Как LoRaWAN помогает строить современный интернет вещей



    LoRaWAN — технология, которая быстро набирает популярность в сфере решений интернета вещей. При этом для многих клиентов остается малоизученной и экзотической, из-за чего вокруг нее существует множество мифов и заблуждений. В 2018 году в России были приняты поправки в законодательство об использовании частот LoRaWAN, которые расширяют возможности использования данной технологии без лицензии. Мы считаем, что сейчас наилучший момент для начала использования этой технологии в решении реальных бизнес-задач.

    В статье мы рассмотрим основные принципы работы LoRaWAN, варианты построения собственной сети и использования сторонних провайдеров, а также расскажем о наших продуктах, поддерживающих LoRaWAN.

    Что такое LoRaWAN


    LoRaWAN — набор протоколов, определяющих физический и сетевой уровни передачи данных для маломощных устройств с низким энергопотреблением, работающий на больших расстояниях. Аббревиатура LoRa означает Long Range, то есть большие расстояния передачи данных, a WAN (Wide Area Network) означает, что протокол описывает еще и сетевой уровень.

    В отличие от широко известных стандартов беспроводной связи GSM/3G/LTE/WiFi, LoRaWAN изначально проектировался для одновременного обслуживания огромного числа маломощных абонентских устройств. Поэтому основной упор сделан на защищенность от помех, энергоэффективность и дальность действия. При этом максимальные скорости передачи данных ограничены всего несколькими килобитами в секунду.

    Подобно сотовой сети, в LoRaWAN есть абонентские устройства и базовые станции. Дальность связи абонентского устройства с базовой станцией может достигать 10км. При этом абонентские устройства обычно имеют автономное питание от батареи и большую часть времени находятся в энергосберегающем режиме, просыпаясь изредка для кратковременного обмена данными с сервером. Так, например, счетчики воды могут просыпаться раз в несколько дней и передавать текущее значение потребленного объема воды на сервер, а все остальное время находятся в спящем режиме. Такой подход позволяет получить устройства, работающие до нескольких лет без необходимости замены аккумуляторов. Задача устройств LoRaWAN максимально быстро передать/получить нужные данные от базовой станции и освободить эфир для других устройств, поэтому в сети существуют строгие правила на время, занимаемое в эфире. Устройства передают данные только после получения подтверждения от базовой станции, это позволяет контролировать нагрузку на эфир со стороны сервера и равномерно распределять сеансы обмена данными во времени.

    Стандарт LoRa описывает физический уровень, модуляцию сигнала в диапазонах частот 433 MHz, 868 MHz в Европе, 915 MHz Австралия/Америка и 923 MHz Азия. В России для LoRaWAN используется диапазон 868 MHz.

    Как работает LoRaWAN


    Так как LoRaWAN работает в нелицензируемом диапазоне, это значительно упрощает развертывание своей собственной сети с базовыми станциями, в таком случае не нужно зависеть от операторов связи. Помимо развертывания собственной сети, можно использовать сети существующих операторов. Провайдеры LoRaWAN уже существуют по всему миру и с недавнего времени начали появляться и в России, например оператор Эр-Телеком уже предлагает подключение к своей LoRaWAN-сети во многих городах.

    В России обычно LoRaWAN работает в диапазоне 866—869 MHz, максимальная ширина канала, занимаемая одним абонентским устройством, составляет 125 kHz. Так выглядит обмен данными по протоколу LoRaWAN на спектрограмме, записанной хабрапользователем Русланом ElectricFromUfa Надыршиным с помощью SDR.



    В России с 2018 года приняты поправки в законы, существенно снижающие ограничения на использование частот 868 MHz. Подробно о новых законодательных нормах, регулирующих частоты LoRaWAN в России можно прочитать в этой статье.

