LoRa и LoRaWAN: как научить устройства общаться с человеком

Что такое радиотехнология LoRa

LoRa — технология модуляции радиосигнала для передачи данных в IoT (интернет вещей). Модуляцию используют для создания общественных, частных и гибридных сетей. Технология обеспечивает бо́льшую зону покрытия, чем сотовые сети. Сигналы в таких сетях передаются на расстояние до 15 км и не требуют большого расхода энергии.

Для работы сети LoRa необходимы центральный сервер, базовая станция (шлюз) и конечное устройство.

Конечные устройства используют для управления оборудованием или снятия телеметрии.

Базовая станция собирает данные с конечных устройств и передает их на центральный сервер.

Центральный сервер обрабатывает и хранит собранную информацию, а также управляет работой базовых станций и конечных устройств.

Стандарт LoRa использует радиоволны на субгигагерцовых частотах:

Европа — 433 МГц, 868 МГц; Азия — 923 МГц;

Северная Америка и Австралия — 915 МГц.

В большинстве стран эти частоты находятся в диапазоне, не требующем лицензии. Поэтому для создания LoRa-сети необходимо только оборудование.

Сервер связывается с базовой станцией через IP-канал, а базовая станция — с конечным устройством при помощи радиоволн с широкополосной модуляцией LoRa. Связь между конечным устройством и базовой станцией двусторонняя. Чаще всего информацию передают в направлении от конечного устройства к базовой станции. Одна базовая станция может принимать информацию от нескольких тысяч конечных устройств.

Как используют технологию

Сети LoRa используют во многих сферах. Технология позволяет упростить и автоматизировать работу систем управления, наблюдения и контроля:

Приборы учета ресурсов. Умные приборы учета автоматически снимают показания счетчиков и отправляют данные поставщикам ресурсов воды, газа, тепла и электричества.

Уличное освещение. Системами умного освещения управляют с помощью сетей интернета вещей. Используя LoRa, операторы могут включать и выключать фонари, регулировать их яркость, а также получать информацию о состоянии каждого устройства.

Детекторы утечек. Фиксируют утечку ресурсов (воды или  газа) и отправляют уведомление администратору инфраструктуры.

Мониторинг состояния окружающей среды. Устройства регулярно собирают информацию о содержании вредных веществ в воздухе/воде и отправляют отчет администратору системы.

Умные парковки. LoRa-устройство встраивают в дорожное покрытие на парковочном месте. Датчик отслеживает, свободно или занято место, и отправляет информацию в общую систему. Система формирует карту парковок, которая выводится на экран перед въездом на парковку.

Сельское хозяйство. Фермеры используют беспроводные датчики, чтобы в режиме реального времени определять влажность и химический состав почвы (концентрации фосфата, азота, калия).

Протокол передачи данных LoRaWAN

LoRa — это физический уровень использования радиосигналов, а LoRaWAN — программный протокол передачи информации. Протокол обеспечивает взаимодействие между конечным устройством и базовой станцией: управляет частотой и мощностью радиосигнала, а также скоростью передачи данных. Другими словами: LoRa можно сравнить с человеческим голосом, а LoRaWAN — с речью.
Протокол LoRaWAN используют для энергоэффективных сетей с дальним радиусом действия. Дальность передачи сигнала в LoRaWAN-сети — до 15 км, при условии прямой видимости между точками соединения.

Физический уровень LoRa и сетевой протокол LoRaWAN позволяют сформировать радиоволны с высокой проникающей способностью. Благодаря этому информацию можно передавать из труднодоступных мест (подземных помещений, застроенных городских пространств).
LoRaWAN — протокол с низким потреблением энергии. Его применяют в работе устройств с автономными источниками питания (датчики, сенсоры, радиомодули удаленного сбора информации). Батареи питания таких девайсов могут работать до 15 лет. Расход энергии зависит от частоты передачи информации.

Преимущества LoRaWAN-сети

Дальность действия. Дальность передачи сигнала 10–15 км. Это больше, чем у других беспроводных технологий, используемых для систем сбора и передачи небольших пакетов информации. 

Энергопотребление. Для передачи небольших информационных пакетов не требуется много энергии.

Проникающая способность. Радиосигналы передаются в субгигагерцовом диапазоне. Благодаря этому связь возможна даже с труднодоступными объектами. 

Нелицензируемый диапазон. Чтобы развернуть LoRaWAN-сеть, не нужна лицензия на радиовещание.

Технологии LoRaWAN в Украине

В Украине LoRaWAN-сети использует украинская IT-компания Infomir в рамках направления Jooby Smart City. Технологию применяют для внедрения систем умного освещения и удаленного учета данных. LoRaWAN-сеть позволяет администратору системы Jooby Avenue:

• управлять питанием светильников Jooby;
• регулировать яркость освещения;
• настраивать календарь и расписание работы светильников;
• мониторить параметры всей системы или каждого светильника в отдельности.

Умное уличное освещение

Удаленный сбор показаний

Jooby запускает комплексные решения для удаленного снятия показаний счетчиков воды, газа, электричества и тепла. Информацию передают радиомодули, через протоколы сети LoRaWAN.
Сигнал радиомодуля принимает базовая станция — приемопередатчик, откуда данные попадают на сервер. Затем они поступают в личный кабинет веб-приложения Jooby Dashboard. В этом ПО доступны отчеты о расходе ресурсов, состоянии счетчиков и радиомодулей, качестве связи с устройствами и уровне заряда их батарей. Данные можно экспортировать в формат .csv для работы в других программах, например Excel.

Административная панель формирует общие и персональные отчеты о потреблении ресурсов, а также оповещает о несанкционированном снятии модулей, отключении устройств, воздействии магнитом и о низком заряде батарей. Приложение доступно с компьютера.

Для сети LoRaWAN не нужна лицензия

Решение Jooby можно развернуть на базе сети IoT-оператора или собственной сети LoRaWAN®. Диапазон не лицензируют, поэтому с минимальными инвестициями это может сделать любая компания.
Команда Jooby одной из первых внедрила технологию LoRaWAN в Украине. Infomir помогает установить радиомодули, настроить базовые станции LoRaWAN или подключиться к IoT-оператору.

LoRa-сети позволяют обеспечить взаимодействие электронных устройств на большом расстоянии и с высокой энергоэффективностью. Устройства в таких сетях работают годы без замены источника питания. Технология позволяет решить множество проблем — от мелких бытовых задач до создания умных промышленных городов.