Bramka LoRaWAN przekazuje pakiety między węzłami końcowymi korzystającymi z modulacji LoRa a serwerem sieciowym, bez interpretowania ładunku użytkowego. LoRa określa warstwę fizyczną transmisji, a LoRaWAN — protokół MAC i organizację sieci. Zasięg instalacji zależy od toru radiowego, ustawień transmisji i otoczenia, dlatego należy go sprawdzić w terenie.
Poniżej wyjaśniamy różnice między LoRa i LoRaWAN, rolę bramki w architekturze sieci oraz sposób uruchomienia bramki IoT opartej na komputerze jednopłytkowym Raspberry Pi.
Czym różnią się LoRa i LoRaWAN?
LoRa to opracowana przez Semtech technika modulacji CSS z rozpraszaniem widma, przeznaczona do łączności dalekiego zasięgu przy małym poborze mocy. Informacje są kodowane za pomocą impulsów o zmieniającej się częstotliwości. Radio LoRa może działać również bez LoRaWAN, na przykład w łączu punkt–punkt.
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 warstwy MAC i sieci, opisanym w specyfikacji LoRa Alliance. To LoRaWAN określa między innymi sposób rejestracji urządzeń, wymiany wiadomości i zabezpieczania transmisji.
Czym są bramki 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.
Jest to topologia „gwiazdy gwiazd”: węzły końcowe → bramki → serwer sieciowy → serwer aplikacji. Bramka pełni zasadniczo funkcję przekaźnika pakietów.
Jak działa bramka LoRaWAN?
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.
Bramki z koncentratorami Semtech SX1301/SX1302/SX1303 odbierają typowo, wg noty katalogowej, 8 kanałów jednocześnie i obsługują równolegle wiele współczynników rozproszenia. Dokładne możliwości zależą od producenta i wersji modułu — sprawdź jego kartę katalogową.
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:
Protokół jest zoptymalizowany pod kątem małego zużycia energii przez węzły końcowe; czas pracy na baterii zależy od sposobu użytkowania.
Zapewnia szyfrowanie danych między urządzeniem końcowym a serwerem aplikacji.
Umożliwia odbieranie wiadomości przez wiele bramek.
Pozwala zdalnie aktualizować oprogramowanie sprzętowe podłączonych urządzeń.
Działa w niewymagającym indywidualnej licencji paśmie ISM.
Może służyć do komunikacji wewnątrz budynków, po sprawdzeniu pokrycia radiowego.
Umożliwia łączność dalekiego zasięgu, którego nie należy deklarować bez określenia warunków instalacji i testu.
Pozwala dobierać parametry transmisji: wyższy współczynnik rozproszenia SF zwiększa czułość, ale wydłuża emisję i zmniejsza przepływność.
Same bramki LoRaWAN zapewniają dodatkowo:
Redundancję ograniczającą przerwy w działaniu usługi.
Przystępną cenowo i skalowalną rozbudowę sieci.
Dostęp do rozwijającego się globalnego ekosystemu.
Tor RF: antena, kabel i koncentrator
Tor radiowy przebiega następująco: antena → kabel lub przewód przejściowy → złącze → układy RF → koncentrator. Zależnie od modułu układy RF obejmują filtr, wzmacniacz niskoszumowy LNA po stronie odbioru i stopień mocy po stronie nadawania.
Każdy 1 dB strat kabla i złączy zmniejsza budżet łącza o 1 dB zarówno podczas odbioru, jak i nadawania. Antenę umieść możliwie wysoko, z dala od metalowych obudów. Wybierz możliwie krótki kabel o małej tłumienności na 868 MHz; jej wartość odczytaj z karty katalogowej kabla. Długi przewód może zniwelować korzyść z większego zysku anteny.
EU868 i ograniczenia czasu emisji
| Parametr | Wartość orientacyjna |
|---|---|
| Pasmo EU868 | 863–870 MHz |
| Typowe kanały domyślne LoRaWAN | 868,1 / 868,3 / 868,5 MHz |
| Limit wypełnienia dla typowych kanałów domyślnych | 1 % |
| Limit mocy dla kanałów domyślnych | Typowo rzędu 14 dBm ERP |
Sprawdź aktualne przepisy lokalne, normę ETSI EN 300 220 i wymagania lokalnego regulatora. Ograniczenia zależą od podpasma; tabela nie zastępuje tej weryfikacji. ERP nie jest tym samym co moc na wyjściu nadajnika.
Przykład obliczeniowy: 1 % × 3600 s = 36 s czasu emisji na godzinę. Liczy się czas zajęcia kanału, a nie sam odstęp między wiadomościami. Wyższy SF wydłuża emisję, więc szybciej wyczerpuje ten limit.
Czułość odbiornika i budżet łącza
Poniższe wartości dotyczą typowo, wg noty katalogowej, odbiornika SX127x przy BW = 125 kHz; nie są pomiarem bramki ani parametrami każdego koncentratora. Dokładne wartości zależą od producenta i wersji — sprawdź kartę katalogową wybranego układu.
| SF | Czułość, typowo wg noty katalogowej | Graniczny SNR, typowo wg noty katalogowej |
|---|---|---|
| SF7 | ≈ −123 dBm | ≈ −7,5 dB |
| SF8 | ≈ −126 dBm | ≈ −10 dB |
| SF9 | ≈ −129 dBm | ≈ −12,5 dB |
| SF10 | ≈ −132 dBm | ≈ −15 dB |
| SF11 | ≈ −134,5 dBm | ≈ −17,5 dB |
| SF12 | ≈ −137 dBm | ≈ −20 dB |
Ujemny graniczny SNR oznacza, że LoRa może demodulować sygnał poniżej poziomu szumów. Większa czułość przy wyższym SF odbywa się kosztem przepływności i czasu emisji.
