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 è l'abbreviazione di Long Range in inglese. È un tipo di tecnologia di comunicazione Low PowerWide Area Network (LPWAN). Si tratta di una tecnologia di trasmissione dati a bassa potenza e a lunghissima distanza, rilasciata da Semtech nel 2013. In passato, prima dell'avvento della LPWAN, sembrava che l'unica scelta fosse tra la lunga distanza e il basso consumo energetico. L'avvento della tecnologia wireless LoRa ha cambiato il compromesso tra distanza di trasmissione e consumo energetico. Non solo è in grado di raggiungere una trasmissione a lunga distanza, ma presenta anche i vantaggi del basso consumo energetico e del basso costo. La rete LoRa è formata come mostrato nella figura seguente. I nodi remoti possono connettersi al server di rete back-end attraverso più gateway, caricare dati e inviarli al cloud o al server. Nella rete LoRa, ogni nodo non è collegato tra loro. Deve essere collegato al gateway prima di potersi connettere all'host centrale o trasmettere dati a un altro nodo attraverso l'host centrale. I messaggi dei nodi terminali possono essere trasmessi a più gateway contemporaneamente e i messaggi possono essere ulteriormente estesi attraverso ponti tra i gateway.
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 è uno standard Low Power Wide Area Network (LPWAN) basato sul protocollo open source di livello MAC lanciato dalla LoRa Alliance. Questa tecnologia può fornire reti locali, nazionali o globali per dispositivi wireless alimentati a batteria. LoRaWAN risponde ad alcune esigenze fondamentali dell'Internet degli oggetti, come la comunicazione bidirezionale sicura, la comunicazione mobile e i servizi di identificazione della posizione statica. Questa tecnologia consente una perfetta interoperabilità tra i dispositivi intelligenti senza la necessità di complesse configurazioni locali, dando agli utenti, agli sviluppatori e alle imprese del settore IoT la possibilità di operare liberamente.
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.
La comunicazione tra il terminale e il gateway avviene sulla base di diverse frequenze e velocità di trasmissione dei dati. La scelta della velocità di trasmissione dei dati richiede un compromesso tra distanza di trasmissione e ritardo del messaggio. Grazie all'uso della tecnologia spread spectrum, le comunicazioni con diverse velocità di trasmissione non interferiscono tra loro e viene creata una serie di bande di frequenza "virtualizzate" per aumentare la capacità del gateway. La velocità di trasmissione dei dati di LoRaWAN varia da 0,3 kbps a 37,5 kbps. Per massimizzare la durata della batteria del dispositivo terminale e l'intera capacità della rete, il server di rete LoRaWAN controlla la velocità di trasmissione dei dati e ogni volta attraverso uno schema di adaptive data rate (ADR). La potenza di uscita della radiofrequenza di un dispositivo terminale. La rete ad ampio raggio con copertura nazionale è destinata ad applicazioni IoT come la costruzione di infrastrutture critiche, la trasmissione di dati personali riservati o i servizi pubblici sociali. Per quanto riguarda la sicurezza delle comunicazioni, LoRaWAN utilizza generalmente una crittografia multilivello per risolvere il problema: 1. Chiave di rete univoca (EU164) per garantire la sicurezza del livello di rete; 2. Chiave di applicazione univoca (EU164) per garantire la sicurezza della comunicazione terminale-terminale del livello di applicazione; 3. Chiave speciale (EUI128) appartenente al dispositivo. La rete LoRaWAN divide i terminali in tre categorie: A/B/C in base alle diverse applicazioni reali: Classe A: apparecchiature terminali per la comunicazione bidirezionale. Questo tipo di apparecchiatura terminale consente una comunicazione bidirezionale e ogni trasmissione a monte dell'apparecchiatura terminale è accompagnata da due finestre di ricezione a valle. Lo slot di trasmissione del dispositivo finale si basa sulle proprie esigenze di comunicazione e la sua regolazione fine si basa su una base temporale casuale (protocollo ALOHA). I terminali appartenenti alla Classe A hanno il consumo energetico più basso durante l'applicazione. Dopo l'invio di un segnale di trasmissione uplink da parte del terminale, il server può eseguire rapidamente la comunicazione downlink. In qualsiasi momento, la comunicazione downlink del server può seguire solo la comunicazione uplink.
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
Un requisito importante per il tracciamento o il posizionamento del mercato è la durata della batteria del terminale. Il tracciamento della logistica può essere un esempio pratico di implementazione ibrida. Le aziende di logistica possono distribuire le reti nelle posizioni richieste in base alle esigenze di posizionamento, che possono essere nei magazzini o nei veicoli di trasporto. In questo caso, le stazioni base portatili sono utili. LoRa può fornire questa soluzione di distribuzione. Allo stesso tempo, LoRa ha la caratteristica di rendere la comunicazione relativamente più stabile quando si muove ad alta velocità. LoRa è più adatto alla localizzazione logistica.
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
Per l'agricoltura sono urgentemente necessari sensori a basso consumo e a basso costo. L'applicazione di sensori come quelli di temperatura e umidità, anidride carbonica e salinità è di grande importanza per aumentare la resa agricola e ridurre il consumo di acqua. Questi sensori devono caricare regolarmente i dati. LoRa è molto adatto a questi scenari.
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.