Introduzione a LoRa
La tecnologia di comunicazione LoRa è una delle comunicazioni a breve distanza della tecnologia di comunicazione dell'Internet degli oggetti. Le stesse tecnologie di comunicazione a breve distanza includono Bluetooth, WIFI, Zigbee, ecc.
LoRa is the abbreviation of Long Range in English. It is a type of Low PowerWide Area Network (LPWAN) communication technology. It is an ultra-long-distance low-power data transmission technology released by Semtech in 2013. In the past, before the emergence of LPWAN, it seemed that the only choice was between long distance and low power consumption. The emergence of LoRa wireless technology has changed the trade-off between transmission distance and power consumption. It can not only achieve long-distance transmission, but also have the advantages of low power consumption and low cost. The LoRa network is formed as shown in the figure below. Remote nodes can connect to the back-end network server through multiple gateways, upload data and send it to the cloud or server. In the LoRa network, each node is not connected to each other. It must first be connected to the gateway before it can connect to the central host, or transmit data to another node through the central host. Messages from terminal nodes can be transmitted to multiple gateways at the same time, and messages can also be further extended through bridges between gateways.
Composizione della rete LoRa
La rete LoRa è composta principalmente da quattro parti: terminale (che può avere un modulo LoRa integrato), gateway (o stazione base), server e cloud. I dati delle applicazioni possono essere trasferiti in entrambe le direzioni.
LoRa Alliance La LoRa Alliance è un'organizzazione aperta e senza scopo di lucro guidata da Semtech nel marzo 2015. Tra i suoi membri fondatori figurano la francese Actility, la cinese AUGTEK e Royal Dutch Telecom kpn. In meno di un anno, l'alleanza ha sviluppato più di 150 aziende associate, tra cui molti produttori di peso elevato come IBM, Cisco e la francese Orange. Vi è un gran numero di aziende in ogni anello della catena industriale (produttori di hardware per terminali, produttori di chip, produttori di gateway per moduli, produttori di software, integratori di sistemi, operatori di rete). L'apertura di questa tecnologia rende più difficile la concorrenza e la cooperazione. L'adeguatezza ha favorito il rapido sviluppo e la prosperità ecologica di LoRa.
Caratteristiche tecniche di LoRa
(1) Sensibilità -148dBm, distanza di comunicazione >15km;
(2) Costi infrastrutturali minimi, utilizzando gateway/concentratori per espandere la capacità del sistema.
(3) Durata della batteria >5 anni, corrente di ricezione 10mA, corrente di riposo <200nA
(4) Banda di frequenza senza licenza, costi ridotti per i nodi/terminali
Vantaggi della tecnologia LoRa
(1) La lunga distanza, la distanza di trasmissione può raggiungere 8 km, ampia area
(2) Facile da costruire e da distribuire, può essere installato e utilizzato nella maggior parte dei luoghi.
(3) Basso consumo energetico e lunga durata della batteria
(4) Basso consumo energetico e lunga durata della batteria. Il prezzo del terminale LoRa si aggira intorno ai 100-200.
Svantaggi tecnici di LoRa
(1) Interferenza di spettro: Con l'aumento dei dispositivi e delle reti LoRa, si verificano interferenze di spettro tra di essi.
(2) La rete deve essere costruita ex novo.
(3) La tecnologia è troppo concentrata: La tecnologia LoRa è troppo concentrata in Semtech, il che non favorisce lo sviluppo del settore.
[Esteso] Protocollo LoRaWAN
LoRaWAN is a Low Power Wide Area Network (LPWAN) standard based on the open source MAC layer protocol launched by the LoRa Alliance. This technology can provide local, national or global networks for battery-powered wireless devices. LoRaWAN targets some core needs in the Internet of Things, such as secure two-way communication, mobile communication and static location identification services. This technology enables seamless interoperability between smart devices without the need for complex local configuration, giving users, developers and enterprises in the IoT field free operating rights.
L'architettura di rete LoRaWAN è una tipica topologia a stella. In questa architettura di rete, il gateway LoRa è un relay di trasmissione trasparente che collega il dispositivo terminale e il server centrale back-end. Il gateway e il server sono collegati tramite IP standard e il dispositivo terminale utilizza un singolo hop per comunicare con uno o più gateway. La comunicazione tra tutti i nodi e i gateway è bidirezionale e sono supportate anche operazioni come gli aggiornamenti del cloud per ridurre i tempi di comunicazione con il cloud.
