khi nhận được xác nhận từ trạm gốc, điều này cho phép bạn kiểm soát tải trên sóng phát sóng ở phía máy chủ và phân bổ đều các phiên trao đổi dữ liệu theo thời gian.
Tiêu chuẩn LoRa mô tả lớp vật lý, điều chế tín hiệu trong các dải tần 433 MHz, 868 MHz ở Châu Âu, 915 MHz ở Úc/Mỹ và 923 MHz ở Châu Á. Ở Nga, LoRaWAN sử dụng băng tần 868 MHz.
Cách thức hoạt động của LoRaWAN
Vì LoRaWAN hoạt động trong phạm vi không được cấp phép nên nó đơn giản hóa đáng kể việc triển khai mạng riêng của mình với các trạm cơ sở, trong trường hợp đó không cần phải phụ thuộc vào các nhà khai thác viễn thông. Ngoài việc triển khai mạng của riêng mình, bạn có thể sử dụng mạng của các nhà khai thác hiện có. Các nhà cung cấp LoRaWAN đã tồn tại trên toàn thế giới và gần đây đã bắt đầu xuất hiện ở Nga, chẳng hạn như nhà điều hành vào mạng LoRaWAN của bạn ở nhiều thành phố.
Ở Nga, LoRaWAN thường hoạt động trong dải tần 866-869 MHz, độ rộng kênh tối đa mà một thiết bị thuê bao chiếm giữ là 125 kHz. Đây là giao thức trao đổi dữ liệu qua giao thức LoRaWAN trên biểu đồ phổ được ghi lại bởi người dùng habra Ruslan Nadyrshin với sự trợ giúp của SDR.
Ở Nga, kể từ năm 2018, các sửa đổi luật đã được thông qua nhằm giảm đáng kể các hạn chế đối với việc sử dụng tần số 868 MHz. Bạn có thể đọc chi tiết về các quy chuẩn pháp lý mới quy định tần số LoRaWAN ở Nga .
Trạm cơ sở — theo thuật ngữ của tiêu chuẩn LoRaWAN được gọi là cổng hoặc trung tâm. Về mục đích, thiết bị này tương tự như các trạm gốc của mạng di động thông thường: thiết bị đầu cuối kết nối với nó và làm theo hướng dẫn của nó để chọn kênh, nguồn và khe thời gian để truyền dữ liệu. Các trạm cơ sở được kết nối với một máy chủ phần mềm tập trung, có quyền truy cập vào trạng thái của toàn bộ mạng, xử lý việc lập kế hoạch tần số, v.v.
Thông thường, các trạm gốc LoRaWAN được kết nối với nguồn điện cố định và có khả năng truy cập Internet ổn định. Advantech cung cấp một số mô hình trạm gốc dòng LoRaWAN với dung lượng 100 và 500 thiết bị thuê bao, có khả năng kết nối Internet thông qua Ethernet và LTE.
Thiết bị thuê bao - một thiết bị khách có công suất thấp, thường tự cấp nguồn. Hầu hết thời gian nó ở chế độ tiết kiệm năng lượng khi ngủ. Tương tác với máy chủ ứng dụng từ xa để truyền/nhận dữ liệu. Lưu trữ các khóa mã hóa để xác thực tại trạm gốc và máy chủ ứng dụng. Có thể nằm trong vùng phủ sóng của một số trạm cơ sở. Tuân thủ nghiêm ngặt các quy tắc làm việc trên không nhận được từ trạm gốc. Thiết bị Advantech là các thiết bị đầu cuối I/O mô-đun, với nhiều giao diện đầu vào/đầu ra tương tự và kỹ thuật số khác nhau và giao diện nối tiếp RS-485/232.
Khách hàng có thể triển khai các trạm gốc LoRaWAN của riêng mình hoặc sử dụng mạng hiện có của các nhà khai thác bên thứ ba
Mạng LoRaWAN công cộng
Trong kiến trúc này, các thiết bị được kết nối với mạng công cộng của nhà điều hành bên thứ ba. Khách hàng chỉ cần mua thiết bị thuê bao và ký thỏa thuận với nhà cung cấp và nhận chìa khóa để truy cập mạng. Đồng thời, khách hàng hoàn toàn phụ thuộc vào phạm vi phủ sóng của nhà điều hành.
