Cos'è la tecnologia LoRaWAN e come funziona

Stai pensando di integrare LoRaWAN nella tua soluzione IoT? Nell'ambito della rapida evoluzione della tecnologia IoT, LoRaWAN si distingue come un attore formidabile nel settore LPWAN. Se stai pensando a una soluzione di rete LoRaWAN per applicazioni industriali o aziendali, approfondire le complessità di questo protocollo è un primo passo fondamentale. In questo articolo, approfondiamo tutti gli aspetti chiave della tecnologia LoRaWAN. Unisciti a noi per esplorare gli aspetti essenziali, offrendoti gli spunti necessari per prendere decisioni consapevoli per le tue iniziative IoT.

Cos'è la tecnologia LoRaWAN

LoRaWAN è l'acronimo di Long Range Wide Area Network. Si tratta di un protocollo WAN a basso consumo progettato per dispositivi e risorse wireless alimentati a batteria. Le reti LoRaWAN utilizzano in genere frequenze non soggette a licenza, come le bande a 433 MHz o 900 MHz, per connettere i dispositivi a Internet su lunghe distanze in modalità wireless.

La tecnologia si basa su uno strato fisico chiamato LoRa, che utilizza la modulazione a spettro diffuso chirp. Questo metodo distribuisce il segnale su una larghezza di banda più ampia, rendendolo resistente alle interferenze e conferendogli le caratteristiche di lungo raggio. Semtech ha originariamente sviluppato la tecnica di modulazione LoRa e la mantiene.

LoRaWAN aggiunge un protocollo di livello di rete per consentire la comunicazione bidirezionale tra dispositivi finali e gateway. I gateway si connettono quindi ai server di rete centrali tramite IP. Questa architettura abilita funzionalità come velocità di trasmissione dati adattive, indirizzamento dei dispositivi, sicurezza, roaming, ecc., rendendo possibili implementazioni su larga scala.

La LoRa Alliance è un'associazione aperta senza scopo di lucro che supervisiona Standard LoRaWAN e ne promuove l'adozione globale. Conta oltre 500 membri in tutto il mondo, tra produttori di dispositivi, operatori e fornitori di soluzioni, che ne promuovono l'implementazione.

La differenza tra LoRa e LoRaWAN

In parole povere, LoRa si riferisce esclusivamente alla tecnica di modulazione fisica o allo schema di codifica del segnale che consente la comunicazione a lungo raggio. Utilizza il concetto di modulazione a spettro diffuso chirp e correzione degli errori in avanti per raggiungere una copertura di oltre 10 km in ambienti rurali e di 3 km in città.

Il protocollo LoRaWAN si basa sulla modulazione LoRa per gestire la comunicazione dati, abilitare gli scambi bidirezionali e implementare funzioni di sicurezza di rete. Ciò include funzionalità come l'ottimizzazione della velocità di trasmissione dati, schemi di indirizzamento, l'implementazione della crittografia AES-128 e la gestione degli scambi di dati tra dispositivi e gateway.

LoRa è quindi lo schema di modulazione del livello fisico che consente la segnalazione a lungo raggio, mentre LoRaWAN definisce il protocollo e gli standard di comunicazione. Si pensi a LoRa come all'autostrada che consente ai veicoli di percorrere lunghe distanze velocemente, mentre LoRaWAN è la segnaletica stradale e i controlli che ne regolano il transito ordinato e sicuro.

Come funziona la tecnologia LoRaWAN

L'architettura LoRaWAN comprende dispositivi finali/nodi con sensori, gateway, server di rete e server applicativi.

Gli endpoint si collegano tramite collegamenti LoRa con gateway installati all'esterno, come su edifici, torri, ecc. I gateway interfacciano la connettività backhaul come Wi-Fi, Ethernet o cellulare. Possono coprire chilometri di distanza con velocità di trasmissione dati variabili tra 0.3 kbps e 50 kbps.

