Se você estiver trabalhando com dispositivos em rede, você pode ter ouvido falar de casos de uso LoRaWAN em um momento ou outro. É um protocolo de rede de longo alcance. Ele permite a conexão de coisas com a Internet mesmo em intervalos mais longos com baixo consumo de energia. Isso resolve um dos grandes problemas que os aplicativos da Internet das Coisas enfrentaram até agora. Com bateria de até cinco anos e baixo custo de manutenção para a rede de sensores, o LoRaWAN pode ser usado para uma ampla variedade de novas aplicações.
Isso fornece uma breve visão geral do que as soluções LoRaWAN podem fazer. Neste artigo, nós olhamos para a arquitetura, características principais da tecnologia central, e os casos de uso mais recentes do LoRaWAN em que ele é usado.
O que é a tecnologia LoRaWAN?
O melhor dessa tecnologia é que ela se baseia em um padrão aberto. Ele usa um espectro não licenciado como parte da banda de frequência ISM (“Industrial, Científico, e médico”, alemão: Indústria, Ciência e medicina). Na Europa, o LoRaWAN usa o 868 Faixa de frequência de MHz, enquanto nos EUA a 915 Banda de frequência de MHz é liberada. Usando o espectro não licenciado, é muito fácil configurar e usar sua própria rede. Muitas operadoras de telecomunicações já estão se beneficiando dos casos de uso LoRaWAN ou oferecendo a tecnologia como parte de sua oferta de serviços em vários países do mundo. Comcast, KPN, laranja, SK Telecom e muitos outros provedores estão implementando ativamente lançamentos em grande escala em seus mercados. Isso torna LoRaWAN ainda mais interessante como tecnologia, pois é compatível com as redes de diferentes operadoras – Grande e pequeno.
O padrão LoRaWAN é monitorado pela LoRa Alliance, que por sua vez consiste em mais de 500 membros que apóiam o protocolo e alinham muitos de seus componentes, produtos, e serviços com LoRaWAN. Isso inclui empresas como MOKOSMART, BRAÇO, Cisco, Microchip, e ST.
O que distingue LoRa de LoRaWAN?
Vamos começar com a definição de LoRa – o que é exatamente e como é diferente de LoRaWAN? LoRa é uma tecnologia sem fio semelhante a tecnologias mais comuns, como Wi-Fi ou WLAN, Bluetooth, LTE, e Zigbee. Contudo, a tecnologia muitas vezes não cobre todos os requisitos, o que significa que os usuários têm que aceitar compromissos. LoRa atende a demanda por baixo custo, dispositivos operados por bateria que podem transmitir dados em longo alcance. Contudo, LoRa não é a solução certa para a transmissão de dados em grandes larguras de banda. LoRa é uma tecnologia que converte dados a serem transmitidos em ondas eletromagnéticas. Esta técnica também é conhecida como espectro de propagação chirped， tem sido usado em comunicações militares e espaciais por décadas. É devido ao longo alcance de comunicação e a baixa suscetibilidade a interferências.
LoRaWAN, por outro lado, é o protocolo MAC para a rede de nós LoRa de alto desempenho com base na Internet das Coisas, que cobrem longas distâncias e têm baixos requisitos de energia. Ele usa as vantagens do LoRa descritas acima e otimiza a vida útil da bateria e a qualidade do serviço para os nós LoRa. O protocolo é completamente bidirecional, que garante uma transmissão confiável de mensagens (confirmação). A criptografia ponta a ponta é fornecida para fins de segurança e proteção de dados, registro over-the-air de notas finais e funções multicast. O padrão também garante compatibilidade com redes LoRaWAN em todo o mundo.
Arquitetura LoRaWAN
A arquitetura LoRaWAN consiste principalmente em quatro elementos:
• Nós finais
• Porta de entrada (estações base / roteador)
• Servidor de rede
• Servidor de aplicação
Nós finais
Nós finais são dispositivos físicos de hardware equipados com funções de sensor, uma certa quantidade de potência de computação e um módulo de rádio para traduzir os dados em um sinal de rádio. Esses dispositivos finais podem transmitir dados para o gateway e também recebê-los. Mesmo com uma bateria pequena, eles podem durar vários anos se forem colocados em modo de hibernação para otimizar o consumo de energia.
