Модуль lorawan что это
Тестирование радиомодемов LoRa/LoRaWAN RN2483. Часть 1, LoRa
Одна из интересных технологий “интернета вещей” — сети LoRa/LoRaWAN, однако в рунете они практически не описаны. Пора восполнить этот пробел, и тем более интересно попробовать “вживую”, как это работает.
Что такое LoRa?
Это технология связи на большие (Long Range) расстояния, запатентованная компанией Semtech, и реализованная в их чипах SX1272 and SX1276. LoRa это протокол низкого уровня, поверх которого могут реализовываться более высокоуровневые протоколы, например LoRaWAN.
Особенность стандарта LoRa — это передача небольших пакетов данных с невысоким энергопотреблением. По заверениям производителя, дальность на открытом воздухе может достигать 10км, а время работы от батареи может составлять несколько лет. Рабочие частоты зависят от страны, и составляют 433 или 868МГц (EU-версия) или 915МГц (USA-версия).
Как это работает? Подробности под катом.
Для тестирования были выбраны модули RN2483. Они хороши тем, что просты в программировании и поддерживают разные режимы работы. RN2483 содержит чип SX1276 и контроллер в одном корпусе, управляется командами UART, что позволяет подключить его к любому устройству (ПК, Arduino, микроконтроллер, etc). Можно купить модуль без обвязки, это дешевле, однако паять было лень, так что на eBay был заказан комплект из пары готовых плат. 
Это позволяет подключить модули как к ПК по USB, так и к любому устройству.
Передача данных
Как можно видеть, данные передаются короткими блоками. Максимальный размер пакета составляет не более 255 байт, после завершения передачи от модема приходит подтверждение что данные были посланы.
Прием данных
Для приема необходимо установить те же параметры, что и для передачи, в противном случае модемы не «услышат» друг друга. Код приведен ниже, программа в бесконечном цикле «слушает» данные по serial port.
Как можно видеть, все просто, и использование модема не отличается от какой-либо другой передачи по serial port. Код программы (с небольшими улучшениями) был запущен на Raspberry Pi, прием данных можно видеть на экране.
Различных команд для настройки RN2483 весьма много, их можно найти в PDF «RN2903 LoRa Technology Module Command Reference User’s Guide». Для примерной оценки результата также можно скачать программу Semtech Lora Calculator, позволяющую ввести разные настройки (ширину спектра, частоту и пр) и увидеть результат — битрейт, потребление тока, время работы от батареи.
Так например, обещаемое время работы чипа SX1276 от батареи емкостью 1000мАч составит около 30 дней при передаче блоками по 8 байт с интервалом в 100 секунд и мощностью 10dBm.
Для практической проверки дальности один из модемов был оставлен в квартире у окна, второй был подключен к Raspberry Pi и вынесен на улицу. В некоторых источниках обещается дальность в городских условиях порядка 3км. Результат увы, не так хорош: на практике, при максимальной мощности и антенне на 868МГц, сигнал полностью глушится уже примерно через 3 многоквартирных дома. Разумеется на открытых местах дальность выше, но стоит «завернуть за угол», как сигнал весьма быстро пропадает. В общем, результат 3км в городе наверное можно получить разве что если разместить антенну на телебашне, реально можно рассчитывать в лучшем случае на 300м. Но и это не так плохо, учитывая небольшую мощность передаваемого сигнала.
Цена вопроса
Информация для тех кто захочет повторить эксперименты или использовать LoRa в своих разработках. Цена комплекта их 2х готовых к использованию модемов rn2483 на eBay составляет 80EUR. Отдельно модуль с распаянным SX1276 можно приобрести у продавцов из Китая за 12$ с бесплатной доставкой. Чип SX1276 без какой-либо обвязки можно купить там же за 9$ (описанный в статье код подходит только для RN2483, при использовании чипа SX1276, программировать его придется на более низком уровне).
