Bramka LoRa: Komunikacja bezprzewodowa o dużym zasięgu i niskim poborze mocy

W systemach Internetu rzeczy liczy się duży zasięg, niezawodność i możliwie mały pobór energii. Technologia LoRa powstała właśnie z myślą o przesyłaniu niewielkich porcji danych na duże odległości przez urządzenia, które mogą pracować na baterii przez wiele lat.

Poniżej wyjaśniamy różnice między LoRa i LoRaWAN, rolę bramki w architekturze sieci oraz sposób uruchomienia bramki IoT opartej na komputerze jednopłytkowym Raspberry Pi.

Bramka LoRa-Co to jest LoRa i LoRaWAN?

LoRa, od Long Range, to zastrzeżona technika modulacji radiowej przeznaczona do łączności dalekiego zasięgu przy małym poborze mocy. Wywodzi się z modulacji CSS (Chirp Spread Spectrum), w której informacje są kodowane za pomocą impulsów o zmieniającej się częstotliwości.

LoRa korzysta z niewymagających indywidualnej licencji pasm ISM, zwykle o częstotliwości poniżej 1 GHz. Dostępne są również rozwiązania pracujące w paśmie 2,4 GHz. Dokładne pasmo i plan kanałów zależą od regionu, w którym wdrażana jest sieć.

Pojęcia LoRa i LoRaWAN nie są synonimami. LoRa opisuje warstwę fizyczną i sposób modulacji sygnału radiowego, natomiast LoRaWAN jest protokołem sieciowym warstwy MAC (Media Access Control) zbudowanym na tej technologii. To LoRaWAN określa między innymi sposób rejestracji urządzeń, wymiany wiadomości i zabezpieczania transmisji.

Bramka LoRa-Czym są bramy i węzły LoRaWAN?

Węzły i bramki LoRaWAN są dwoma z czterech podstawowych elementów architektury. Węzły końcowe, czyli czujniki i urządzenia wykonawcze, komunikują się radiowo z jedną lub kilkoma bramkami. Bramki przekazują odebrane pakiety do serwera sieciowego i przesyłają komunikaty zwrotne do urządzeń. Całość uzupełnia serwer aplikacji.

Bramka LoRa-Jak działa brama LoRa?

Urządzenia wykorzystują modulację LoRa do przesyłania niewielkich, zakodowanych pakietów za pomocą impulsów o liniowo zmieniającej się częstotliwości. LoRaWAN organizuje dwukierunkową wymianę danych między węzłami końcowymi, bramkami i serwerem sieciowym.

W USA LoRa wykorzystuje między innymi pasmo ISM 915 MHz. Przy zachowaniu widoczności radiowej zasięg może wynosić 10 km, natomiast w gęstej zabudowie zwykle spada do około 3 km. Modulacja jest odporna na przesunięcie częstotliwości między nadajnikiem a odbiornikiem; nawet zmiana szerokości pasma o około 20% nie musi uniemożliwiać dekodowania, co pomaga ograniczyć utratę pakietów.

Bramka łączy koncentrator radiowy z oprogramowaniem przekazującym dane do serwera sieciowego. Ten sam pakiet może odebrać kilka bramek, a serwer usuwa duplikaty i wybiera najlepszą drogę transmisji zwrotnej. Pokrycie obszaru przez wiele bramek zwiększa więc niezawodność i zapewnia redundancję.

Korzyści z używania bramek LoRaWAN z węzłami końcowymi

LoRaWAN oferuje następujące zalety:

Jest zoptymalizowana pod kątem małego zużycia energii, dzięki czemu urządzenia mogą pracować na bateriach przez lata.

Zapewnia szyfrowanie end-to-end AES-128.

Umożliwia obsługę milionów wiadomości odbieranych przez wiele bramek.

Pozwala zdalnie aktualizować oprogramowanie sprzętowe podłączonych urządzeń.

Działa w niewymagającym indywidualnej licencji paśmie ISM.

Zapewnia dobrą propagację sygnału wewnątrz wielopiętrowych budynków.