Quando um dispositivo envia uma mensagem para o gateway, isso é conhecido como um “uplink”. A resposta que o terminal recebe do gateway é chamada “downlink”. Nesta base, uma distinção é feita entre três tipos de dispositivos finais:
• Classe A
• Classe B
• Classe C
Dispositivos de classe A têm o menor consumo de energia em comparação com as outras duas classes. Contudo, estes só podem receber um downlink se enviarem um uplink. Os dispositivos da Classe A são adequados para a transmissão de dados em intervalos baseados no tempo (por exemplo. todo 15 minutos) ou para dispositivos que enviam dados com base em eventos (por exemplo. se a temperatura subir acima 21 graus ou quedas abaixo 19 graus).
Os nós finais da classe B permitem mais slots de mensagem para downlinks do que a classe A. Isso reduz a latência da mensagem, mas também é menos eficiente em termos de energia.
Finalmente, a classe C tem uma janela de recebimento em andamento que só é fechada quando o dispositivo envia uma mensagem de uplink. Portanto, esta é a variante de menor eficiência energética, que muitas vezes requer uma fonte de corrente constante para operar.
Entradas
Gateways também são conhecidos como modems ou pontos de acesso. Um gateway também é um dispositivo de hardware que recebe todas as mensagens LoRaWAN de dispositivos finais. Essas mensagens são então convertidas em uma série de bits que podem ser transmitidos por redes IP convencionais. O gateway está ligado ao servidor de rede que transmite todas as mensagens.
Os gateways são transparentes e têm capacidade de computação limitada. Tarefas mais complexas são realizadas no servidor de rede. Dependendo do uso e tipo, os gateways estão disponíveis em duas versões:
Gateways para uso interno, por exemplo. MKGW2-LW, MOKOSMART.
Servidor de Rede
Todas as mensagens dos gateways são encaminhadas para o servidor de rede. É aqui que ocorrem os processos de processamento de dados mais complicados. O servidor de rede é responsável por:
1. Encaminhando / encaminhando mensagens para o aplicativo certo;
2. A seleção do melhor gateway para mensagens de downlink. Essa decisão geralmente é feita com base em um indicador de qualidade do link, que por sua vez é calculado através do RSSI (Indicação de intensidade do sinal recebido) e o SNR (A relação sinal-ruído) de pacotes que foram recebidos anteriormente;
3. Remover mensagens duplicadas quando recebidas por vários gateways;
4. Descriptografar mensagens enviadas de nós finais e criptografar mensagens enviadas de volta para os nós;
5. Os gateways geralmente se conectam ao servidor de rede em um protocolo de Internet criptografado (IP) link. A rede geralmente inclui o comissionamento do gateway e uma interface de monitoramento que permite ao provedor de rede gerenciar os gateways, remediar falhas, monitorar alarmes, etc. …
Servidor de aplicação
O servidor de aplicativos é onde o aplicativo IoT está localizado – isso é particularmente útil para dados capturados usando dispositivos finais. Na maioria dos casos, servidores de aplicativos executados por meio de uma nuvem privada ou pública, que está conectado ao servidor de rede LoRaWAN e lida com o processamento específico do aplicativo. A interface com o servidor de aplicativos é controlada pelo servidor de rede.
Funções LoRaWAN
- Comunicação bidirecional
Um terminal pode transmitir dados para o gateway e também recebê-los de acordo com as configurações. Essas configurações também podem ser acessadas no aplicativo.
- Localização
Uma função interessante do LoRaWAN é a localização sem a necessidade de GPS. Isso é particularmente útil para sistemas de rastreamento e sensores, uma vez que é eficiente em bateria e pode ser mantido de forma mais barata do que os métodos convencionais.
- Escalabilidade
LoRaWAN foi projetado para grandes implantações de IoT nas quais milhares de dispositivos estão em rede com um número gerenciável de gateways. Esses gateways podem monitorar vários canais e processar várias mensagens ao mesmo tempo.
Outra propriedade importante do LoRaWAN é a velocidade com a qual os dados podem ser transmitidos. Existem diferentes taxas de dados que podem ser usadas para a transmissão. Estes também são chamados de fatores de propagação (SF). Uma transmissão mais lenta permite um alcance mais longo e confiável.
Por exemplo, imagine que você está falando com alguém que é muito próximo de você. Você pode falar muito rapidamente nesta situação e sua contraparte entende tudo o que você diz. Quando você fala com alguém que está longe de você, você tem que falar muito mais devagar para ser compreendido. Este princípio também se aplica ao protocolo LoRaWAN.