I gateway inoltrano i messaggi provenienti da potenzialmente milioni di dispositivi a un server di rete centrale. Gestiscono funzioni essenziali come sicurezza, indirizzamento, profili dei dispositivi, regole, adattamento della velocità di trasmissione dati, ecc. Inoltre, deduplicano i messaggi e controllano la consegna confermata tra applicazioni e dispositivi.

Il server di rete trasferisce i dati tramite connessioni IP a un server applicativo. È qui che risiedono l'applicazione IoT e la logica aziendale, per decodificare i dati dei sensori e collegarli a dashboard, analisi, servizi cloud, ecc.

Classi di dispositivi LoRaWAN A, B e C

LoRaWAN comprende tre diverse tipologie di dispositivi finali per soddisfare le diverse esigenze che si presentano in un'ampia gamma di applicazioni:

Classe A: dispositivo terminale bidirezionale e a potenza più bassa

Questa è la classe predefinita che consente agli endpoint di trasmettere l'uplink in qualsiasi momento, seguito da due brevi finestre di ricezione in downlink. Poiché la comunicazione in uplink è asincrona e il downlink segue le tempistiche di uplink, i dispositivi possono andare in modalità sleep, massimizzando la durata della batteria. I messaggi in downlink vengono memorizzati nel buffer del server.

Classe B: un dispositivo terminale bidirezionale con ritardo di downlink deterministico

I dispositivi di Classe B aprono finestre di ricezione aggiuntive a intervalli programmati, sincronizzati con la rete. Ciò consente una minore latenza in downlink, a fronte di un maggiore consumo energetico. Il ritardo deterministico è programmabile su 128 secondi, rendendolo adatto al funzionamento a batteria.

Classe C: Ritardo minimo, apparecchiatura terminale bidirezionale

Basandosi sulla Classe A, la Classe C mantiene il ricevitore costantemente aperto, a meno che non sia in trasmissione. Questo consente al server di effettuare il downlink in qualsiasi momento con un ritardo prossimo allo zero. Tuttavia, l'ascolto continuo può consumare oltre 50 mW, quindi la Classe C è adatta ad applicazioni alimentate dalla rete elettrica. È possibile la commutazione temporanea.

Confronto tra LoRaWAN e altre tecnologie LPWAN

LWAN Lo spazio, una parte in rapida crescita del mercato della connettività IoT, include SigFox, LoRaWAN, NB-IoT, LTE-M, Link Labs e Weightless. Anche altri protocolli come LTE-CAT M, IEEE P802.11AH e Dash7 svolgono un ruolo fondamentale nell'ecosistema LPWAN. In questa sezione, approfondiremo principalmente le tecnologie menzionate in precedenza.

• LoRaWAN

LoRaWAN, gestito dalla LoRa Alliance, è caratterizzato da un livello di rete a standard aperto con il supporto di una vasta alleanza industriale. Operando sul chip LoRa, eccelle nelle applicazioni di solo uplink grazie all'efficiente distribuzione dei pacchetti codificati, riducendo collisioni e interferenze. Pur essendo uno standard aperto, la dipendenza di LoRaWAN dai chip di Semtech per l'implementazione full stack aggiunge un ulteriore livello di esclusività.

• Sigfox

SigFox, azienda francese fondata nel 2009, si distingue per l'ampia portata ottenuta grazie a basse velocità di modulazione. Essendo una tecnologia proprietaria, SigFox è un'ottima scelta per applicazioni che richiedono burst di dati poco frequenti e di piccole dimensioni, come i cestini dei rifiuti intelligenti e i sensori di parcheggio. Tuttavia, le limitazioni nella capacità di downlink e la suscettibilità alle interferenze del segnale rappresentano delle sfide per alcuni casi d'uso.

• NB-IoT e LTE-M

NB-IoT e LTE-M stanno emergendo nel settore LPWAN, sfruttando la connettività LTE standard. NB-IoT eccelle in termini di efficienza energetica e convenienza, rendendolo ideale per applicazioni smart city, mentre LTE-M offre una velocità di trasmissione dati più elevata. La scelta tra le due dipende dalle specifiche applicazioni: NB-IoT è ideale per i contatori intelligenti, mentre LTE-M potrebbe essere più vantaggioso per droni o veicoli.

