LoRaWAN (Long Range Wide Area Networks) представляет собой беспроводной протокол, соединяющий устройства, работающие на батарейках, к сети интернет. Стандарт при низком энергопотреблении отвечает ключевым требованиям концепции «Интернета вещей»: двунаправленная коммуникация, сквозное шифрование и мобильность.
У истоков разработки LoRaWAN стоят компании IBM Research и Semtech Corporation, впервые представившие его в 2015 г.
Название образовано из двух аббревиатур: LoRa и WAN (глобальная компьютерная сеть).
LoRa (Long Range) - технология, преобразующая данные в электромагнитные волны, представляет собой физический уровень протокола.
Стандарт продвигается некоммерческой ассоциацией LoRa Alliance, членами которой является более 500 компаний.
В 2018 г. организация включила частотные параметры для России в свой регламент. Для работы по данному протоколу в нашей стране разрешены диапазоны 864 - 865 МГц и 868,7 - 869,2 МГц.
Принцип работы и структура LoRaWAN
Система состоит из центрального сервера, базовых станций (они же шлюзы, гейты или концентраторы) и конечных устройств (они же точки, узлы).
Пакеты данных поступают от конечных точек к шлюзам, затем к следующему звену цепи – центральному серверу, после чего они попадают на сервер приложений, и уже затем к пользователю.
Датчики расположены удаленно, автономно и работают от батареек (беспроводные датчики температуры, освещенности, контроля параметров электрической сети, охранные и другие). Сервер приложений может удаленно управлять конечным оборудованием и получать необходимую информацию от них.
У LoRaWAN двухзвездная топология (star of stars). Каждая из конечных точек не привязана к конкретной станции. Данные принимаются сразу несколькими концентраторами, каждый из которых будет пересылать их центральному серверу посредством традиционных технологий (мобильная/спутниковая связь, Ethernet, Wi-Fi) через протокол TCP/IP. Центральный сервер обрабатывает данные, регулирует скорость их трансляции, выполняет проверку безопасности и планирует подтверждение получения через оптимальный шлюз.
Важная особенность базовых станций состоит в возможности одновременно принимать данные на разных скоростях по одному каналу. Если датчик расположен рядом со шлюзом, нет необходимости снижать скорость передачи, иначе он займет канал на большее время, чем требуется обычно. Увеличение скорости сокращает время в эфире и позволяет другим узлам передавать информацию, поэтому подобное адаптивное изменение скорости позволяет оптимизировать ресурс батареи конечного узла.
Концентраторы можно устанавливать внутри зданий, на крышах или вышках.
Протокол предусматривает двунаправленную передачу, но преимущественно она осуществляется от датчиков к шлюзам. В основе работы оборудования лежит асинхронная передача: конечные устройства включаются только тогда, когда у них есть что транслировать, в остальное время они пребывают в спящем режиме.
Сферы применения:
- Считывание показаний счетчиков (электричество, вода, газ)
- Отслеживание местоположения транспорта и груза
- Мониторинг производственных процессов (состояние оборудования, уменьшение его простоя, безопасность персонала)
- Автоматизация зданий
- Уличное освещение
Протокол идеально подойдет для управления городским освещением, поскольку для его функционирования не требуются провода (сигнал передается по радиоканалу), и он имеет большую зону покрытия.
Дальность действия определяется характеристиками базовых станций (БС). Например, БС от Kirklink передает радиосигнал на открытой местности до 20 км, в плотной городской застройке - до 10 км. БС отечественного производства Вега в сельской местности работает на расстоянии до 15 км, в городе радиус действия - 5 км.
Недостаток прежних систем состоял в том, что таймеры включали фонари, главным образом, по расписанию, а не с учетом светового дня и освещенности. Также не было возможности отслеживать неисправности и оперативно реагировать на них, отсутствовала информация о расходах электроэнергии по участкам.
Система LoRaWAN предоставляет следующие возможности:
- Управлять светом в соответствии с заданным графиком и с учетом загруженности отдельных районов
- Автоматическое диммирование, включение/выключение
- Получение информации о расходе электроэнергии по каждому отдельному светильнику или группам, отслеживание их состояния
- Для контроля работы системы необходимо организовать один диспетчерский пункт
Преимущества управления светом с помощью LoRaWAN
- Скорость передачи до 50 кбит/с (ее достаточно для максимально быстрой передачи сигнала от датчика к шлюзу)
- Минимальное энергопотребление (на батарейках типа АА устройства могут проработать до 10 лет)
- Дальность связи (одна базовая станция может покрыть сотни квадратных километров, и даже целые города). Дальность действия сигнала может быть меньше в силу плотной городской застройки и горного рельефа местности.
- Открытый протокол без необходимости получения лицензий на использование частот
- Масштабируемость. Сеть может быть развернута с минимальным количеством оборудования, при этом за счет добавления новых базовых станций можно увеличить скорость передачи и снизить нагрузку на другие шлюзы.
- Устойчивость к радиопомехам
- Безопасность сетей обеспечивается двухуровневым шифрованием