LoRa i LoRaWAN część 1.

Kilka niezbędnych słów o teorii, zanim przejdziemy do praktyki

Czym to właściwie jest?

LoRa (Long Range) to technologia służąca do modulacji sygnału radiowego, która powstała w 2012 roku i została wykupiona przez firmę Semtech. LoRaWAN (Long Range Wide-Area Network) za to jest protokołem, nad którym pieczę trzyma LoRa Alliance. Temat dla mnie ważny ze względu na dużą popularność i uznanie, jakie ta technologia IoT zyskuje w ostatnich latach. LoRa należy do grupy LWPAN, czyli sieci o dalekim zasięgu i małym poborze prądu. W tej kategorii konkuruje z Sigfox, LTE Cat M1 oraz NB IoT.

Zobacz też: Internet of Things dla domu

Czasem mówimy tutaj o LoRa, czasem o LoRaWAN – zależnie od tego, z jakich gotowych rozwiązań korzystamy. Jest to spowodowane tym, że LoRa to technologia odpowiedzialna za komunikację radiową mieszczącą się w warstwie fizycznej modelu OSI. Możemy ją wykorzystać do połączenia dwóch urządzeń i samodzelnie stworzyć protokół i całą resztę związaną z wymianą informacji. Miałem nawet przyjemność zobaczyć taki projekt (autorstwa Pana Roberta) na żywo; jeśli chcecie poznać szczegóły, tutaj link http://mindpart.com/. LoRaWAN natomiast wykorzystuje LoRa oraz w szczególnych przypadkach FSK (inny sposób modulacji) i zapewnia trochę więcej warstw modelu OSI. Będę skupiał się na tym kompleksowym rozwiązaniu, ponieważ pod moje cele pasuje zdecydowanie bardziej; ułatwia i przyspiesza pracę.

W sieci LoRaWAN mamy specyficzną topologię opartą o bramy, urządzenia końcowe oraz całą infrastrukturę po stronie serwerów. Przedstawia to grafika poniżej.

Jak widać, wymieszana jest tutaj komunikacja LoRa i Internet.  

Parametry techniczne

Scharakteryzuję po krótce te technologie. Po rejestracji sygnału z wykorzystaniem modulacji LoRa wygląda on mniej więcej tak, jak na rysunkach poniżej.

Trochę przypomina to wymieszanie komunikacji FSK i PWM. Zależnie od regionu świata stosowana jest odmienna częstotliwość. Dla Europy przydzielona są 433 MHz oraz zakres od 683 do 870 MHz (częściej wykorzystywany).

Zobacz też: Proste generatory PWM część 1.

Jedną z najważniejszych cech technologii LoRa jest zasięg. Mocno zależny od środowiska; przy warunkach idealnych, czyli bez przeszkód i odbić, udało się wysłać balon z nadajnikiem i odbierać informacje z odległości 400 km! Teraz jednak zejdźmy na ziemię d: Na otwartym terenie, np. pola uprawne, można uzyskać 30-40 km, w mieście 1,5-5 km. Nie brzmi to już tak fantastycznie, ale dalej robi wrażenie. Duży wpływ mają tutaj (szczególnie w miastach), na jakiej wysokości zamontowane są anteny, jakiej jakości są tory radiowe w urządzeniach itp. Nie będę się zagłębiał w techniczne aspekty anten. O ciekawych obserwacjach wspomnę przy części praktycznej (;

Nim przejdę do tego, czy faktycznie w przypadku tych technologii możemy mówić o niskim poborze prądu, warto zauważyć, że w LoRaWAN mamy trzy klasy urządzeń (patrz schemat poniżej).

Klasa C troszkę odstaje, jeśli chodzi o pobór mocy, ponieważ urządzenie nie przebywa tyle w trybie uśpienia, co A i B, a ten stan dla oszczędzania energii jest najważniejszy. LoRaWAN służy głównie do czujników. Klasa A i B może w każdej chwili się wybudzić i nadawać, jednak odbieranie informacji jest możliwe tylko w odpowiednim oknie czasowym po nadaniu (nie możemy wymusić z zewnątrz wysłania informacji natychmiastowo do urządzenia w klasie A i B). Przy dobrze przemyślanym projekcie i ograniczeniu wymiany danych do niezbędnego minimum otrzymujemy urządzenia, które mogą działać nawet do 10 lat na jednej baterii lub korzystają z energy harvestingu (ładowanie np. z paneli słonecznych, ogniw Peltiera, piezzo itp.), czyli funkcjonują właściwie bez baterii.

LoRaWAN narzuca także trochę zasad co do komunikacji, np. do 10% on air, tzn. że jeżeli przesyłanie wiadomości zajęło przykładowo 0,1 s to 0,9 s należy poczekać do kolejnej wymiany. Co więcej, LoRaWAN korzysta z infrastruktury sieciowej, która nie leży po naszej stronie. W związku z tym pewne reguły mogą być ustalane przez dostarczyciela usługi.

TTN

TTN (The Things Network) znany jest jako najpopularniejszy dostawca infrastruktury LoRaWAN. Przy darmowym pakiecie zalecają do 10 wysłanych wiadomości do urządzenia na dzień oraz 30 sekund on air na dzień. Nie jest to tak restrykcyjnie sprawdzane, ale warto o tym pamiętać.

Jak widać, jest trochę ograniczeń. Jednak czy w przypadku wielu czujników naprawdę potrzebujemy takiego zalewu informacji? Czy w każdej minucie konieczne jest otrzymanie ramki z kilobajtowym payloadem (właściwą zawartością wiadomości)? Istniejące systemy korzystające z LoRaWAN pokazują, że nie.

Ciekawostką jest to, że TTN działa na podstawie społeczności (ludzi tworzących bramy i korzystających z tak powstałej infrastruktury). Ponieważ brama jest w tej komunikacji transparentna, a wiadomości zabezpieczone, może być stawiana przez kogokolwiek i dołączana do sieci. Poniższa mapa pokazuje, że ten system działa.

Zastosowania

Warto jeszcze spojrzeć na zastosowania LoRaWAN. Nasuwają się świetne opcje dla smart city czy rolnictwa. Możemy pokryć dużą przestrzeń i rozsiać urządzenia z zasilaniem bateryjnym. Czujniki poziomu wody w lokalnych zbiornikach, aktywności zwierząt na pastwisku, analiza ruchu drogowego, jakości powietrza, zajęcia miejsc parkingowych, liczniki wody czy energii elektrycznej – takie systemy faktycznie weszły już do komercyjnego użytku. Wśród hobbystów LoRa i LoRaWAN znalazły wielu fanów i lista zastosowań nieustannie wzrasta.

Macie jakieś pytania do tej części? Piszcie w komentarzach. Przy okazji części praktycznej będzie jeszcze szansa na uzupełnienie (:

Lora i LoraWaN część 2.

Lora i LoraWaN część 3.

LoRaWAN update