Maksymalne tłumienie trasy = P_TX + G_ant,TX − L_TX − S_RX + G_ant,RX − L_RX − zapas na zaniki. P_TX to moc nadajnika w dBm, G — zyski anten w dBi, L — straty kabli i złączy w dB, a S_RX — czułość w dBm. Zapas i wynik podaje się w dB. Ujemną czułość odejmuj z jej znakiem.
Przykładowe, umowne założenia: P_TX = 14 dBm, antena węzła 0 dBi, antena bramki 3 dBi, strata kabla bramki 1 dB; pomijamy straty przy węźle i zapas na zaniki. Przyjmując powyższą czułość SX127x jako ilustracyjny próg odbioru, otrzymujemy:
- SF12: 14 + 0 − (−137) + 3 − 1 = 153 dB (obliczone).
- SF7: 14 − (−123) + 3 − 1 = 139 dB (obliczone).
Różnica wynosi 14 dB. To przykład rachunkowy, nie wynik pomiaru ani gwarancja zasięgu. W projekcie trzeba uwzględnić zapas na zaniki oraz czułość rzeczywistego odbiornika.
Zasilanie bramki podczas nadawania
Zestaw Raspberry Pi z koncentratorem, na przykład WM1302, wymaga stabilnego zasilania 5 V. Oficjalny zasilacz Raspberry Pi 4 ma typowo, wg noty katalogowej, 5,1 V / 3 A. Dobierz zasilanie całego zestawu, sprawdzając pobór prądu modułu podczas TX w jego nocie. Niedostateczna wydajność prądowa przy nadawaniu może powodować restarty i zaniki odbioru.
Przy montażu zewnętrznym stosuje się także zasilanie Raspberry Pi przez PoE. IEEE 802.3af przewiduje do 15,4 W po stronie źródła; nie jest to deklarowany pobór bramki. Parametry urządzeń sprawdź dla konkretnego producenta i wersji.
Jak przeprowadzić test zasięgu?
To metoda testu, nie nasze wyniki — nie dysponujemy własnymi pomiarami zasięgu. Używaj tego samego węzła referencyjnego: zachowaj moc, SF, BW = 125 kHz, antenę i jej wysokość. Na czas testu wyłącz ADR, aby automatyczna zmiana parametrów nie utrudniała porównania.
Oznacz punkty przez GPS. W każdym zapisuj RSSI, SNR oraz PDR, czyli odsetek dostarczonych pakietów: liczba odebranych / liczba wysłanych × 100 %. Wyślij co najmniej kilkanaście–kilkadziesiąt pakietów na punkt, zachowując limity emisji, i powtórz próby o różnych porach. Zanotuj wysokość anteny bramki, typ i długość kabla oraz otoczenie: zabudowę, las albo teren otwarty. Wyniki porównuj wraz z warunkami testu.
Konfiguracja bramki LoRaWAN z 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.
Krok pierwszy: zapis obrazu systemu na karcie 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.
Po zakończeniu bezpiecznie wysuń kartę SD.
Na komputerze z systemem Linux wykonaj te same czynności.
Krok drugi: podłączenie anten i zasilania
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: sprawdzenie połączenia bezprzewodowego
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: podłączenie bramki do sieci 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.
Krok piąty: konfiguracja koncentratora LoRa do pracy z 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 oraz zgodny z modułem radiowym; dla instalacji w Polsce stosuj EU868 i sprawdź aktualne przepisy lokalne.
Krok szósty: odczyt identyfikatora EUI bramki
Odczytaj identyfikator EUI bramki za pomocą polecenia przewidzianego w konfiguracji urządzenia. Identyfikator będzie potrzebny podczas rejestracji w TTN.
Krok siódmy: utworzenie konta TTN i rejestracja bramki
Utwórz konto TTN, zaloguj się i postępuj zgodnie z instrukcjami rejestracji bramki.
Krok ósmy: sprawdzenie połączenia bramki z TTN
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: odszukanie bramki na mapie TTN
Następnie odszukaj bramkę na światowej mapie TTN, która prezentuje informacje o zarejestrowanych bramkach.
Krok dziesiąty: obserwacja pakietów wysyłanych przez węzły
Umieść węzeł końcowy w pobliżu bramki i włącz jego zasilanie. Obserwuj dane urządzenia na koncie TTN, na stronie danych w konsoli aplikacji.
Transmisję można śledzić w czasie rzeczywistym. Odstęp między pakietami dobierz z uwzględnieniem ich czasu emisji i ograniczeń wypełnienia obowiązujących w danym podpaśmie.
Przykładowe bramki i moduły LoRaWAN
Niezawodność sieci zależy w dużej mierze od właściwie dobranego sprzętu. Poniżej przedstawiamy kilka przykładowych bramek i modułów.
Moduły bramki 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.
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 firmy 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.
Laurier LR2 IoT LoRaWAN Gateway 868 MHz
Ta operatorska bramka LoRaWAN wykorzystuje układ bazowy Semtech SX1301 i koncentrator iC880a. Osiem kanałów pozwala obsługiwać tysiące węzłów końcowych.
Zastosowania 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.
