O que é LoRaWAN?

O que é LoRa e LoRaWAN?

LoRa é um novo padrão de comunicação para a Internet das Coisas, que é comumente usado para transmissão de dados de pequeno sinal em distâncias muito longas. Os sensores LoRa normalmente têm baixa potência, Baixo consumo de energia, e bateria de longa duração. LoRa is the abbreviation of the word “Long Range”. Do nome, pode-se ver que a principal característica do LoRa é a longa distância de transmissão. LoRa’s signal modulation scheme, desenvolvido pela Semtech, permite excelente margem de link. LoRa’s signal sensitivity is very high, então LoRa pode manter comunicação de longa distância, mesmo em ambientes ruidosos. Semelhante a outras tecnologias LPAWAN, como NB-IoT, LoRa normalmente opera em taxas de dados mais baixas, o que aumenta ainda mais o headroom do link. Devido à sua baixa taxa de dados, LoRa não é adequado para cenários que exigem alto atraso de dados.

LoRaWAN é um padrão de comunicação do protocolo LPWAN baseado no chip LoRa, que é projetado para conexão IoT remota. LoRaWAN foi originalmente chamado de LoRaMAC, que é um conjunto de protocolos de comunicação e arquitetura de sistema com base no projeto de rede de comunicação de longa distância LoRa. De acordo com o protocolo de comunicação tradicional, LoRaWAN é a camada MAC, e LoRa é a camada física. LoRaWAN é um padrão de rede aberta, e seu controle de acesso à camada de enlace de dados (MAC) é mantido pelo Aliança LoRa.

O que são gateways LoRaWAN e servidores em nuvem LoRaWAN

O gateway LoRaWAN é um conector de rede LoRa, que pode converter o protocolo de comunicação de rede LoRa para o protocolo TCP/IP, e transmitir os dados do dispositivo LoRaWAN para a rede. Isso é semelhante a configurar um roteador sem fio industrial para conectar dispositivos WiFi à rede. Os gateways geralmente são implantados por usuários ou provedores de soluções e geralmente são implantados em centros regionais remotos sem outros tipos de cobertura.

o Servidor de nuvem LoRaWAN é um centro de serviços em nuvem que gerencia conexões e comunicações de dispositivos. O servidor web pode ser um servidor físico ou um servidor em nuvem. Quando o servidor da web está na nuvem, como o serviço de hospedagem, the gateway operates in a so-called “packet forwarding” mode, que apenas passa todos os pacotes de dados LoRa originais no ar para o servidor web e o servidor web. Neste modo, todas as informações, como criptografia de dados e descriptografia de pacotes, gerenciamento de dispositivo e conexão, a análise e o processamento de dados são armazenados no ECS, o que torna mais fácil gerenciar e atualizar o servidor e mais fácil de ler e processar dados.

Como funciona o LoRaWAN

Em termos de estrutura de rede, LoRaWAN’s wireless protocol is very simple. Sua estrutura de rede é uma topologia em estrela, que é propício para o equipamento terminal LoRaWAN para aumentar o alcance da comunicação e reduzir o consumo de energia. Após demonstração e teste, esta estrutura em estrela é mais adequada para este tipo de cenário de aplicação de Internet das coisas com baixo consumo de energia e grande área do que a estrutura de grade.

O layout de rede da topologia em estrela é o modo central de processamento de dados. Cada dispositivo terminal LoRaWAN transmite os dados para vários gateways LoRaWAN, e então o gateway LoRaWAN transmite os dados para o servidor central. O servidor central gerencia e processa centralmente os dados coletados, e o servidor irá completar o agendamento de mensagens, investigação de segurança, e detecção de redundância dos dados. O servidor central realimenta algumas informações do equipamento terminal LoRaWAN de acordo com os dados para que LoRaWAN possa dar uma determinada resposta.

Duas vantagens óbvias do protocolo LoRaWAN

1. Rastreamento mais conveniente: os gateways não precisam se comunicar uns com os outros. A informação do nó terminal é transmitida. O sinal de um nó terminal pode ser recebido por vários gateways. A direção e a posição do nó terminal podem ser aproximadamente determinadas de acordo com a diferença de tempo entre as informações recebidas pelo gateway. Esta lógica e algoritmo são relativamente simples.
2. Link de informação mais simples: o gateway é usado apenas como uma ponte para realizar a transmissão de informações entre o terminal do nó e o servidor. Não há comunicação mútua entre o gateway e o gateway, e o link de informações é novo e simples.