Oferuje duży zasięg sieci bezprzewodowej: 2-3 kilometry w miastach i 10+ kilometrów na otwartych terenach wiejskich.

Obsługuje szybkość transmisji danych 0,3 - 50 kbps.

Same bramki LoRaWAN zapewniają dodatkowo:

Redundancję ograniczającą przerwy w działaniu usługi.

Przystępną cenowo i skalowalną rozbudowę sieci.

Dostęp do rozwijającego się globalnego ekosystemu.

Ustawianie ustawień sieci LoRaWAN przy użyciu Raspberry Pi

Celem konfiguracji jest uruchomienie bramki LoRaWAN, zarejestrowanie jej w The Things Network (TTN) i sprawdzenie transmisji danych z urządzeń. Potrzebny będzie zestaw LoRaWAN Developer Gateway, na przykład RAK7243, zawierający Raspberry Pi 3B+ oraz nakładkę RAK2245 Pi HAT z modułem GPS.

Konfiguracja przebiega w następujących krokach.

Bramka LoRa-Krok pierwszy Pamięć flash SD

Pobierz i rozpakuj najnowszy obraz systemu Raspbian dla modelu RAK7243, a nie RAK7243C z obsługą LTE, na komputerze wyposażonym w czytnik kart SD.

Zainstaluj i uruchom otwartoźródłowe narzędzie Etcher.

Włóż kartę SD z zestawu do czytnika. Etcher powinien wykryć ją automatycznie.

Wskaż w Etcher plik obrazu i kartę docelową, a następnie rozpocznij zapis. Operacja zajmie około 2-3 minuty.

Po zakończeniu bezpiecznie wysuń kartę SD.

Na komputerze z systemem Linux wykonaj te same czynności.

Bramka LoRa-Krok drugi Dodaj prąd

Przed uruchomieniem bramki podłącz obie anteny, w tym antenę systemu GPS. Następnie włóż kartę SD, podłącz zasilacz do portu micro USB i włącz urządzenie.

Krok trzeci Testowanie sieci bezprzewodowej

Po włączeniu bramki sprawdź, czy pojawia się jako punkt dostępowy WiFi o nazwie Rakwireless_XXXX. Połącz komputer z tą siecią, używając hasła „rakwireless”. Odczytaj adres bramki w ustawieniach WiFi i sprawdź możliwość logowania przez SSH. Domyślna nazwa użytkownika to „pi”, a hasło „raspberry”.

Krok czwarty Dodawanie bramy LoRa do sieci LAN Ethernet

Bramka ma stały adres IP interfejsu Ethernet 192.168.10.10, z którego można skorzystać po odpowiednim skonfigurowaniu komputera. W zwykłej sieci wygodniej jednak pozwolić urządzeniu pobrać adres z serwera DHCP. W tym celu:

Zaloguj się do urządzenia przez SSH, korzystając z połączenia WiFi.

Utwórz kopię zapasową pliku konfiguracyjnego (/etc/dhcpcd.conf).

W pliku konfiguracyjnym zakomentuj wiersze ustawiające statyczny adres; znajdują się one poniżej ostrzeżenia.

Uruchom ponownie usługę sieciową.

Ponownie połącz się z urządzeniem przez WiFi i uruchom „ifconfig”, aby sprawdzić nowo przydzielony adres.

Skonfiguruj w routerze rezerwację DHCP, aby bramka zawsze otrzymywała ten sam adres.

Sprawdź, czy SSH działa pod nowym adresem DHCP.

Po poprawnej konfiguracji połączenie SSH powinno działać zarówno przez Ethernet, jak i WiFi.

Bramka LoRa-Krok piąty Konfiguracja scentralizowanego urządzenia LoRa dla TTN

Aby skonfigurować bramkę do pracy z TTN, wykonaj następujące czynności:

Połącz się z bramką przez SSH i uruchom narzędzie konfiguracyjne sudo gateway-config.

Wybierz ustawienia koncentratora LoRa bramki RAK, a następnie jako serwer wskaż TTN.

Wybierz plan kanałów właściwy dla kraju wdrożenia; w tym przykładzie jest to US_902_928.

