LoRa й LoRaWAN®: як навчити пристрої спілкуватися з людиною

Що таке радіотехнологія LoRa

LoRa — технологія модуляції радіосигналу для передавання даних в IoT (інтернет речей). Модуляцію використовують для створення громадських, приватних і гібридних мереж. Технологія забезпечує більшу зону покриття, ніж стільникові мережі. Сигнали в таких мережах передаються на відстань до 15 км, і вони не потребують значної витрати енергії.

Для роботи мережі LoRa потрібні центральний сервер, базова станція (шлюз) і кінцевий пристрій.

Кінцеві пристрої використовують для керування обладнанням або зняття телеметрії.

Базова станція збирає дані з кінцевих пристроїв і передає їх на центральний сервер.

Центральний сервер обробляє та зберігає зібрану інформацію, а також керує роботою базових станцій і кінцевих пристроїв.

Стандарт LoRa використовує радіохвилі на субгігагерцових частотах:

Європа — 433 МГц, 868 МГц;

Азія — 923 МГц;

Північна Америка й Австралія — 915 МГц.

У більшості країн ці частоти перебувають у діапазоні, що не вимагає ліцензії. Тому для створення LoRa-мережі потрібне лише обладнання.

Сервер зв’язується з базовою станцією через IP-канал, а базова станція — з кінцевим пристроєм за допомогою радіохвиль зі широкосмуговою модуляцією LoRa. Зв’язок між кінцевим пристроєм і базовою станцією двосторонній. Найчастіше інформацію передають у напрямку від кінцевого пристрою до базової станції. Одна базова станція може приймати інформацію від кількох тисяч кінцевих пристроїв.

Як використовують технологію

Мережі LoRa використовують у багатьох сферах. Технологія дає змогу спростити й автоматизувати роботу систем керування, спостереження та контролю:

Прилади обліку ресурсів. Розумні прилади обліку автоматично знімають показники лічильників і відправляють дані постачальникам ресурсів води, газу, тепла й електрики. 

Вуличне освітлення. Системами розумного освітлення керують за допомогою мереж інтернету речей. Використовуючи LoRa, оператори можуть вмикати й вимикати ліхтарі, регулювати їхню яскравість, а також отримувати інформацію про стан кожного пристрою.

Детектори витоків. Фіксують витік ресурсів (води чи газу) і відправляють повідомлення адміністратору інфраструктури. 

Моніторинг стану довкілля. Пристрої регулярно збирають інформацію про вміст шкідливих речовин у повітрі / воді й відправляють звіт адміністратору системи. 

Розумні паркувальні майданчики. LoRa-пристрій вбудовують у дорожнє покриття на паркувальному місці. Датчик відстежує, вільне чи зайняте місце, і відправляє інформацію в загальну систему. Система формує карту паркувальних майданчиків, яку виводять на екран перед в’їздом на майданчик. 

Сільське господарство. Фермери використовують бездротові датчики, щоб у режимі реального часу визначати вологість і хімічний склад ґрунту (концентрації фосфату, азоту, калію).

Протокол передавання даних LoRaWAN®

LoRa — це фізичний рівень використання радіосигналів, а LoRaWAN® — програмний протокол передавання інформації. Протокол забезпечує взаємодію між кінцевим пристроєм і базовою станцією: керує частотою й потужністю радіосигналу, а також швидкістю передавання даних. Інакше кажучи, LoRa можна порівняти з людським голосом, а LoRaWAN® — з мовленням.
Протокол LoRaWAN® використовують для енергоефективних мереж з далеким радіусом дії. Дальність передавання сигналу в LoRaWAN®-мережі — до 15 км, за умови прямої видимості між точками з’єднання.

Фізичний рівень LoRa й мережевий протокол LoRaWAN® дають змогу сформувати радіохвилі з високою проникною здатністю. Завдяки цьому інформацію можна передавати з важкодоступних місць (підземних приміщень і забудованих міських просторів).
LoRaWAN® — протокол з низьким споживанням енергії. Його застосовують у роботі пристроїв з автономними джерелами живлення (датчики, сенсори й радіомодулі віддаленого збирання інформації). Батареї живлення таких девайсів можуть працювати до 15 років. Витрата енергії залежить від частоти передавання інформації.

Переваги LoRaWAN®-мережі

Далекосяжність. Дальність передавання сигналу — 10-15 км. Це більше, ніж в інших бездротових технологій, які використовують для систем збирання й передавання невеликих пакетів інформації. 

Споживання енергії. Для передавання невеликих інформаційних пакетів не потрібно багато енергії.

Проникна здатність. Радіосигнали передаються в субгігагерцовому діапазоні. Завдяки цьому зв’язок можливий навіть з важкодоступними об’єктами. 

Неліцензований діапазон. Щоб розгорнути LoRaWAN®-мережу, не потрібна ліцензія на радіомовлення.

Технології LoRaWAN® в Україні

В Україні LoRaWAN®-мережі використовує українська IT-компанія Infomir у межах напряму Jooby Smart City. Технологію застосовують для впровадження систем розумного освітлення й віддаленого обліку даних. LoRaWAN®-мережа дає змогу адміністратору системи Jooby Avenue:

• керувати живленням світильників Jooby;
• регулювати яскравість освітлення;
• налаштовувати календар і розклад роботи світильників;
• моніторити параметри всієї системи або кожного світильника окремо.

Розумне освітлення

Дистанційний збір показників

Jooby запускає комплексні вирішення для віддаленого зняття показників лічильників води, газу, електрики й тепла. Інформацію передають радіомодулі через протоколи мережі LoRaWAN®.
Сигнал радіомодуля приймає базова станція — приймач-передавач, звідки дані потрапляють на сервер. Відтак вони надходять в особистий кабінет веб-додатку Jooby Dashboard. У цьому ПЗ доступні звіти про витрату ресурсів, стан лічильників і радіомодулів, якість зв’язку з пристроями й рівень заряду їхніх батарей. Дані можна експортувати у формат .csv для роботи в інших програмах, наприклад Excel.

Адміністративна панель формує загальні й персональні звіти про споживання ресурсів, а також сповіщає про несанкціоноване зняття модулів, від’єднання пристроїв, вплив магнітом і низький заряд батарей. Додаток доступний з комп’ютера.

Для мережі LoRaWAN® не потрібна ліцензія

Вирішення Jooby можна розгорнути на базі мережі IoT-оператора або власної мережі LoRaWAN®. Діапазон не ліцензують, тому з мінімальними інвестиціями це може зробити будь-яка компанія.
Команда Jooby однією з перших запровадила технологію LoRaWAN® в Україні. Infomir допомагає встановити радіомодулі, налаштувати базові станції LoRaWAN® або під’єднатися до IoT-оператора.

LoRa-мережі дають змогу забезпечити взаємодію електронних пристроїв на великій відстані та з високою енергоефективністю. Пристрої в таких мережах працюють роками без заміни джерела живлення. Технологія дає змогу вирішити безліч проблем: від дрібних побутових завдань до створення розумних промислових міст.