W ramach cyklu IoT Hacks mieliście okazję przeczytać o technologii Bluetooth – nowościach które pojawiły się na rynku dla wersji Bluetooth od 5.0 do 5.2. Tym razem opowiemy o protokole LoRaWAN – czym jest, jakie jest jego zastosowanie, jakiej infrastruktury sieciowej potrzebuje i gdzie można spotkać się z jego wykorzystaniem na co dzień. Kontynuujemy cykl, w którym dzielimy się z Wami sposobami na obniżenie poboru energii, gdy tworzycie rozwiązania IoT.
LoRa (akronim słów long range – z ang. długi zasięg) to metoda modulacji oparta na metodzie CSS[1] (chirp spread spectrum), która zapewnia duży zasięg przy niewielkim poborze mocy kosztem przepustowości.
LoRaWAN (z ang. LoRa Wide Area Network) to protokół komunikacyjny[2] używający modulacji LoRa, przeznaczony do użycia w urządzeniach Internetu Rzeczy. Jest to protokół o topologii gwiazdy, w którym urządzenia końcowe łączą się z serwerem aplikacji za pośrednictwem szeregu bramek.
Wykorzystanie w warstwie fizycznej modulacji LoRa powoduje, że w celu osiągnięcia tego samego zasięgu moc nadajnika może być mniejsza niż w przypadku konkurencyjnych protokołów, zapewniając tym samym dłuższy czas pracy na baterii. Ciekawą cechą protokołu LoRaWAN jest również mechanizm ADR[3] (z ang. Adaptive Data Rate). Pozwala on na adaptacyjne dostosowanie prędkości transmisji oraz mocy nadajników w celu optymalizacji zużycia pasma i energii w systemach LoRaWAN.
Protokół LoRaWAN jest otwarty oraz korzysta z nielicencjonowanych częstotliwości pasma ISM[4], co sprawia, że jego implementacja oraz użycie nie wiąże się z dodatkowymi opłatami.
Zasięg, jak opisaliśmy powyżej, jest w protokole LoRaWAN silnie uzależniony od przepustowości. Możliwe do uzyskania rezultaty przedstawia tabela poniżej:
Pobór prądu, a tym samym czas pracy na baterii, jest uzależniony od docelowej konstrukcji urządzenia, podłączonych peryferiów, czy częstotliwości wymiany komunikatów. Trudno jest więc przedstawić rzetelną informację w tym zakresie, nie znając tych szczegółów. Jednakże przeglądając urządzenia IoT dostępne na rynku dominująca ich część ma wyrażony czas pracy na jednym komplecie baterii nie w dniach, czy miesiącach, a w latach. Przy tak małych poborach prądu ciekawym uzupełnieniem urządzenia jest “energy harvesting”, o którym pisaliśmy w IoT Hacks #1: Energy harvesting dla systemów wbudowanych o niskiej mocy.
Jeżeli chcesz stworzyć nowy produkt IoT z wykorzystaniem protokołu LoRaWAN, możesz go oprzeć o mikrokontroler z wbudowanym stosem sieciowym LoRaWAN lub wykorzystać do tego gotowy, certyfikowany moduł. Drogi te różnią się stopniem skomplikowania i możliwościami technicznymi, lecz kluczowe jest to na kiedy zaplanowałeś wprowadzenie produktu na rynek. Gotowe rozwiązania mogą przyspieszyć release, ale być może nie będą spełniać Twoich oczekiwań pod kątem funkcjonalności. Zanim podejmiesz decyzję odnośnie technologii powinieneś dokonać fachowej analizy przypadku. Jeśli masz z tym kłopot, chętnie pomożemy. Od lat realizujemy projekty z branży embedded i IoT, więc wiemy jak zorganizować proces tworzenia cyfrowego produktu.