Tipos de dispositivos LoRaWAN: Classe A, Classe B e Classe C

Classe A é uma operação assíncrona. A característica da operação assíncrona é que ela não precisa enfileirar como uma operação síncrona. Quando o nó terminal precisa transmitir dados, vai se conectar com o gateway, ao invés de esperar por um tempo específico ou enfileirar para a conclusão de tarefas de thread. O nó terminal está em um estado de hibernação antes de transmitir dados. Depois que o nó completa a transmissão, ele entrará imediatamente no estado de hibernação. Quando um nó completa a transmissão, o outro pode iniciar a transmissão imediatamente. Não há lacunas na comunicação. Uma vez que a classe A é a transmissão assíncrona, colisão é inevitável. A capacidade máxima teórica de uma rede Aloha pura é sobre 18.4% do máximo. Se dois nós acordarem ao mesmo tempo e decidirem transmitir no mesmo canal usando as mesmas configurações de rádio, eles vão colidir e colidir.

A classe B permite que as informações sejam enviadas para o nó terminal. O gateway LoRaWAN envia um beacon a cada 128 segundos. Todas as estações base LoRaWAN também enviam mensagens de beacon. Seus relógios internos são síncronos e pertencem a um pulso por segundo (1PPS). O satélite de sincronização em órbita irá transmitir uma mensagem no início de cada segundo, que pode sincronizar a hora em todo o mundo. A estação base de Lora Wan também depende deste tempo de sincronização. Cada beacon enviado pelo gateway aloca um intervalo de tempo de 128 segundos para dizer ao nó quando receber o sinal.

A classe C permite que o nó continue ouvindo por um longo tempo sem dormir e pode enviar mensagens de downlink a qualquer momento. A classe C está no estado de ativação por um longo tempo e precisa consumir energia para manter o estado de ativação do nó para monitorar o sinal recebido em tempo real. Toda classe C consome muita energia e não é adequada para alimentação por bateria. É usado principalmente em cenários onde a fonte de alimentação pode ser estável.

Por que usar LoRaWAN em vez de WiFi, Bluetooth, Zigbee, e mais

LoRaWAN tem seus próprios cenários de aplicação com WiFi, Bluetooth, ZigBee, celulares, etc. em transmissão de longa distância, LoRaWAN tem vantagens óbvias sobre os outros. Wi-fi, ZigBee e Bluetooth usam um espectro de 2,4 GHz. A vantagem desse espectro é que ele pode transportar uma grande quantidade de informações e velocidade rápida, mas não é uma boa escolha para sensores sem fio.