Bramka LoRa-Uzyskaj identyfikator EUI bramy do rejestracji TTN

Odczytaj identyfikator EUI bramki za pomocą polecenia przewidzianego w konfiguracji urządzenia. Identyfikator będzie potrzebny podczas rejestracji w TTN.

Krok siódmy Utwórz konto TTN i zarejestruj połączenia sieciowe

Utwórz konto TTN, zaloguj się i postępuj zgodnie z instrukcjami rejestracji bramki.

Bramka LoRa-Krok ósmy Połącz TTN z siecią

TTN spróbuje połączyć się z bramką natychmiast po rejestracji. Jeśli pojawi się komunikat „Brak połączenia” i stan nie zmieni się po krótkiej chwili, sprawdź konfigurację sieci oraz możliwość zestawienia połączenia TCP z bramki do portu MQTT na serwerze.

Krok dziewiąty Znaleźliśmy wejście na mapie TTN

Następnie odszukaj bramkę na światowej mapie TTN, która prezentuje informacje o zarejestrowanych bramkach.

Krok dziesięć Obserwuj łącza danych w górę z pobliskich węzłów

Umieść węzeł końcowy w odległości kilku stóp od bramki i włącz jego zasilanie. Obserwuj dane urządzenia na koncie TTN, na stronie danych w konsoli aplikacji.

Transmisję można śledzić w czasie rzeczywistym; w tej konfiguracji pakiety z węzła pojawiają się co 6-7 sekund.

Bramka LoRa-Zalecenia dla bramek LoRaWAN i węzłów końcowych

Niezawodność sieci zależy w dużej mierze od właściwie dobranego sprzętu. Poniżej przedstawiamy kilka przykładowych bramek i modułów.

Moduły bramy LoRaWAN WM1302

Moduł bramki WM1302 w formacie mini PCIe wykorzystuje układ Semtech SX1302. Łączy mały pobór energii z wysoką wydajnością odbioru, a niewielka emisja ciepła upraszcza zarządzanie termiczne urządzeniem.

Bramka LoRa-Cisco Wireless LoRaWAN Gateway

Bramka Cisco obsługuje urządzenia klas A, B i C oraz wykorzystuje dwa układy bazowe Semtech SX1301. Oferuje 16 kanałów uplink i może jednocześnie odbierać 16 pakietów LoRa. Jej oprogramowanie pozwala także skonfigurować wielokanałowe kombinacje odbioru różnorodnościowego.

MultiConnect Conduit firmly Multi-Tech Systems

Zasięg MultiConnect Conduit może sięgać 10 mil przy bezpośredniej widoczności radiowej, natomiast w mieście spada do około 3 mil z powodu zabudowy. Urządzenie wyposażono w WiFi, Bluetooth wraz z BLE, dwa gniazda kart rozszerzeń oraz GNSS.

Bramka LoRa-Laurier LR2 IoT LoRaWAN Gateway 868MHz

Ta operatorska bramka LoRaWAN wykorzystuje układ bazowy Semtech SX1301 i koncentrator iC880a. Osiem kanałów pozwala obsługiwać tysiące węzłów końcowych.

Zastosowania i przypadki użycia dla LoRaWAN

Logistyka i zarządzanie flotami transportowymi.

Monitoring środowiska.

Kontrola jakości powietrza.

Czujniki parkowania, inteligentne miasta, sterowanie oświetleniem i zarządzanie odpadami.

Monitorowanie zagrożenia powodziowego i wykrywanie wycieków.

Monitorowanie temperatury w przemyśle spożywczym.

Optymalizacja zużycia wody w rolnictwie.

Monitorowanie zdrowia i aktywności fizycznej.

Monitorowanie łańcucha chłodniczego.

Podsumowanie

LoRaWAN dobrze sprawdza się w projektach IoT, które wymagają dużego zasięgu, niewielkiej ilości przesyłanych danych i długiej pracy bateryjnej. Prawidłowo skonfigurowana bramka łączy węzły końcowe z serwerem sieciowym, a kolejne bramki pozwalają łatwo zwiększać zasięg i niezawodność instalacji.