    Базовая станция — в терминологии стандартов LoRaWAN называется шлюзом или концентратором. По назначению это устройство схоже с базовыми станции обычных мобильных сетей сотовой связи: к нему подключаются конечные устройства и выполняют его указания по выбору каналов, мощности, временных слотов для передачи данных. Базовые станции подключаются к централизованному программному серверу, который имеет доступ к состоянию всей сети в целом, занимается планированием частот и т.д.
    Обычно базовые станции LoRaWAN подключены к стационарному питанию и имеют стабильный доступ в интернет. Advantech предлагает несколько моделей базовых станций LoRaWAN серии WISE-6610 емкостью 100 и 500 абонентских устройств, и возможностью подключения к интернету по Ethernet и LTE.

    Абонентское устройство — маломощное клиентское устройство, обычное имеющее автономное питание. Большую часть времени находится в спящем энергосберегающем режиме. Взаимодействует с удаленным сервером приложений для передачи/получения данных. Хранит ключи шифрования для аутентификации на базовой станции и сервере приложений. Может находится в зоне действия нескольких базовых станций. Строго соблюдает правила по работе в эфире, полученные от базовой станции. Устройства Advantech WISE-4610 — это модульные I/O терминалы, с различными аналоговыми и цифровыми интерфейсами ввода вывода и последовательными интерфейсами RS-485/232.


    Клиент может развернуть свои базовые станции LoRaWAN или использовать существующие сети сторонних операторов

    Публичная сеть LoRaWAN


    В данной архитектуре устройства подключаются к публичной сети стороннего оператора. Клиенту необходимо приобрести только абонентские устройства и заключить договор с провайдером, получить ключи для доступа к сети. При этом клиент полностью зависим от покрытия оператора.
    Нужно иметь в виду, что в публичной сети LoRaWAN могут действовать жесткие ограничения на время в эфире, которое может занимать устройство, поэтому для приложений, где необходим более частый обмен данными, такие сети могут не подойти.
    Перед отправкой данных устройство запрашивает разрешение на передачу, и только если базовая станция ответит подтверждением, обмен состоится.


    При использовании сторонней сети LoRaWAN, клиент использует чужую инфраструктуру базовых станций и зависит от покрытия провайдера и его ограничений на передачу данных

    Такой подход удобен, например, при замещении абонентских устройств в городской застройке, где уже существует нужная инфраструктура. Например, для установки датчиков в жилых объектах и при малом объеме передаваемых данных, для сбора данных со счетчиков электроэнергии или расхода воды. Подобные устройства могут передавать данные раз в несколько дней.

    Приватная сеть LoRaWAN


    При развертывании приватной сети заказчик самостоятельно устанавливает базовые станции и планирует покрытие. Такой подход удобен, когда нужен полный контроль над сетью, или же на объектах, где не существует покрытия операторов.


    В приватной сети заказчик полностью контролирует инфраструктуру

    В данной архитектуре заказчик единоразово инвестирует в оборудование для развертывания базовых станций и далее не зависит от услуг и сторонних операторов. Такой вариант подходит для построения сети на удаленных сельскохозяйственных объектах, производстве и т.д. Собственная сеть позволяет легче масштабировать существующую инфраструктуру, увеличивать покрытие, число абонентских устройств и объем передаваемых данных.

    Абонентские терминалы ввода-вывода WISE-4610



    Технические характеристики

    • Версии для всех мировых частотных диапазонов LoRaWAN
    • Дальность связи с базой до 5км
    • Модули расширения для подключения периферийных устройств
    • Встроенный аккумулятор на 4000mAh
    • Модуль GPS (Galileo/BeiDou/GLONASS)
    • Защита IP65
    • Программирование по интерфейсу USB

    Устройства серии WISE-4610 — это модульные терминалы для подключения различных периферийных устройств к сети LoRaWAN. С их помощью можно собирать данные с любых цифровых и аналоговых датчиков, таких как термометры, гигрометры, барометры, акселерометры и т.д., управлять другими устройствами по интерфейсам RS-232/485. Имеет встроенный аккумулятор на 4000mA, на котором может работать до полугода автономно. Интегрируется с солнечными батареями для зарядки аккумулятора. Встроенный приемник GPS позволяет точно определять местоположение устройства, что упрощает учет и монтаж: устройства могут монтироваться без предварительного заведения в базу данных, и после установки автоматически привязываются к объекту на основе полученных координат.