A co w sytuacji, gdy Twój produkt jest już w sprzedaży, a teraz chcesz go wzbogacić o funkcję łączności sieciowej bez dużych zmian jego architektury? Nic nie stoi na przeszkodzie! Na rynku dostępne są trasceivery z kompletnym stosem, zarówno w postaci układów scalonych, jak również certyfikowanych modułów, które możemy dołączyć do Twojego urządzenia. Również tym razem nie można pominąć analizy aktualnego rozwiązania oraz oczekiwanych nowych funkcjonalności.
Wszystkie produkty IoT wykorzystujące komunikację bezprzewodową (bez względu na jej typ) potrzebują odpowiedniej infrastruktury. W domu lub w firmie stawiamy punkty dostępowe do sieci WiFi. Tworząc automatykę budynkową często wykorzystywane są bramki Bluetooth lub Wi-SUN.
A co w przypadku aglomeracji miejskiej? Do tej pory jedynym powszechnie dostępnym medium była sieć komórkowa, która jest jednak droga w implementacji oraz eksploatacji, a także bardzo energochłonna, a to nie sprzyja sprawnemu funkcjonowaniu urządzeń Internetu Rzeczy. Wymieniona wyżej sieć Wi-SUN również przejawia cechy odpowiednie do użycia w takim zastosowaniu, lecz pozostaje problem dostępności infrastruktury. Więcej na ten temat możesz przeczytać w jednym z naszych poprzednich tekstów z serii IoT Hacks – #3 Wi-SUN w systemach IoT.
Odpowiedzią na te niedogodności jest koncepcja sieci LoRaWAN budowanych przez społeczność zainteresowaną tym rozwiązaniem, np. Helium czy TheThingsNetwork.
W dniu publikacji tego artykułu sieć Helium dobrze pokrywała obszar większości dużych miast w Polsce[5]. Sposób naliczania opłat z wykorzystaniem tej sieci jest zbliżony do działania sieci komórkowych (płacimy za wykorzystany transfer). Co ważniejsze, jest to sieć LoRaWAN, a więc zapewnia niewielki pobór mocy. A co najważniejsze – nie musisz się martwić o infrastrukturę, bo ta już jest!
Jeżeli nie chcesz być zależny od dostępnej infrastruktury (lub chcesz, aby Twoja sieć działała wewnątrz budynku), to nic nie stoi na przeszkodzie, aby do tematu podejść „tradycyjnie” i zbudować sieć bramek. Warto jednak zauważyć, że LoRaWAN jest jedynym protokołem, który daje takie możliwości w kontekście urządzeń IoT.
Świat się zmienia. Wszystkie usługi stają się coraz bardziej interaktywne, możliwości techniczne są coraz większe. Komunikacja między ludźmi, a przedmiotami (jakkolwiek dziwnie brzmi) nigdy nie była tak powszechna i łatwa – bo czy dziś kogoś dziwi powiadomienie o skończonym praniu na telefonie komórkowym? Powstają nowe koncepcje, takie jak Helium, które otwierają dotąd zamknięte drogi dla wielu pomysłów i produktów.
Przykłady zastosowania LoRaWAN można mnożyć, poczynając od zastosowań w mieście (inteligentne oświetlenie, weryfikacja jakości powietrza, czy zarządzanie miejskimi parkingami wraz z interaktywną informacją dla kierowców), poprzez zastosowania biurowe i przemysłowe (monitoring produkcji, zajętości biurek, czy sterowania oświetleniem w biurowcach i fabrykach), na zastosowaniach domowych kończąc (sterowanie roletami, ogrzewaniem, czy monitorując stopień nawodnienia roślin).
Można powiedzieć, że protokół LoRaWAN jest „szyty na miarę” dla produktów IoT. Wystarczająco szybki, energooszczędny, zapewniający spory zasięg i prosty w implementacji, a także zapewniający unikalne możliwości z zakresie dostępności infrastruktury. Świadczyć może również o tym ogromna ilość produktów na rynku, które już z LoRaWAN korzystają.
