LoRaWAN: широкие возможности сети дальнего радиуса

Сети LoRaWAN уже сейчас доступны в 250 городах и 34 странах мира, включая Россию. Например, в Нидерландах решили «строить» умный город на базе LoRaWAN. Варианты использования датчиков в таких сетях широки. Уже сейчас эффективность мобильных станций контроля состояния окружающей среды с помощью LoRaWAN оценивают в Глазго. Рестораны оптимизируют поставки продуктов, а фермеры сокращают затраты на полив растений и добиваются большей урожайности. Затраты на приобретение и техническое обслуживание датчиков минимальны, подчеркивают аналитики. В то же время у сетей LoRaWAN существуют и другие преимущества.

LoRa – одна из первых современных LPWAN

LoRa – одна из первых технологий современных сетей LPWA, которая предназначена для обслуживания IoT-устройств. LoRa – это частотное расширение спектра, которое было запатентовано в 2008 году компанией Cycleo (Франция). Cycleo разрабатывала решения для беспроводной связи и полупроводников, умные счетчики и различные продукты как для потребительского, так и корпоративного рынков. Для продвижения новой технологии требовались немалые средства. Калифорнийский поставщик полупроводников Semtech в 2012 приобрел Cycleo, а вместе с ней – активы и разработки. В дальнейшем Semtech стала развивать решения LoRa, в том числе – заинтересовав такие крупные компании, как IBM и Cisco. Впоследствии эти ИТ-гиганты присоединились к LoRa Alliance.

Задача LoRa Alliance – глобальная поддержка сетей LoRaWAN. В ассоциацию, по данным на июнь 2017 года, входит более 500 компаний. Среди них – разработчики аппаратного и программного обеспечения, операторы LPWAN-связи и т.д. 

Услуги связи LoRaWAN оказывают 42 оператора более чем в 250 городах и 34 странах мира, включая Россию. По мнению экспертов, такая популярность сети связана с ее преимуществами: высокой автономностью и низкой стоимостью датчиков, широко зоной охвата сети и т.д.

Как устроена сеть LoRaWAN

LoRaWAN (Long Range wide-area networks, глобальная сеть большого радиуса действия) – наиболее известный аппаратный протокол LoRa, который предназначен для управления связью между LPWAN-шлюзами и конечными устройствами.   

LoRaWAN базируется на топологии «звезда». Множество устройств по беспроводному соединению передают данные не на один шлюз, а сразу на несколько. Подключение между устройствами и шлюзами осуществляется на двусторонней основе. Связь между шлюзами осуществляется через беспроводные решения, использующие широкополосную модуляцию LoRa или FSK.

Затем шлюзы, получившие информацию, перенаправляют полученные пакеты от конечного узла к облачному сетевому серверу, подключенного через мобильную или спутниковую связь, проводной или беспроводной ШПД. Оттуда данные поступают на серверы приложений.

Использование нескольких шлюзов удобно тем, что конечные узлы не имеют привязки. Это позволяет гарантировать передачу информации и контролировать устройства, находящиеся в движении. Например, беспроводные маячки, прикрепленные к грузовым контейнерам, перемещаемые на длительные расстояния, смогут без проблем обмениваться данными так как не имеют привязки к одному шлюзу.

Скорость передачи данных между конечными устройствами и шлюзами варьируется от 0,3 до 50 кбит/сек и может регулироваться самими шлюзами в зависимости от сценариев использования. 

Сплошные преимущества 

У сетей LoRaWAN множество преимуществ. Такие сети развертываются в диапазоне частот, не требующих лицензирования. Одна базовая станция способна обслуживать несколько десятков тысяч устройств, что обусловлено большим охватом сигнала и высокой помехоустойчивостью. Кроме того, срок службы аккумулятора может достигать десяти лет. При использовании солнечных батарей устройство будет работать автономно до тех пор, пока не закончится его ресурс.  

Рассмотрим некоторые преимущества более детально. 

Срок службы батареи

Устройства в сети LoRaWAN асинхронно обмениваются данными только тогда, когда им есть, что передать. Можно задать передачу данных по расписанию или вне зависимости от конкретного времени.

В обычных мобильных сетях устройства часто вынуждены «просыпаться» для синхронизации с сетью и проверки сообщений для получения и/или отправки. Такая синхронизация приводит к значительному расходу энергии и сокращает автономный срок работы устройства от аккумулятора. Аналитики GSMA провели множество исследований сетей LPWAN, в результате чего пришли к выводу: автономность LoRaWAN-устройств в 3-5 раз выше по сравнению с другими технологиями. 

Емкость сети

Для обеспечения нормальной работы сети LPWAN шлюз должен обладать очень высокой пропускной способностью или возможностью получать сообщения с очень большого числа конечных устройств. Высокая емкость сети LoRaWAN достигается за счет использования адаптивной скорости передачи данных и использования многоканального приемопередатчика в шлюзе, что гарантирует одновременное получение сообщений на нескольких каналах.

Шлюзы позволяют одновременно по одному каналу получать информацию с устройств, использующих разные скорости передачи данных. Адаптивная скорость передачи данных также оптимизирует время работы аккумулятора оборудования.

Сети LoRaWAN могут быть развернуты с минимальным количеством инфраструктуры. По мере необходимости, в зависимости от количества устройств в сети, можно изменять скорости передачи данных или увеличить количество шлюзов. 