    Программирование и настройка выполняется по обычному интерфейсу USB и не требует дополнительных контроллеров и программаторов, поэтому может быть выполнена на месте с помощью ноутбука.

    Интерфейсные модули


    Набор интерфейсов для подключения внешних устройств к WISE-4610, реализуется с помощью интерфейсных модулей, которые подключаются снизу. К одному терминалу WISE-4610 можно подключить один интерфейсный модуль. В зависимости от задач заказчика это могут быть цифровые или аналоговые входы/выходы, или последовательные интерфейсы. Контакты интерфейсов защищены герметичным коннектором с резьбовым соединением M12.

    • WISE-S614-A — 4 аналоговых входа и 4 цифровых входа
    • WISE-S615-A — 6 каналов для термометра типа RTD (Resistance Temperature Detector)
    • WISE-S617-A — 6 цифровых входов, 2 последовательных интерфейса RS-232/485

    Датчик серии Wzzard LRPv2


    Датчики серии BB Wzzard LRPv2 это абонентские устройства LoRaWAN, предназначенные для сбора данных в жестких условиях, и рассчитанные на быстрый монтаж. Они имеют магнитную основу и могут надежно крепиться на металлические поверхности без дополнительного крепежа, что позволяет быстро развернуть сеть из множества устройств. Герметичный интерфейсный разъем, расположенный сбоку, предназначен для подключения внешних периферийных устройств и датчиков.



    Технические характеристики

    • Работа во всех частотных диапазонах LoRaWAN 868/915/923MHz
    • Магнитное крепление на металлическую поверхность
    • Интерфейсы RS485 (Modbus), 4 аналоговых входа, 2 цифровых выхода, 1 цифровой выход
    • Герметичное подключение интерфейсного шлейфа
    • Работа от 2 литиевых батарей формата AA, солнечных панелей или блока питания 9~36V
    • Класс защищенности IP66
    • Работа при температурах -40 ~ 75°C

    Базовые станции LoRaWAN WISE-6610


    Advantech предлагает полный спектр устройств для развертывания приватной сети LoRaWAN. Шлюзы серии WISE-6610 служат для подключения абонентских устройств, таких как WISE-4610 и Wzzard LRPv2, и передачи данных на сервер приложений. В линейке представлены модели, поддерживающие одновременно подключение 100 и 500 абонентских устройств. Подключение шлюза к интернету выполняется по Ethernet, также доступны версии со встроенным 4G модемом. Поддержка протоколов MQTT и Modbus для передачи данных на сервер приложений.



    Технические характеристики

    • Поддержка всех диапазонов LoRaWAN
    • Одновременное обслуживание 100 или 500 абонентских устройств
    • Подключение по Ethernet
    • Опционально: встроенный LTE-модем
    • Встроенный VPN сервер/клиент

    Заключение


    Технология LoRaWAN заслуженно привлекает большое внимание в среде промышленных решений, и уже сегодня позволяет эффективно решать многие бизнес-задачи. Но для большинства заказчиков LoRaWAN до сих пор остается малоизвестной и непонятной технологией. Мы верим, что в ближайшем будущем она будет так же распространена, как и классические сети сотовой связи, что позволит нашим заказчикам проще внедрять автономные решения интернета вещей.
    Advantech IIoT
    Наша миссия — создание умной планеты.

    Комментарии 30

      +7
      А поскольку это Advantech, то приготовьтесь к конскому ценнику, дубовому исполнению и софтверным глюкам, которые никто не поспешит исправлять.
        0
        Расскажите, пожалуйста, о столь негативном опыте.
        0
        Оффтоп: кто-нибудь уже тестировал?
          +1

          Заказали, ждем. Как протестим — расскажу впечатления)

            +1
            Дааа, я тестирую, уже даже нашел баг в RouterOS, поддержка обещает исправить в следующем релизе.