• Collega i laboratori

Link Labs utilizza il chip LoRa, ma introduce un livello MAC privato chiamato Symphony Link. Symphony Link aggiunge alcune importanti funzionalità di connettività su LoRaWAN, tra cui aggiornamenti firmware wireless garantiti, ricezione di messaggi, funzionalità di ripetitore e rimozione dei limiti di portata dinamica e ciclo di lavoro.

• Senza peso

La missione di Weightless SIG è standardizzare la tecnologia LPWAN. Essendo l'unico standard veramente aperto, Weightless opera su uno spettro senza licenza a meno di 1 GHz. 3 versioni di Weightless possono essere utilizzate per scopi diversi:

Weightless-w: sfrutta gli spazi vuoti (spettro locale inutilizzato nella banda televisiva concessa in licenza)

Weightless-n: un protocollo a banda stretta senza licenza derivato dalla tecnologia NWave

Weightless-p: protocollo bidirezionale derivato dalla tecnologia Platanus di M2COMM

Weightless N e P sono le scelte più popolari perché la durata della batteria di Weightless W è più breve.

Vantaggi della tecnologia LoRaWAN

Ecco alcuni dei vantaggi più importanti offerti dalla tecnologia LoRaWAN:

• Potenza ultrabassa:I dispositivi LoRaWAN possono funzionare in modalità a basso consumo e la loro batteria può durare diversi anni.
• Gamma eccezionale: Copertura a lungo raggio fino a 10 miglia nelle aree rurali e 1-3 miglia negli ambienti urbani
• Penetrazione profonda indoor:Le reti LoRaWAN possono offrire una copertura profonda negli ambienti interni e coprire facilmente edifici a più piani.
• Licenza Spectrum gratuita:La tecnologia LoRaWAN opera su frequenze libere (senza licenza), senza costi aggiuntivi di licenza dello spettro.
• Alta capacità: Capacità di rete per supportare oltre un milione di dispositivi per copertura gateway.
• Distribuzione pubblica e privata: È facile implementare reti LoRaWAN sia private che pubbliche utilizzando lo stesso software e hardware (dispositivi finali, gateway, antenne).
• Sicurezza end-to-end: Potente crittografia AES a 128 bit end-to-end per una sicurezza affidabile.
• Basso costo: Costi molto bassi per i dispositivi e il funzionamento, rendendolo ideale per distribuzioni di dispositivi su larga scala
• Ecosistema:LoRaWAN ha un ecosistema molto ampio di produttori di dispositivi, sviluppatori di applicazioni, fornitori di servizi di rete e venditori di soluzioni.

Casi d'uso della tecnologia LoRaWAN

Ecco alcune categorie di casi d'uso promettenti, perfette per LoRaWAN:

Città intelligenti e servizi di pubblica utilità

Le città possono collegare in modo efficiente infrastrutture civiche come contatori, cestini dei rifiuti, lampioni e sistemi di monitoraggio dell'inquinamento. Anche il tracciamento di veicoli e autobus è una soluzione praticabile, consentendo una mobilità intelligente. Per le aziende di servizi pubblici, la misurazione intelligente su larga scala è altamente fattibile, estendendosi a contatori di gas, elettricità e acqua.

Catena di fornitura e logistica

Le aziende di logistica possono tracciare la posizione, le condizioni e la movimentazione di container e pallet in diversi depositi e durante il trasporto. La catena del freddo può garantire l'integrità delle merci deperibili. Le operazioni portuali possono tracciare gru, veicoli, merci, ecc.

Agricoltura e allevamento intelligenti

I sensori LoRaWAN possono proliferare in aziende agricole, frutteti e vigneti, monitorando l'umidità del suolo, l'ambiente delle colture e le condizioni di conservazione durante tutto l'anno tramite sensori a batteria. Stanno emergendo anche dispositivi indossabili per la salute e la localizzazione degli animali.