Выводы
Устройства стандарта LoRa представляют собой удобное и готовое решение для низкоскоростной передачи малых объемов данных на относительно большие (сотни метров-километры) расстояния. Устройства LoRa оптимизированы под низкое энергопотребление, что позволяет их использовать с питанием от батарей или аккумуляторов (однако платой за это является низкая скорость передачи данных). К примеру, если фермер захочет выводить на домашний дисплей температуру в теплицах, это будет практически идеальным применением для LoRa — малые объемы данных, большие расстояния и прямая видимость до объектов. Модемы также могут использоваться в больших помещениях — ангары, заводы, там где тянуть провод до датчиков сложно или дорого, а объемы данных невелики. Возможно использование и в домашних условиях, высокая чувствительность модулей позволит использовать даже короткие антенны в виде «зигзага» на печатной плате. В городе же, качество связи будет сильно зависеть от наличия радиовидимости между антеннами, высоты размещения антенн и пр. Многие сейчас сильно воодушевлены возможностями «глобальных» сетей LoraWAN, однако вопрос размещения антенн будет весьма критичным для дальности в подобной сети. Впрочем, это верно для любых систем передачи радиосигналов, так что чуда здесь не случилось.
В следующей части будет рассказано о подключении RN2483 к сети LoRaWAN.
Библиотеки для работы с RN2483 на Raspberry Pi и Arduino можно найти на github.
Спецификация LoRaWAN. Введение. Основные понятия и классы оконечных устройств
Данная статья представляет собой введение в беспроводные сети LoRaWAN, и основана на спецификации LoRaWAN 1.0.2.
Введение в LoRaWAN
Типовая беспроводная сеть LoRaWAN представляет собой совокупность шлюзов (gateways), пересылающих сообщения между оконечными устройствами (end-devices) и центральным сервером (Network Server, NS), и характеризуется «звездной» топологией «star-of-stars».
Шлюзы называют также концентраторами (concentrators) и базовыми станциями (base stations). Оконечные устройства часто называют motes.
Связь между шлюзами и центральным сервером осуществляется через стандартные IP-соединения, а между шлюзами и оконечными устройствами — через беспроводные соединения, использующие широкополосную модуляцию LoRa или FSK. Модуляция LoRa была разработана компанией Semtech и предназначена для низкоскоростной беспроводной передачи данных на расстояния до нескольких километров в безлицензионных диапазонах частот (Европа — 433 и 868 МГц).
Связь между шлюзами и оконечными устройствами является двусторонней, но предполагается, что основной объем данных передается от оконечных устройств к шлюзам. Технология LoRa обеспечивает скорость передачи в беспроводном канале от 0.3 до 50 кбит/с. Для разделения каналов используется как набор частотных каналов, так и скоростей передачи (data rates).
Для оптимизации работы системы используется адаптивное изменение скорости передачи — ADR (adaptive data rate). Cетевой сервер оценивает качество сигнала, принимаемого от оконечного устройства, и может управлять как скоростью передачи, так и мощностью передатчика этого устройства.
Оконечное устройство может передавать данные на любом доступном канале и любой скорости передачи, учитывая следующее:
Основные преимущества сетей LoRaWAN
Основные преимущества беспроводных сетей LoRaWAN обусловлены использованием широкополосной модуляции LoRa и безлицензионных диапазонов частот. Сети LoRaWAN:
Варианты применения беспроводных сетей LoRaWAN
Пара слов о возможных применениях:
Классы оконечных устройств LoRaWAN
Вернемся к спецификации LoRaWAN и посмотрим, какие бывают устройства. На конец 2016 г. спецификация определяет 3 класса оконечных устройств LoRaWAN: A, B и C, отличающиеся друг от друга режимами приема. Устройства данных классов являются двунаправленными. Класс А является базовым и должен поддерживаться всеми устройствами.
Класс А (обязательный для всех)
Устройства класса А после каждой передачи открывают два коротких временных окна на прием (обозначаются как RX1 и RX2).
Интервалы от конца передачи до открытия первого и второго временных окон могут конфигурироваться, но должны быть одинаковыми для всех устройств в данной сети (RECEIVE_DELAY1, RECEIVE_DELAY2). Для европейского диапазона 868 МГц рекомендованное значение RECEIVE_DELAY1 составляет 1 секунду. Значение RECEIVE_DELAY2 должно равняться (RECEIVE_DELAY1 + 1) секунда.
Используемые частотные каналы и скорости передачи для интервалов RX1 и RX2 могут отличаться. Рекомендуемые значения приведены в отдельном документе — «LoRaWAN Regional Parameters», доступном на сайте LoRa Alliance.
Устройства класса А являются самыми низкопотребляющими, но для передачи сообщения от сервера к оконечному устройству необходимо дождаться следующего исходящего сообщения от этого устройства.