Hãy nhớ rằng mạng LoRaWAN công cộng có thể có những hạn chế nghiêm ngặt về thời gian phát sóng mà thiết bị có thể sử dụng, vì vậy, đối với các ứng dụng yêu cầu trao đổi dữ liệu thường xuyên hơn, các mạng như vậy có thể không phù hợp.
Trước khi gửi dữ liệu, thiết bị sẽ yêu cầu quyền truyền và chỉ khi trạm gốc phản hồi xác nhận thì quá trình trao đổi mới diễn ra.
Khi sử dụng mạng LoRaWAN của bên thứ ba, khách hàng sử dụng cơ sở hạ tầng trạm gốc của người khác và phụ thuộc vào phạm vi phủ sóng cũng như các hạn chế truyền dữ liệu của nhà cung cấp đó
Cách tiếp cận này thuận tiện, chẳng hạn như khi thay thế các thiết bị thuê bao ở khu vực thành thị, nơi đã có sẵn cơ sở hạ tầng cần thiết. Ví dụ: để lắp đặt cảm biến trong các tòa nhà dân cư và với một lượng nhỏ dữ liệu được truyền đi, để thu thập dữ liệu từ đồng hồ đo điện hoặc mức tiêu thụ nước. Những thiết bị như vậy có thể truyền dữ liệu vài ngày một lần.
Mạng LoRaWAN riêng
Khi triển khai mạng riêng, khách hàng sẽ cài đặt độc lập các trạm gốc và lập kế hoạch phủ sóng. Cách tiếp cận này thuận tiện khi bạn cần kiểm soát hoàn toàn mạng hoặc tại các địa điểm không có phạm vi phủ sóng của nhà điều hành.
Trong mạng riêng, khách hàng có toàn quyền kiểm soát cơ sở hạ tầng
Trong kiến trúc này, khách hàng đầu tư một lần vào thiết bị để triển khai các trạm cơ sở và không còn phụ thuộc vào dịch vụ và nhà điều hành bên thứ ba. Phương án này phù hợp để xây dựng mạng lưới tại các địa điểm nông nghiệp, cơ sở sản xuất xa xôi, v.v. Việc có mạng riêng giúp bạn dễ dàng mở rộng cơ sở hạ tầng hiện có, tăng phạm vi phủ sóng, số lượng thiết bị thuê bao và khối lượng dữ liệu được truyền đi.
Thiết bị đầu cuối I/O thuê bao
Технические характеристики
- Phiên bản dành cho tất cả các dải tần LoRaWAN toàn cầu
- Phạm vi liên lạc với cơ sở lên đến 5km
- Mô-đun mở rộng để kết nối thiết bị ngoại vi
- Được xây dựng trong pin 4000mAh
- Mô-đun GPS (Galileo/BeiDou/GLONASS)
- Bảo vệ IP65
- Lập trình USB
Dòng thiết bị là các thiết bị đầu cuối mô-đun để kết nối các thiết bị ngoại vi khác nhau với mạng LoRaWAN. Với sự trợ giúp của họ, bạn có thể thu thập dữ liệu từ bất kỳ cảm biến kỹ thuật số và analog nào, chẳng hạn như nhiệt kế, ẩm kế, phong vũ biểu, gia tốc kế, v.v. và điều khiển các thiết bị khác thông qua giao diện RS-232/485. Nó có pin 4000mA tích hợp, có thể hoạt động tự động trong tối đa sáu tháng. Tích hợp với tấm pin năng lượng mặt trời để sạc pin. Bộ thu GPS tích hợp cho phép bạn xác định chính xác vị trí của thiết bị, giúp đơn giản hóa việc tính toán và cài đặt: các thiết bị có thể được gắn mà không cần nhập cơ sở dữ liệu trước và sau khi cài đặt, chúng sẽ tự động được liên kết với đối tượng dựa trên tọa độ nhận được.