1. O espectro de 2,4 GHz enfraquece rapidamente no ar. O sensor de rede deste protocolo de comunicação geralmente tem um alcance de conexão muito curto, e a penetração física do espectro de 2,4 GHz é muito pobre. A maioria dos sinais não consegue penetrar em outros bloqueios de estradas, como paredes de construção. Na vida diária, no canto ou área fechada, como porão ou banheiro, o sinal de WiFi no corredor será muito fraco ou basicamente ausente. Os sistemas de automação residencial que usam protocolos como o Zigbee muitas vezes descobrem que não podem se conectar ao cômodo ao lado. Por outro lado, O equipamento LoRa pode alcançar distâncias de vários quilômetros em um ambiente ao ar livre e pode funcionar bem através de obstáculos, como edifícios ou equipamentos.
2. the 2.4GHz spectrum is very “noisy”, o que significa que existem dispositivos de 2,4 GHz ao nosso redor competindo por tempo de transmissão, o que afeta a qualidade do link. A frequência operacional da LoRa nos Estados Unidos é de 915 MHz, por isso não vai interferir com o WiFi local e a maioria dos outros dispositivos sem fio.
3. Wi-fi, um protocolo de comunicação de rede, é muito pobre em gerenciamento de chaves e prevenção e controle de segurança de rede, e é muito inconveniente usar em muitas ocasiões. Por exemplo, se um roteador WiFi conectado a vários dispositivos deseja alterar a senha de conexão, você precisa alterar a senha de conexão de todos os dispositivos de terminal WiFi conectados. no entanto, se o dispositivo de terminal WiFi for um pequeno dispositivo eletrônico alimentado por bateria que não atende ao usuário, é difícil conectar ao servidor WiFi que alterou a senha. Em vida, O WiFi geralmente é usado em smartphones, TVs inteligentes, laptops e outros dispositivos. Esses dispositivos têm telas de exibição e bibliotecas para alterar facilmente as senhas. Mas reconectar o roteador WiFi é muito difícil para sensores simples alimentados por bateria.. Por outro lado, LoRaWAN configura e protege o equipamento de diferentes maneiras. A chave não é uma única senha definida no servidor web, mas é derivado do próprio sensor e tem um valor único que pode ser fornecido no servidor da web (geralmente na nuvem). Todos os sensores de ponte de rádio têm um par de ID / chave exclusivo, permitindo configuração e gerenciamento de segurança eficientes.
4. O consumo de bateria de dispositivos terminais, como WiFi, Bluetooth, ZigBee e dispositivos móveis celulares são relativamente altos. Esses dispositivos enviam uma grande quantidade de informações de sinal, e o espectro enfraquece rapidamente, e a potência transmitida é relativamente alta, de modo a garantir uma certa cobertura. Esses dispositivos devem manter comunicação regular com o gateway ou estação base para manter o estado de conexão. Por outro lado, Dispositivos LoRaWAN podem entrar em modo de hibernação e acordar apenas quando necessário para enviar para entregar novos eventos. Na maioria dos aplicativos, isso permite que a vida da bateria seja tão longa quanto 5 para 10 anos.

LoRa é uma tecnologia de modulação de rádio usada para redes LAN sem fio na categoria de tecnologia de rede LPWA. LoRaWAN é uma rede (protocolo) que usa LoRa.

Olhe para o futuro do LoRaWAN

A Internet das coisas de baixo consumo de energia é mais amplamente usada na construção de cidades inteligentes. Com o aprofundamento da construção de cidades inteligentes, aplicações de percepção urbana receberão cada vez mais atenção. Este tipo de aplicativo de Internet das coisas tem seus pontos especiais: enorme conexão, baixa frequência de comunicação, Baixo consumo de energia, ambiente de cobertura complexo e sensibilidade de alto custo. Portanto, Internet das coisas de baixo consumo é mais adequada para a percepção urbana Sistema de aplicação da Internet das coisas.

Por que a tecnologia LoRa atrai a atenção da indústria? A tecnologia LoRa tem uma ampla perspectiva de aplicação em muitos campos com excelente desempenho e forma de rede flexível. Além disso, a arquitetura de implementação da transmissão de longa distância LoRa, os três modos de comportamento do LoRaWAN, e a típica arquitetura e aplicação de LoRa. Além dos sistemas de monitoramento de fumaça, sistemas de monitoramento de ambiente de energia, sistemas de monitoramento de economia de energia de ar condicionado e sistemas de monitoramento de cuidados inteligentes, a popularização da Internet das coisas deve ser baseada em pessoas orientadas. Seguro de vida, transporte e tratamento médico, poluição ambiental, problemas alimentares e recursos humanos são todos campos de aplicação vertical da Internet das coisas que têm sido amplamente preocupados por um longo tempo, LoRa tem mais vantagens do que outras tecnologias de comunicação nesses cenários.

A era da interconexão de todas as coisas é também a era dos dados como o rei. no entanto, em muitos casos, se objetos inteligentes não têm informações de localização correspondentes, it means that the data is “chaotic” and the available value will be greatly reduced. Com o vigoroso desenvolvimento da indústria da Internet das coisas nos últimos dois anos, a demanda por tecnologia de posicionamento em vários cenários de aplicativos da Internet das coisas também aumentou muito. Atualmente, existem dezenas ou mesmo centenas de tipos de tecnologia de posicionamento, e cada tecnologia de posicionamento tem suas próprias vantagens e desvantagens e cenários de aplicação adequados.

LoRa é aplicável a áreas locais com maior densidade e tem as características de relativamente independente, sinal mais forte e menor custo. Portanto, LoRa deve ter um lugar no futuro amplo mercado do oceano azul da Internet das coisas. Quanto à perspectiva de desenvolvimento futuro de LoRa, ainda depende da promoção conjunta de pessoas do setor.