Класс B (Beacon)
В добавок к окнам приема, определенным для устройств класса А, устройства класса B открывают дополнительные окна приема по расписанию. Для синхронизации времени открытия дополнительных окон приема шлюзы излучают маячки (beacons). Все шлюзы, входящие в состав одной сети, должны излучать маячки одновременно. Маячок содержит идентификатор сети и метку времени (UTC).
Использование класса В гарантирует, что при опросе оконечных устройств задержка отклика не будет превышать определенную величину, определяемую периодом маячков.
Класс C (Continuous)
Устройства класса C находятся в режиме приема практически всё время за исключением промежутков, когда они передают сообщения. За исключением временного окна RX1 оконечное устройство использует параметры приема RX2. 
Класс С может применяться там, где не нужно изо всех сил экономить энергию (счетчики электрической энергии) или где необходимо опрашивать оконечные устройства в произвольные моменты времени.
Итак, с основами LoRaWAN и классами устройств немного разобрались — в следующей статье обсудим способы активации оконечных устройств.
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
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.
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.
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.
LoRaWAN. Базовые станции и радиомодули
В статье рассматриваются преимущества технологии LoRaWAN, которая способствует распространению «интернета вещей», такие как экономность решений, гибкость, открытость и др. Представлено оборудование для сетей LoRaWAN, радиомодули и базовые станции, приведено сравнение их технических характеристик. Особое внимание уделено базовым станциям Kerlink.
Компания «КВЕСТ», г. Выборг
Бурное развитие сетей с пакетной коммутацией в начале 2000‑х годов привело к тому, что мировое телекоммуникационное сообщество сначала выработало, а затем и приступило к реализации новой парадигмы развития коммуникаций – сетей следующего поколения. При этом предполагалось, что основными пользователями таких сетей будут люди и, следовательно, максимальное число абонентов всегда будет ограничено численностью населения планеты Земля. Однако значительное развитие метода радиочастотной идентификации (RFID), распространение беспроводных сенсорных сетей (WSN), а также взрывной рост применения смартфонов и планшетных компьютеров способствовали появлению огромного числа интегрированных с интернетом технических устройств («вещей»), взаимосвязанных между собой.
Согласно данным консалтингового подразделения Cisco IBSG (Internet Business Solutions Group), прогнозируется, что число устройств, подключенных к интернету, к 2020 году достигнет 50 млрд штук. По их мнению, «интернет вещей» – всего лишь момент времени, когда количество материальных объектов, имеющих выход в интернет, превысило число людей, пользующихся «всемирной паутиной». Таким образом, по расчетам, эволюционный переход от «интернета людей» к «интернету вещей» произошел в промежутке между 2008 и 2009 годами.
Рис. 1. Динамика роста «интернета вещей» согласно данным компании Cisco
В общем случае под «интернетом вещей» понимается совокупность разнообразных приборов, автономных датчиков и исполнительных устройств, объединенных в сеть посредством любых доступных каналов связи (проводных или беспроводных), использующих различные протоколы взаимодействия между собой и единственный протокол доступа к глобальной сети. В роли глобальной сети в настоящий момент используется сеть интернет, а общим протоколом является IP. Наиболее важные отличия «интернета вещей» – существенно большее число подключенных объектов, их меньшие размеры, как правило, невысокие скорости передачи данных, а также необходимость создания новой инфраструктуры и альтернативных стандартов.
Для оконечных устройств сети, обычно выполняющих функции сбора и анализа данных, не так важны скорость и объем передачи информации, как длительность работы устройства без дополнительного обслуживания и зарядки (измеряется месяцами и годами), габаритные размеры и стоимость канала связи. Для соответствия вышеизложенным требованиям активно внедряются новые типы сетей с низким энергопотреблением LPWAN (Low Power Wide Area Networks), которые в отличие от сетей передачи данных 3G, 4G или LTE эффективно решают поставленные задачи.