Việc lập trình và cấu hình được thực hiện thông qua giao diện USB thông thường và không yêu cầu bộ điều khiển và lập trình viên bổ sung, do đó có thể thực hiện tại chỗ bằng máy tính xách tay.
Mô-đun giao diện
Một bộ giao diện để kết nối các thiết bị bên ngoài với , được triển khai bằng cách sử dụng các mô-đun giao diện được kết nối từ bên dưới. Đến một thiết bị đầu cuối một mô-đun giao diện có thể được kết nối. Tùy thuộc vào nhiệm vụ của khách hàng, đây có thể là đầu vào/đầu ra kỹ thuật số hoặc analog hoặc giao diện nối tiếp. Các tiếp điểm giao diện được bảo vệ bằng đầu nối kín có kết nối ren M12.
- - 4 đầu vào analog và 4 đầu vào kỹ thuật số
- WISE-S615-A - 6 kênh cho nhiệt kế RTD (Đầu báo nhiệt độ điện trở)
- WISE-S617-A - 6 đầu vào kỹ thuật số, 2 giao diện nối tiếp RS-232/485
Cảm biến dòng Wzzard LRPv2
Cảm biến dòng BB Đây là các thiết bị thuê bao LoRaWAN được thiết kế để thu thập dữ liệu trong môi trường khắc nghiệt và được thiết kế để cài đặt nhanh chóng. Chúng có đế từ tính và có thể được gắn chắc chắn vào bề mặt kim loại mà không cần ốc vít bổ sung, điều này cho phép bạn nhanh chóng triển khai một mạng lưới gồm nhiều thiết bị. Đầu nối giao diện kín, nằm ở bên cạnh, được thiết kế để kết nối các thiết bị ngoại vi và cảm biến bên ngoài.
Технические характеристики
- Hoạt động ở mọi dải tần LoRaWAN 868/915/923 MHz
- Gắn nam châm trên bề mặt kim loại
- Giao diện RS485 (Modbus), 4 đầu vào analog, 2 đầu ra kỹ thuật số, 1 đầu ra kỹ thuật số
- Kết nối kín của cáp giao diện
- Được cung cấp bởi 2 pin lithium AA, tấm pin mặt trời hoặc nguồn điện 9 ~ 36V
- Lớp bảo vệ IP66
- Hoạt động ở nhiệt độ -40 ~ 75°C
Trạm cơ sở LoRaWAN
Advantech cung cấp đầy đủ các thiết bị để triển khai mạng LoRaWAN riêng. loạt cổng được sử dụng để kết nối các thiết bị thuê bao, chẳng hạn như и và truyền dữ liệu đến máy chủ ứng dụng. Đường dây này bao gồm các model hỗ trợ kết nối đồng thời 100 và 500 thiết bị thuê bao. Cổng được kết nối với Internet thông qua Ethernet, các phiên bản có modem 4G tích hợp cũng có sẵn. Hỗ trợ giao thức MQTT và Modbus để truyền dữ liệu đến máy chủ ứng dụng.
Технические характеристики
- Hỗ trợ tất cả các băng tần LoRaWAN
- Phục vụ đồng thời cho 100 hoặc 500 thiết bị thuê bao
- kết nối Ethernet
- Tùy chọn: modem LTE tích hợp
- Máy chủ/máy khách VPN tích hợp
Kết luận
Công nghệ LoRaWAN xứng đáng thu hút nhiều sự chú ý trong số các giải pháp công nghiệp và ngày nay nó có thể giải quyết hiệu quả nhiều vấn đề kinh doanh. Nhưng đối với hầu hết khách hàng, LoRaWAN vẫn là một công nghệ ít được biết đến và khó hiểu. Chúng tôi tin rằng trong tương lai gần, nó sẽ phổ biến rộng rãi như các mạng di động cổ điển, cho phép khách hàng của chúng tôi triển khai các giải pháp Internet of Things tự động dễ dàng hơn.
Nguồn: www.habr.com