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La tecnologia wireless dei sensori LoRa (a lungo raggio) sta creando scompiglio nel settore dell'Internet of Things (IoT). Questa tecnologia wireless può fornire una connettività affidabile su lunghe distanze, fino a 10 km nelle aree rurali e 2 km in quelle urbane. Grazie a una trasmissione dati affidabile che penetra negli spazi interni e nelle strutture sotterranee e a una durata delle batterie di diversi anni, il tutto a bassi costi operativi, LoRa promette di eliminare molte delle problematiche di connettività e alimentazione che ostacolano l'utilizzo innovativo dell'IoT.
Considerati i suoi punti di forza, non sorprende che le previsioni di settore prevedano che LoRa connetterà il prossimo miliardo di dispositivi IoT. La società di analisi ABI Research prevede che LoRa rappresenterà oltre la metà di tutte le connessioni LPWA non cellulari, che potrebbero arrivare a quasi 1.3 miliardi di 2026.
Cosa sono i sensori LoRa
I sensori LoRa sono sensori wireless che utilizzano Tecnologia di comunicazione LoRa Per trasmettere i dati dei sensori a gateway e applicazioni. Questi sensori consumano pochissima energia e possono funzionare per diversi anni prima di dover essere sostituiti. Le misurazioni più comuni includono temperatura, umidità, qualità dell'aria, flusso d'acqua, umidità del suolo, vibrazioni e altro ancora.
I sensori contengono un microcontrollore per la lettura dei dati, una radio LoRa per la comunicazione wireless e una fonte di alimentazione a batteria. I dati provenienti dai sensori vengono trasmessi periodicamente tramite la rete LoRa ad applicazioni centrali e piattaforme di analisi. Alcuni sensori comunemente integrati nei sensori LoRa includono:
- DHT11 – Sensore di temperatura e umidità
- Ultrasuoni – Sensore di rilevamento oggetti
- Fotosensibile – Sensore di luce ambientale
- Sensore di fiamma – Per rilevare la presenza di fuoco
- Relè – Per il controllo dell'alimentazione del dispositivo
- Buzzer – Allarmi o avvisi acustici
- LED – Indicatori visivi
- Moduli GPS – Posizionamento della posizione
Questi sensori possono essere collegati a una scheda microcontrollore abilitata LoRa, come un Arduino o un Raspberry Pi, per raccogliere e trasmettere i dati dei sensori.
Come i sensori LoRa trasmettono e ricevono dati tramite LoRaWAN
I sensori LoRa operano all'interno di una rete LoRa, utilizzando il protocollo LoRaWAN per una trasmissione e ricezione dati efficiente. LoRaWAN è un protocollo di livello MAC (Media Access Control) basato su cloud che funge principalmente da protocollo di livello di rete. Utilizziamo LoRaWAN per gestire la comunicazione tra i gateway LoRa e i sensori LoRa (nodi). Funziona come protocollo di routing ed è gestito dalla LoRa Alliance. La prima versione di LoRaWAN è stata rilasciata nel 2015.
Nell'architettura LoRaWAN, i nodi LoRa, ovvero i sensori dotati del protocollo LoRa, avviano una comunicazione asincrona quando hanno dati da trasmettere. Ciò consente a una rete LoRa di bilanciare la sensibilità con la velocità di trasmissione dati, mantenendo una larghezza di banda del canale fissa. Ciò comporta principalmente la selezione della quantità di spread utilizzata, un parametro selezionabile tra 7 e 12. Questo fattore di spreading determina la sensibilità e la velocità di trasmissione dati di un nodo LoRa.
I dati trasmessi da un nodo LoRa vengono ricevuti da più gateway LoRa, che inoltrano i pacchetti dati ricevuti a un server di rete centralizzato (server IoT). Quest'ultimo filtra i pacchetti duplicati, gestisce la rete ed esegue controlli di sicurezza. Successivamente, il server invia i dati elaborati a moduli applicativi, pannelli di controllo o dispositivi intelligenti connessi. In questo modo, il protocollo LoRaWAN garantisce elevata affidabilità e precisione anche con carichi moderati.