Gestione e monitoraggio delle risorse

Risorse preziose come attrezzature e dispositivi possono essere monitorate in diverse sedi per parametri quali temperatura, urti, movimento, ecc., migliorando la sicurezza, l'utilizzo e la durata. Pallet e scatole con tag LoRaWAN semplificano i magazzini.

Monitoraggio IoT industriale e dei sensori

Le fabbriche possono installare sensori affidabili e a lungo raggio per monitorare risorse, parametri di sicurezza e indicatori di qualità dei prodotti in tutti i reparti, senza fili o cambi di batteria. È possibile misurare anche in siti remoti come condutture, impianti di perforazione, ecc.

Assistenza sanitaria e medica intelligenti

Gli ospedali possono connettere in modo efficiente dispositivi medici e risorse come le sedie a rotelle utilizzando LoRaWAN per un migliore monitoraggio e utilizzo. I braccialetti indossabili dai pazienti durante il ricovero migliorano i flussi di lavoro monitorando i movimenti. Anche le residenze assistite traggono vantaggio dalle funzionalità di localizzazione e rilevamento delle cadute, migliorando la sicurezza.

Sensori MOKOSmart LoRaWAN per la tua applicazione

MOKOSmart offre una varietà di sensori abilitati per LoRaWAN, perfetti per numerose applicazioni IoT a lungo raggio e a basso consumo. Tra i sensori LoRaWAN MOKOSmart che potrebbero rivelarsi utili figurano:

Sensore di movimento PIR LoRaWAN: Rileva il movimento e può essere utilizzato per il monitoraggio della presenza, avvisi di intrusione, attivazione di automazioni e altro ancora.

Localizzatore GPS LoRaWAN: Traccia la posizione in tempo reale dei beni e può anche monitorarne la temperatura e gli spostamenti. Utile per la gestione della flotta, il monitoraggio dei beni e la prevenzione dei furti.

Sensore di temperatura e umidità LoRaWAN: Monitora la temperatura e i livelli di umidità ambiente. Ideale per la logistica della catena del freddo, il monitoraggio di impianti HVAC, il monitoraggio delle unità di stoccaggio e l'analisi ambientale.

Pulsante antipanico LoRaWAN: Un pulsante di allerta di emergenza che, se premuto, può avvisare il personale della presenza di problemi o attivare sistemi di risposta alle emergenze.

Sensore di parcheggio LoRaWAN: Rileva la presenza di un veicolo in un parcheggio. Abilita applicazioni e analisi di parcheggio intelligenti.

Distintivo intelligente LoRaWAN: Traccia la posizione del personale in tempo reale e può anche fungere da pulsante antipanico per l'invio di avvisi. Ideale per la gestione della forza lavoro, il controllo degli accessi e le applicazioni di sicurezza.

Come iniziare con la tecnologia LoRaWAN

Per distribuire Soluzioni LoRaWAN dalla prova di concetto all'implementazione su larga scala, i passaggi principali in genere prevedono:

• Verifica se LoRaWAN soddisfa i requisiti di affidabilità, portata e durata della batteria
• Comprendere le opzioni di copertura tramite reti pubbliche, reti comunitarie o distribuzioni private
• Seleziona hardware come moduli LoRa e sensori LoRaWAN
• Verificare la disponibilità del fornitore di servizi di rete locale o distribuire i propri gateway
• Collegare l'hardware del dispositivo finale tramite gateway a un server di rete LoRaWAN
• Sviluppare l'applicazione del dispositivo e l'integrazione dell'app IoT con i servizi cloud
• Copertura dei test e prestazioni dei sensori nelle condizioni di distribuzione previste

Con la rapida espansione della copertura LoRaWAN e delle opzioni dei dispositivi, questo è il momento ideale per esplorare i tuoi innovativi casi d'uso LoRaWAN.