            Будет подробная инструкция как все поднять с нуля)
          • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
              0
              В европе есть, там The Things Network достаточно широко развит, в России базовых станций открытых всего чутьчуть
              0
              А в реальности кто нибудь тестировал сеть Лораван? И второй вопрос 868мГц какой именно диапазон RU868 или EU868?
              Вопрос про тесты меня очень волнует потому что я собрал 3 лораван устройства и подллючил к одной базовке, и столкнулся с тем что окно передачи данных просто гигансткое и при высокой скорости обмена данных невозможно пользоваться сетью вообще, половина пакетов просто теряется. Я понимаю что вся идеология ЛОраван построена на передаче одного пакета один раз в сутки ) Но сейчас везде пытаются ее впихнуть )
                0

                Мы тестировали, сейчас сеть в коммерческой эксплуатации. Можете мои статьи почитать, я там наш болезненный опыт стараюсь излагать максимально честно)


                Лора — специфичная технология. Ее действительно суют куда надо и куда не надо.
                А эти проклятые "до 10 км" уже оскомину набили. Все ж читают как 10 км)))) Сразу готов поставить плюс статье, в которой пишут "реальный радиус — 2-3 км в городе, 5 за городом")

                  +1
                  В промо материалах для наших LoRa-устройств мы указываем дальность работы 2-5км в условиях города.
                    0
                    Я если честно и 2км то не получил в городе ) у меня конечно базовка комнатная но блин… она все равно грустно работает. Да дальше чем все остальные каналы связи.
                      0
                      Если у вас базовка комнатная, на что вы жалуетесь?) Лора — это не чудо, это одна из вариаций радиосвязи. Все законы радиопланирования тут работают, нарушение этих законов ведет к снижению дальности.
                      Антенна должна стоять на одной из доминирующих высот района. Антенна должна быть качественной, с хорошим усилением. Вблизи не должно быть преград из металла или бетона. И сотовиков GSM-900. Тогда все будет работать.
                      В иных случаях ни о каких километрах говорить не приходится.
                      Я потому так не люблю этот Лора-маркетинг. Все считают, что там не технология, а чудо какое-то. Положил хлипенькую антенну на подоконник и получил 10 километров. Так не будет.
                        0
                        Я все прекрасно понимаю и не жалуюсь ) Смысла жаловаться нет, технология слишком узкая все равно.
                  0

                  У меня вопрос. Как в ваших модулях реализована работа по RS-485. Прозрачный канал или хитрее?

                    0
                    Уточните пожалуйста, что вы имеете в виду под прозрачным каналом RS-485? Я передам вопрос инженерам.
                      +1
                      Имеется ввиду, что при работе с RS-485 и протоколом верхнего уровня (скажем ModBus) через Лору насквозь проходят все пакеты протокола.
                      На самом деле, термин «прозрачный канал» — это устоявшееся выражение, я уверен, что ваши инженеры его поймут)
                        0
                        WISE-4610 с модулем ввода-вывода WISE-S672, которые имеет интерфейс RS-485, поддерживают Modbus/RTU.
                        Ниже на картинке пример, где используя WISE-4610+WISE-S672 и Modbus RTU для сбора данных с датчика, а затем, используя уже LoRaWAN, данные отправляются на шлюз данных WISE-6610. Значения счетчика пользователь может увидеть на странице сервера приложений.
                          0
                          Я правильно понимаю, что что сервер приложений, по сути, общается с устройством с ModBus напрямую? Т.е. в данном случае LoRaWAN — лишь канал связи в который упаковываются пакеты протокола ModBus?
                          Или WISE4610+WISE-s762 все же имеет на своем борту некую память со скриптом опроса каждого конкретного устройства (например, теплосчетчика Карат)? И потом в LoRaWAN передается не вообще вся информация, а только сухие цифры, полученные в результате опроса этого устройства?

                          Или ваше решение — это полный аналог СИ-13 от Веги?