Communication between the terminal and the gateway is completed based on different frequencies and data transmission rates. The selection of data rate requires a trade-off between transmission distance and message delay. Due to the use of spread spectrum technology, communications with different transmission rates will not interfere with each other, and a set of “virtualized” frequency bands will be created to increase gateway capacity. The data transmission rate of LoRaWAN ranges from 0.3 kbps to 37.5 kbps. In order to maximize the battery life of the terminal device and the entire network capacity, the LoRaWAN network server controls the data transmission rate and each time through an adaptive data rate (ADR) scheme. The radio frequency output power of a terminal device. The wide-area network with nationwide coverage targets IoT applications such as critical infrastructure construction, confidential personal data transmission or social public services. Regarding secure communication, LoRaWAN generally uses multi-layer encryption to solve the problem: 1. Unique network key (EU164) to ensure network layer security; 2. Unique application key (EU164) to ensure application layer terminal-to-terminal communication. security; 3. The special key (EUI128) belonging to the device. The LoRaWAN network divides terminal equipment into three categories: A/B/C according to different actual applications: Class A: two-way communication terminal equipment. This type of terminal device allows two-way communication, and each terminal device’s upstream transmission is accompanied by two downstream reception windows. The end device’s transmission slot is based on its own communication needs, and its fine-tuning is based on a random time base (ALOHA protocol). Terminal equipment belonging to Class A has the lowest power consumption during application. After the terminal sends an uplink transmission signal, the server can quickly perform downlink communication. At any time, the server’s downlink communication can only follow the uplink communication.
Applicazioni tipiche di Lora
Campo petrolifero intelligente
I campi petroliferi intelligenti utilizzano vari dispositivi di rilevamento delle misure online e in tempo reale, come vari strumenti e altri dispositivi di rilevamento delle informazioni installati su pozzi di petrolio e gas, oleodotti, apparecchiature per la lavorazione, il trattamento, lo stoccaggio e il trasporto di petrolio e gas, per connettersi alla rete aziendale o a Internet, una rete per lo scambio di informazioni e la comunicazione per ottenere l'identificazione intelligente, il posizionamento, il tracciamento, il monitoraggio e la gestione.
Tracciamento della logistica
An important requirement for tracking or positioning the market is the battery life of the terminal. Logistics tracking can serve as a practical example of hybrid deployment. Logistics companies can deploy networks at required locations according to positioning needs, which can be in warehouses or transport vehicles. At this time, portable base stations come in handy. LoRa can provide such a deployment solution. At the same time, LoRa has a characteristic that communication is relatively more stable when moving at high speeds. LoRa is more suitable for logistics tracking.
Acqua intelligente
Gli affari idrici intelligenti rilevano lo stato operativo dei sistemi di approvvigionamento idrico e di drenaggio urbano in tempo reale attraverso apparecchiature di monitoraggio online come logger digitali, reti wireless e manometri per la qualità dell'acqua, e utilizzano un metodo visivo per integrare organicamente i dipartimenti di gestione dell'acqua e gli impianti di approvvigionamento idrico e di drenaggio per formare l'"Internet degli oggetti degli affari idrici urbani", e possono condurre un'analisi e un'elaborazione tempestive di informazioni massicce sugli affari idrici, e produrre risultati di elaborazione corrispondenti per assistere il processo decisionale e i suggerimenti, e gestire l'intero processo di produzione, gestione e servizio del sistema degli affari idrici in modo più raffinato e dinamico, raggiungendo così uno stato "intelligente".
Agricoltura intelligente
For agriculture, low-power and low-cost sensors are urgently needed. The application of sensors such as temperature and humidity, carbon dioxide, and salinity is of great significance to increasing agricultural yields and reducing water consumption. These sensors need to upload data regularly. LoRa is very suitable for such scenarios.
Edificio intelligente
Per la ristrutturazione degli edifici, vengono aggiunti sensori per il monitoraggio della temperatura e dell'umidità, della sicurezza, dei gas nocivi e del flusso d'acqua e le informazioni di monitoraggio vengono caricate regolarmente, il che facilita la supervisione dei gestori e rende più conveniente il lavoro degli utenti. In generale, non è necessario che la comunicazione di questi sensori sia particolarmente frequente o che garantisca una qualità del servizio particolarmente buona, e un gateway domestico portatile può soddisfare le esigenze. Pertanto, LoRa è una scelta più adatta in questo scenario.