Inoltre, il protocollo LoRaWAN incorpora la codifica Forward Error Correction per migliorare la resilienza della rete alle interferenze. Con un elevato budget di collegamento wireless, compreso tra 155 dB e 170 dB, le reti LoRa offrono una portata estesa, rendendole adatte a diverse applicazioni.
Come configurare una rete di sensori LoRa
I dispositivi in una rete LoRa sono costituiti da nodi LoRa (dispositivi sensori), gateway LoRa che inoltrano i messaggi e un server di rete LoRa centralizzato. Per utilizzare un sensore LoRa, è essenziale una configurazione di rete LoRa completa. Esploriamo i componenti chiave in dettaglio:
Nodo LoRa: I sensori sono dotati di connettività wireless e protocollo LoRa. Raccolgono i dati dei sensori e li trasmettono al gateway LoRa.
Porta LoRa: Funge da punto centrale per la creazione della rete LoRa. Riceve dati dai nodi LoRa tramite la tecnologia wireless LoRa e li inoltra al server cloud tramite connettività basata su IP come Wi-Fi, Ethernet o cellulare. I gateway ricevono anche comandi dal cloud e li inviano ai nodi finali LoRa. In genere, più gateway ricevono la stessa trasmissione dal nodo, garantendo ridondanza.
Cloud Server: Un server cloud che riceve e archivia dati dai gateway LoRa. Fornisce accesso ai dati da più piattaforme, consentendo scalabilità e controllo sulle prestazioni e sulla portata dei sensori LoRa.
Fornisce accesso ai dati su diverse piattaforme, offrendo la flessibilità necessaria per scalare e gestire le prestazioni e la gamma dei sensori LoRa.
Il server cloud funge anche da canale per l'invio di comandi da un pannello di controllo (dispositivo intelligente) ai nodi LoRa. In questo caso, è possibile apportare modifiche alle prestazioni, alla portata o ad altri parametri dei sensori LoRa nella rete LoRa.
Ecco come configuriamo i sensori LoRa all'interno di una rete LoRa. Una rete LoRa può ospitare tutti i sensori LoRa necessari.
Vantaggi dell'utilizzo dei sensori LoRa
La tecnologia LoRa, che si distingue tra le tecnologie dirompenti, non è una visione per il futuro, ma una realtà presente con una diffusione globale. Miliardi di sensori LoRa e LoRaWAN sono già impiegati in tutto il mondo in diverse implementazioni IoT e questo numero è in costante aumento. Sfruttando il protocollo LoRaWAN, i sensori LoRa contribuiscono in modo significativo all'evoluzione di un mondo più intelligente. Ecco alcuni dei principali vantaggi dei sensori LoRa:
Connettività a lungo raggio
La tecnologia LoRa si distingue per il basso consumo energetico e la capacità di comunicazione dati a lungo raggio. Fornisce una connettività wireless affidabile fino a 10 km nelle aree rurali e 2 km in quelle urbane per sensori interrati e indoor. Questo è fondamentale per applicazioni agricole o di misurazione dell'acqua.
Funzionamento a bassa potenza
I nodi sensore LoRa possono funzionare fino a 10 anni con una singola batteria, ottimizzando la frequenza di misurazione dei sensori, i cicli di sospensione e la velocità di trasmissione dati del collegamento LoRa. Il basso consumo energetico è essenziale per l'agricoltura in aree remote, le infrastrutture di pubblica utilità o il tracciamento. Ciò riduce anche i costi di manutenzione.
Resilienza alle interferenze
LoRa utilizza la modulazione a spettro diffuso chirp, che garantisce resilienza al rumore radio e alle interferenze. Gli schemi di correzione degli errori in avanti garantiscono la robustezza del segnale.
Ecosistema globale
La specifica LoRaWAN e le alleanze associate offrono un framework interoperabile utilizzabile da diversi provider di reti LoRa, sia pubblici che privati. Con oltre 500 membri, inclusi 100 operatori di reti pubbliche in più di 58 paesi, l'ecosistema della LoRa Alliance garantisce l'accessibilità globale. Con reti in oltre 100 paesi, consente una rapida implementazione delle soluzioni LoRa in tutto il mondo.