Разработкой LPWAN-технологий занимаются различные компании и организации, хотя не все из этих технологий приживаются одинаково успешно. Одна из них, NB-IoT (Narrowband IoT, «узкополосный интернет вещей»), поддерживается ассоциациями телекоммуникационных стандартов, которые продвигают интересы сетей сотовой связи, поэтому предполагает использование инфраструктуры сотовой связи. На практике это оборачивается довольно большими затратами. Лицензионные сборы для использования диапазонов частот очень высоки, их может оплатить лишь ограниченный круг лиц. Есть у узкополосного «интернета вещей» и другие не самые прагматичные особенности. Он использует инфраструктуру сотовой связи стандарта LTE, а значит, может работать только в зоне действия базовых станций сетей 4G/LTE, которые на данный момент внедрены далеко не везде. Кроме того, NB-IoT-устройства синхронно связываются с сетью базовых станций независимо от того, есть ли у них данные для отправки. Такой режим приводит к значительному уменьшению срока службы аккумулятора. Также стандарт NB-IoT предусматривает достаточно большое потребление электроэнергии устройствами. Все эти особенности делают сети NB-IoT весьма затратными, что не способствуют их популярности, поэтому внедрение сетей NB-IoT пока не получило широкого развития в мире.
Совершенно другая картина наблюдается в случае с технологией LoRaWAN, разработкой и стандартизацией которой занимается некоммерческая организация LoRa Alliance. Эта технология использует нелицензируемый спектр диапазона частот, обеспечивает гибкое развертывание сетей (ее устройства могут быть установлены в публичных, частных или гибридных сетях, в закрытых помещениях или на открытом воздухе, а один сетевой шлюз обеспечивает покрытие радиусом до 15 км на открытых пространствах). Устройства LoRaWAN имеют очень низкий ток потребления, тем более что информация передается только когда это необходимо. Всё это обеспечивает долгий срок службы аккумулятора передатчиков – до 10 лет. И еще одно важное преимущество: LoRaWAN – открытое решение. Владелец технологии LoRaWAN, компания Semtech, зарабатывает только на полупроводниковых изделиях, а все детали технической реализации проекта отдает на полное усмотрение заказчика. Чипы LoRaWAN для конечных устройств присутствуют в свободной продаже, документация на них открыта, делать устройства на них могут все желающие. Две библиотеки, представляющие собой программные реализации стека протокола LoRaWAN, LoRaMAC от компании Semtech и LMiC (LoRaWANinC) от IBM, также находятся в открытом доступе. Такой поход оправдывает себя, сегодня все больше производителей выпускают оборудование для сетей LoRaWAN, в частности конечные устройства с радиомодулем LoRaWAN и базовые станции (БС).
Радиомодули для сети LoRaWAN
Типичная сеть LoRaWAN имеет базовую топологию «звезда» и состоит из оконечных узлов (конечных устройств), шлюзов, сетевого сервера и сервера приложений. Принцип работы прост: базовые станции (шлюзы) передают зашифрованные данные, полученные от конечных LoRaWAN-устройств, на центральный сервер сети провайдера и далее на сервер приложений сервис-провайдера, с которого информация поступает пользователям.
Радиомодули конечных устройств являются элементами, выполняющими функции измерения, управления и (или) контроля, обмен данными двухсторонний: как от конечных точек к серверу, так и обратно. Радиомодули осуществляют передачу не постоянно, а лишь через определенные промежутки времени согласно заданному графику. Остальное время их трансиверы находятся либо в неактивном состоянии (режиме сна), либо в состоянии приема для получения ответа от сервера. Режим работы зависит от класса устройства.
С распространением сетей LoRaWAN растет и число производителей, предлагающих свои варианты модулей. Основные технические характеристики наиболее популярных версий промышленно выпускаемых радиомодулей для узлов сети приведены в табл. 1, а внешний вид показан на рис. 2.
Таблица 1. Основные характеристики серийно выпускаемых радиомодулей для сети LoRaWAN (увеличить изображение)
Рис. 2. Внешний вид некоторых беспроводных модулей для оконечных узлов сети LoRaWAN
Беспроводной модуль сети LoRaWAN, как правило, объединяет в своем составе приемопередатчик с необходимой для заданной частоты пассивной обвязкой и отдельный микроконтроллер для хранения стека протокола LoRaWAN. В большинстве случаев все преимущества модуляции LoRa реализуются с помощью трансиверов SX1272 или SX1276, выпускаемых компанией Semtech. Предлагаемые варианты имеют схожие характеристики, поэтому при выборе подходящего решения стоит обратить внимание на дополнительные характеристики: конструктивные особенности, габаритные размеры, наличие необходимой периферии, дополнительных интерфейсов на борту и т. д.