Варианты применения LoRaWAN

Возможны следующие варианты применения LoRaWAN:

• автоматическое считывание показаний со счетчиков потребления различных ресурсов (вода, газ, электричество и т.д.);

• мониторинг умных электросетей;

• мониторинг транспорта и отслеживание грузов;

• контроль состояния емкостей с опасными веществами на производстве;

• мониторинг промышленного оборудования;

• мониторинг парковочного пространства;

• системы умного уличного освещения;

• мониторинг погодных условий;

• пожарные и охранные сигнализации;

• автоматизация зданий;

• автоматический сбор данных с сельхозугодий и т.д.

Рассмотрим возможности LoRaWAN на конкретных примерах.

LoRaWAN сделает Амстердам умным городом

В 2016 году в столице Нидерландов - Амстердаме, насчитывающем более 800 тыс. жителей, была запущена сеть LoRaWAN. Для охвата города, чья площадь составляет 219 кв.км., потребовалось установить 10 базовых станций стоимостью $1,2 тыс. каждая.

В столице Нидерландов уже задумываются о широком использовании возможностей LoRaWAN. Например, переполненные умные мусорные баки смогут оповещать коммунальные службы о необходимости вывоза отходов. Автомобилисты получат оповещения на придорожные электронные табло о бесплатных парковках и зарядных станциях для электрокаров поблизости. Детекторы дыма в умном доме незамедлительно оповестят владельца с помощью смартфона о необходимости вызвать или самостоятельно вызовут экстренные службы.

Города могут стать настолько умными, что множество подключенных вещей – кошельки, зонтики, сумки, брелоки с ключами в случае потери или кражи сообщат владельцам о своем нахождении.

Рассмотрим также примеры из других областей применения LoRaWAN.

LoRaWAN позаботится о чистоте окружающей среды в Глазго

В городе Глазго с помощью датчиков, которые отслеживают загрязнение окружающей среды, удалось снизить выбросы вредных веществ. Стационарные пункты мониторинга, были дополнены современными датчиками. Станции постоянного контроля стоят очень дорого, в то время как мобильные системы на основе LoRaWAN не только стоят дешевле, но и могут быть развернуты во многих точках города. Все датчики умещаются в небольшом чемодане. Это позволит выявлять в Глазго наиболее загрязненные точки и источники загрязнений.

Мобильная сеть качества воздуха состоит из трех ключевых компонентов:

• сенсоры, собирающие данные и уведомляющие службы мониторинга о состоянии окружающей среды (уровень угарного газа, твердые примеси в атмосфере, температура, влажность, давление);

• хаб, с помощью которого информация о местоположении датчиков отправляется в облачную базу данных;

• пользовательский веб-интерфейс для визуализации данных.

Первые такие мобильные точки контроля установлены на крыше одного из городских университетов.

LoRaWAN позволит оптимизировать поставки продуктов

Компания Binary Beer разработала умные кеги (бочонки для пива), которые могут сообщать о качестве и количестве оставшегося пива. Датчики контролируют уровень заливки, условия окружающей среды, такие как влажность и температура, влияющие на качество продукта. Первые такие бочонки используются пивоварней Five Barrel Brewing и отелем Headlands Hotel.

«Мы хотели помочь ресторанам, чтобы они заблаговременно до того, как пиво в бочонке закончится, могли заказать новую порцию. Еще одна проблема, которую нам хотелось бы решить – помочь избавится от пива, которое неправильно хранилось и испортилось», - рассказал основатель сервиса Майкл Бертон (Michael Burton). Переговоры Binary Beer ведет с Heineken и Anheuser-Busch. Для обеспечения работы сервиса используются датчики LoRAWAN.

LoRaWAN предупредит о возможных паводках

В Польше в городе Перемышль для отслеживания уровня воды в реке Сан были установлены датчики, базирующиеся на технологии LoRaWAN. Городская администрация получит достоверные и оперативные данные об уровне воды в реке, влажности почвы и другие параметры, необходимые для прогнозирования паводков.

LoRaWAN оптимизирует затраты фермеров

Компании Senet и Sensoterra объявили о партнерстве для управления системой влажности почвы Sensoterra. Система основана на сети IoT Senet и LoRaWAN.

Контроль влажности почвы позволяет фермерам эффективно расходовать воду. Раньше большинство датчиков было соединено с помощью проводов, что делало развертывание решений дорогим. Sensoterra решает эти проблемы с LoRaWAN

Решения Senet и Sensoterra позволят фермерам в режиме реального времени получать данные о влажности почвы. Датчики могут быть установлены в течение считанных минут. Данные доступны онлайн уже через час после того, как сенсоры смонтированы. Бесплатное приложение доступно для смартфонов, ноутбуков и планшетов.

Перспективы LoRaWAN

Ключевые преимущества LoRaWAN – это не только дешевизна обслуживания, но и минимальные затраты на приобретение и техническое обслуживание датчиков. Датчики для работы в сетях LoRaWAN, охватывают, пожалуй, максимально возможное количество вариантов использования.

Благодаря конкурентным преимуществам, на сети придутся миллиарды средних и недорогих контрактов, считают аналитики Link Labs. Кроме того, сети 5G, согласно исследованиям Lux Research, как минимум до 2028 года не смогут составить серьезной конкуренции LoRaWAN.