                            0
                            Все верно, по сути — LoRa лишь способ передачи данных.
                    0
                    А в целом как решается проблема засорения эфира?
                    Предположим, некая компания вешает свое оборудование и предлагает пользоваться ее сетью.
                    А в это время Вася Пупкин спокойно занимается передачей информации на тех же частотах, совершенно не думая о коммерческих интересах других лиц.
                    Выходит, коммерческие сети должны использовать свои диапазоны, иметь на них лицензию?
                    Ведь в противном случае требовать от Васи освободить эфир оснований нет, диапазон-то нелицензируемый.
                    Также интересно понять, что будет, если появится 20-30 компаний, которые пытаются конкурировать в одном городе. Предположим, в соседних домах будут стоять станции разных операторов. При дальности 2-3 километра получится очень много абонентов (предположим, счетчики ресурсов), находящихся в зоне видимости всех базовых станций.
                    И про емкость. Пусть в каждом доме тысяча устройств, передающих блок данных за 1 секунду. Тогда при недостижимо идеальных условиях в сутки может быть отправлено 86400 пакетов, то есть 86 домов по 1000 устройств — и сеть работать точно не будет. И это при передаче один раз в сутки.
                    Может быть, LoRaWAN подразумевает механизмы разделения каналов, и оборудование даже разных производителей будет автоматически настраиваться исходя из обстановки?
                      0
                      Вроде как в законе указано, что одно лицо не может занимать эфир более 10% или 1% времени, я не понял точно. Есть еще термин LBT (Listen Before Transmit), что значит «Слушать перед тем как передавать» — вроде как это должно предотвращать конфликты в эфире. В будущем, полагаю, просто будут добавлять каналы разрешая новые диапазоны.
                        0
                        Все верно. Точная цифра времени нахождения в эфире зависит от поддиапазона. В нашем случае поддиапазонов 868 три.
                        Что же касается LBT — такого в Лоре нет даже в спецификации 1.1. И пока не предвидится.
                          0
                          В спецификации может и нет, а в трансиверах Semtech оно есть, но называется CAD — Channel Activity Detection. То есть перед передачей можно быстро проверить канал.
                            0
                            Что же касается LBT — такого в Лоре нет даже в спецификации 1.1. И пока не предвидится.

                            Вообще, есть, в Корее, например, без этого никак. Только это не в спеке, а в regional settings должно быть. Но для РФ можно считать, что нет :-) Хотя и использовать никто не запрещает в устройствах.
                          0
                          Ниже правильно написали про ограничение времени нахождения в эфире. И насчет математики про 86400 пакетов — вы забываете, что каждое устройство случайно выбирает один из 8 частотных каналов для выхода на связь. В теории, от этого емкость вырастет еще в 8 раз. Но это теория, наложение пакетов никто не отменял.

                          Есть много способов увеличить емкость сети. К примеру, ставить секторные антенны. Нарастить число БС (тем самым уменьшив sf и увеличив число ушей для приема), выполнить частотное планирование.
                          Но в условиях нелицензируемого спектра, в случае популярности технологии будет как с wi-fi 2,4. Увы.
                            +1
                            Скажем так. Механизм когда тысяча устройств будет передавать каждую секунду просто не реален. Вы получите грубо 8 пакетов за секунду и все ) все остальные пакеты уйдут в мусор. Длина пакета на минимальных скоростях настолько большая что я ее на обычную рацию слушал как морзянку. Моя базовка те же 8 каналов. Но делая передачу каждые 3 секунды всего от 3-х устройств я стабильно теряю пакеты. 5 Сек еще куда не шло. Все остальное вилами на воде писано. Пакет который отправляется еще проходит проверку потом обратно уходит АЦК и то что 8 каналов в реальности не сильно и спасает.
                              0
                              Как с авто-сигнализациями на 433 МГц, на мои жалобы, что соседи срут в эфир мне ответили что я ССЗБ, что юзаю нелицензируемый диапазон…
                              +1
                              Цены бы еще на само оборудование и программное обеспечение
                                0

                                Абонентские устройства с аккумулятором? А какой у них диапазон рабочих температур? Как аккумулятор отнесётся к серьёзным морозам? Ведь аккумулятор — основная проблема всех автономных абонентских устройств, работающих на открытом воздухе в России.

                                  0
                                  Рабочий температурный диапазон при работе от встроенного перезаряжаемого аккумулятора от нуля до плюс 60 градусов, при работе от внешнего источника питания — минус 25 до 70 градусов

                                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                Самое читаемое