В настоящее время многие производители предлагают свои варианты радиомодулей, все они построены на базе чипов SX1272, SX1276, SX1261 и SX1262 (со встроенным усилителем мощности) компании Semtech, работающих совместно с отдельным микроконтроллером. Микроконтроллер, необходимый для реализации функций стека протокола LoRaWAN, располагается либо непосредственно на плате модуля, либо соединяется с ним с помощью распространенных интерфейсов. Из наиболее популярных версий промышленно выпускаемых узлов можно отметить модули iM880B компании IMST, содержащие трансивер SX1272, и малопотребляющий контроллер STM32L151 (ядро CortexM3), RFM95W (только трансивер SX1276) компании HopeRF, имеющие примеры применения совместно с платформой Arduino и G76S компании GEMTEK (SX1276 + + STM32L073), управляемые АТ-командами.
Базовые станции LoRaWAN
Базовые станции (шлюзы, концентраторы) сети LoRaWAN формируют прозрачный мост ретрансляции сообщений между конечными устройствами и центральным сервером сети с помощью Ethernet, Wi-Fi, GSM или других телекоммуникационных каналов связи путем организации стандартного IP-соединения. В зависимости от желаемой канальной емкости и мест установки доступны разные версии шлюзов, они могут монтироваться как внутри помещений, так и на вышках или зданиях.
Большой плюс технологии LoRaWAN – дешевизна, простота и абсолютная симметричность решений для абонентских устройств и базовых станций. В отличие от UNB-систем одноканальную базовую станцию можно быстро изготовить даже самому из связки трансивера серии SX127x и управляющего контроллера с соответствующей прошивкой, и этого будет более чем достаточно для большинства задач мониторинга.
В сетях с высокой плотностью абонентских устройств в качестве шлюзов выступают специальные многоканальные концентраторы с несколькими аппаратными демодуляторами, принимающие данные от множества узлов одновременно. Для полноценных базовых станций компания Semtech предлагает чип SX1301, содержащий 49 «виртуальных» демодуляторов. Под «виртуальными» демодуляторами подразумевается сложная схема, в которой есть 9 физических демодуляторов, при этом один работает с фиксированным SF (Spreading Factor), а каждый из остальных восьми – с любым полученным из эфира SF, да еще и на своей собственной частоте. ИС SX1301 требует сложной внешней обвязки (у него нет интегрированного радиотракта), для радиочастотной части шлюза компанией рекомендуется трансивер SX1257. Эта связка обычно и используется в массово выпускаемых базовых станциях LoRaWAN-сети. В табл. 2 приведены их отличительные особенности, а на рис. 3 – внешний вид отдельных моделей.
Таблица 2. Отличительные характеристики популярных базовых станций сети LoRaWAN (увеличить изображение)
Рис. 3. Внешний вид некоторых базовых станций LoRaWAN
Базовые станции Kerlink
Пионер в проектировании базовых станций для сети LoRaWAN, соучредитель LoRa-альянса компания Kerlink в настоящее время предлагает четыре варианта шлюзов, адаптированных под основные субгигагерцовые частоты ISM-диапазона: 868, 915 и 923 МГц. Протестированные в сетях крупных провайдеров – Orange Telecom, Tata Communications, KPN, Swisscom, Proximus, а также в сетях российских провайдеров – «Ростелеком», «ЭР ТЕЛЕКОМ», «Лартех Телеком», «Таттелеком», сертифицированные на соответствие требованиям CE/FCC/IC/KC, базовые станции обладают архитектурой, разработанной для удовлетворения потребностей общедоступных операторов.
За обработку данных отвечает 32‑битный RISC-микроконтроллер с быстродействием до 230 MIPS и оптимизированным энергопотреблением, использующий интегрированную память (128 МБ энергонезависимой NAND-flash, из которой 40 МБ занято системным ПО и алгоритмом автовосстановления; 128–256 МБ оперативной DDRAM и eMMC-чип объемом 8 ГБ). Взаимодействие с WAN-сетью осуществляется посредством протоколов GPRS/EDGE/3G/LTE или Ethernet, максимальная скорость обмена данными зависит от применяемой технологии. Например, у HSDPA (900 МГц) она составляет 384 кбит/с (скорость отдачи) и 3,6 Мбит/с (загрузки), у UMTS (2100 МГц) – 384 кбит/с (загрузки/отдачи), а у GPRS/EDGE (850/900/1800/1900 МГц) не превышает 236,8 кбит/с. Для получения координат установки и временной синхронизации в базовую станцию встроен высокочувствительный GPS-приемник с протоколом NMEA 2.0 (антенна интегрированная).