Applicazioni versatili
LoRa integra tecnologie come cellulare, Wi-Fi e Sigfox per applicazioni sensibili ai costi e al consumo energetico. Questo ne favorisce l'adozione in contesti smart city, edifici, agricoltura, logistica e industria.
Applicazioni prospettiche dei sensori LoRa
I sensori LoRa offrono un'ampia gamma di possibilità che possiamo sfruttare per applicazioni in diversi settori. Alcune delle possibili applicazioni dei sensori LoRa sono:
Agricoltura intelligente
Sensori LoRa per l'umidità del suolo, sensori di luce e monitor di umidità aiutano a ottimizzare l'uso dell'acqua e le condizioni di crescita per migliorare le rese delle colture. È abilitato il monitoraggio della posizione e della salute del bestiame.
Smart City
I sensori LoRa trasmettono dati sulla disponibilità di parcheggi, sui parametri di monitoraggio ambientale e persino sullo stato dei cassonetti dei rifiuti. I servizi cittadini relativi all'illuminazione e al monitoraggio del traffico sfruttano questa tecnologia. LoRa viene utilizzato anche in applicazioni di monitoraggio delle perdite e dello stato strutturale.
Assistenza sanitaria intelligente
Le reti LoRa consentono una connettività affidabile e a basso costo per il tracciamento delle risorse mediche, il monitoraggio della temperatura di farmaci/campioni di sangue e il monitoraggio della salute dei pazienti anziani. Le soluzioni IoT basate su sensori e gateway LoRa possono contribuire al monitoraggio 24 ore su 24 dei pazienti ad alto rischio.
Monitoraggio industriale intelligente
Le attività industriali possono trarre vantaggio dai sensori LoRa, che offrono funzioni di monitoraggio continuo. I sensori wireless LoRa per temperatura, vibrazioni, pressione e consumo energetico aiutano ad analizzare lo stato di salute delle apparecchiature di fabbrica senza costosi cablaggi. I servizi di localizzazione senza GPS tracciano asset e container di alto valore nei parchi industriali, sfruttando l'ampia portata.
Utilità intelligenti
Poiché i contatori sono spesso collocati al chiuso, sottoterra o in ambienti urbani densi, ciò rende difficile per la maggior parte delle tecnologie wireless raggiungerli. Le città stanno implementando contatori intelligenti per le forniture di gas, elettricità e acqua basati sulla connettività radio LoRa per trasmettere i dati di consumo da remoto anziché tramite un'ispezione manuale di persona.
Catena di fornitura e logistica intelligenti
I sensori LoRa semplificano e rendono più conveniente per la logistica e le catene di approvvigionamento il monitoraggio di beni di alto valore in transito. L'ampio raggio d'azione e il basso consumo energetico dei sensori LoRa semplificano la geolocalizzazione di veicoli e merci. I pallet dotati di sensori d'urto o di temperatura aiutano a determinare la movimentazione errata e la validità delle richieste di risarcimento assicurativo.
Monitoraggio dei pazienti affetti da Alzheimer
I dispositivi di tracciamento indossabili con tecnologia LoRa possono avvisare gli operatori sanitari quando un paziente affetto da Alzheimer abbandona una zona sicura designata. Questo contribuirà a garantire la sicurezza 24 ore su 24 in assenza di supervisione fisica. La maggiore durata della batteria rispetto ai tag BLE riduce al minimo gli interventi di manutenzione.
Case ed edifici intelligenti
I sensori LoRa trasmettono informazioni sulle dinamiche di casa e edificio in modo fluido. Monitorano il consumo energetico, il funzionamento dei sistemi HVAC e le misure di sicurezza, come i sensori intelligenti per porte e finestre. Oltre a ciò, LoRa si estende alla creazione di spazi abitativi e lavorativi intelligenti e interconnessi.
Conclusione
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