В основе LoRa-части базовых станций Kerlink лежит применение связки микросхем SX1301 + SX1257. Многоканальная ИС SX1301, представляющая собой цифровой процессор каналов радиосвязи для устройств ISM-диапазона, может параллельно демодулировать несколько сообщений, полученных на различных рабочих частотах.
Отличительные особенности SX1301:
— чувствительность приема до 142,5 дБм (при использовании с SX1257);
— динамическая адаптация канала под различные скорости передачи (DDR, Dynamic data rate);
— 10 параллельных программируемых каналов демодуляции.
Отличительные особенности базовых станций Kerlink:
— обработка от 700 000 до 4 200 000 пакетов в сутки в зависимости от конфигурации станции;
— геолокация (для iBTS-версии);
— работа с всенаправленными и секторальными (только iBTS) антеннами;
— модульная архитектура станций iBTS, благодаря которой пользователь может сам решить, использовать ему какой-то дополнительный модуль (LoRa-модем, 3G/4G-модем) или нет.
Пользовательский интерфейс включает в себя светодиоды, осуществляющие индикацию рабочего состояния (мощности передатчика, уровня GSM-сигнала, наличие WAN-соединения и др.), а также кнопки ручного сброса, тестирования и запуска процедуры инсталляции.
Из дополнительных особенностей можно отметить наличие внутреннего датчика температуры и детектора открытия крышки корпуса. Для питания шлюзов Kerlink используется технология PoE (класс 0), дающая возможность доставить к устройству необходимые 48 В по стандартному Ethernet-кабелю, встроенная резервная батарея позволяет в аварийных ситуациях провести корректное отключение станции. Конструктивно устройства выпускаются в герметичных, ударопрочных (степень защиты от механических воздействий IK08), прямоугольных корпусах из поликарбоната с внешними размерами 31,5 × 17,0 × 21,5 см (включая крепежный комплект), общая масса составляет приблизительно 2 кг. Шлюзы Kerlink предназначены для эксплуатации в диапазоне рабочих температур от –40 до +60 °C при влажности 95 %, производителем гарантируется средняя наработка на отказ не менее 20 лет. Монтаж возможен тремя способами: на стену с помощью винтовых соединений, креплением скобами на опорах и установкой на трубах с использованием специальных металлических лент.
Что касается программной части, то в качестве операционной системы применяется Linux, также присутствуют установленные пакеты программ: Python, SQLite, виртуальная машина Java (опционально), клиентские и серверные приложения для работы с сетью, из доступных средств разработки можно отметить кроссплатформенный компилятор C/C++ (GCC 4.5.2). Для облегчения проектирования доступны руководства пользователя, описание Kerlink M2M-сервисов и примеры программной реализации взаимодействия элементов сети LoRaWAN, написанные на языке C. Компанией KERLINK также предлагается серверное ПО Wanesy Management Center, предназначенное для управления базовыми станциями, в состав которого входят контроллер базовых станций, контроллер сети и LoRaWAN-сервер.
Модификации LoRa IoT Station SPN и iFemtocell, имеющие аналогичное аппаратное построение, отличаются тем, что одновременно со своими могут выполнять функции LoRaWAN-сервера для устройств класса А, B, C и быть полностью автономными. Вторая версия программы-сервера SPN v2 загружается на ведущую (master) станцию iFemtocell, на которую поступают пакеты с других (slave) станций. Slave-станции передают пакеты на ведущую (master) станцию, используя ее как сервер.
Преимущества технологии LoRa способствуют развитию и широкому распространению «интернета вещей» как в мире, так и в России в частности. Программные и аппаратные решения от различных производителей, реализующие функции оконечных узлов и базовых станций LoRaWAN-сети, помогают в максимально короткие сроки организовать системы безопасности, промышленной автоматизации, удаленного мониторинга и управления объектами, связанные с глобальной сетью. Высокоинтегрированные базовые станции Kerlink, предназначенные для жестких условий эксплуатации и обладающие широкими функциональными возможностями, обеспечивают сбор и передачу данных от десятков датчиков, удаленных на расстояния до 15 км.
Официальным дистрибьютором и партнером всех упомянутых в статье производителей является компания «КВЕСТ». Компания осуществляет продвижение и техническую поддержку продукции на российском рынке и всегда готова оказать помощь в поставке интересующего оборудования.
Опубликовано в журнале ИСУП № 3(81)_2019