- Taxa de dados adaptável
Com LoRaWAN, a rede também pode otimizar automaticamente a velocidade com que o dispositivo transmite seus dados. Esta função é chamada de taxa de dados adaptativa (ou ADR) e é particularmente importante para aumentar a capacidade de uma rede LoRaWAN. ADR nos permite escalar facilmente a rede, adicionando outro gateway. Por causa deste portal, muitos dispositivos finais agora ajustam automaticamente seu fator de espalhamento. Como um resultado, os dispositivos individuais são mais curtos “no ar”, o que significa mais capacidade para a rede.
A taxa de dados adaptativa (abreviação: ADR) é um mecanismo simples que ajusta a taxa de dados de acordo com as seguintes regras:
Se a força do sinal de rádio (também chamado “link orçamento”) é alto, a taxa de dados pode ser aumentada;
Se o orçamento do link for baixo, a taxa de dados pode ser reduzida.
- Segurança
É importante para cada LPWAN usar uma solução de segurança abrangente. LoRaWAN usa dois níveis de segurança: um para a rede e outro para o aplicativo. A segurança da rede garante a autenticidade do dispositivo final na rede, enquanto o nível do aplicativo garante que a operadora de rede não tenha acesso aos dados do aplicativo dos usuários finais. A criptografia AES é usada para troca de chaves.
O nível da rede é responsável por identificar o nó. Ele verifica se uma mensagem realmente vem de um dispositivo específico e também é considerado uma verificação de integridade. Ele também pode criptografar comandos MAC.
O nível do aplicativo é usado para descriptografar e criptografar cargas úteis.
Ambas as chaves são criptografadas com 128 bit AES no modo ECB.
Cenários para casos de uso LoRaWAN
LoRaWAN encontrou seu lugar no mercado em termos de aplicações e áreas de aplicação. Graças às suas propriedades únicas, LoRaWAN é mais adequado para cenários como esses:
1. Acesso a eletricidade (eletricidade) é limitado ou restrito;
2. Os locais são fisicamente difíceis de acessar ou muito remotos;
3. O número de dispositivos finais é significativamente maior em comparação com as conexões convencionais de telefonia móvel;
4. Os dispositivos finais não precisam enviar mensagens continuamente.
Quantos casos de uso LoRaWAN existem
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Acompanhamento de bens
Muitas indústrias precisam rastrear a localização e a condição de equipamentos valiosos para melhorar o planejamento e as operações. Os sensores LoRaWAN medem a velocidade dos ativos, carregar, temperatura e umidade, posição, vibração e outros dados e combinar dados históricos e em tempo real para recomendar a manutenção antes que ocorram problemas. Com acesso a dados de desempenho de ativos, você pode otimizar seu cronograma de produção enquanto também é notificado quando um ativo é roubado ou excede seu escopo pretendido.
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Monitoramento do preventor de refluxo
Todos os clientes de água industrial exigem preventores de refluxo nas entradas de serviço de água, que evitam a contaminação, permitindo que a água flua em uma direção e não na outra. Ser capaz de detectar a presença de refluxo com um monitor de linha baseado em LoRaWAN e enviar imediatamente um alerta por SMS ou e-mail para os gerentes das instalações é importante para a saúde e a segurança dos trabalhadores e dos sistemas de fabricação.
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Monitoramento da cadeia de frio
LoRaWAN é ideal para aplicações de cadeia de frio nos setores de alimentos frescos e saúde. Usando a solução de cadeia fria LoRaWAN, você pode rastrear o status de temperatura e umidade de um produto e relatar o status de temperatura e umidade ao sistema se o status do produto for anormal, evitando que o produto perca recursos ou mesmo quebre.
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Monitoramento de temperatura e umidade do solo
Para agricultura e paisagismo, irrigação adequada é a chave para melhorar as culturas. Solos em diferentes regiões requerem diferentes quantidades de água, e o detector de temperatura e umidade LoRaWAN pode ser usado para tomar decisões mais informadas com base na temperatura e umidade do solo medidas, aumentar a produção e reduzir o desperdício de água.
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Detecção de vazamento
Quando os recursos da Terra, como água, gás ou produtos químicos, estão em falta, a chave para resolver este dilema é evitar o vazamento de recursos tanto quanto possível. A água dentro e fora das instalações industriais será monitorada pela detecção de vazamento de água LoRaWAN e sensores de imersão em água. O sistema alertará o gerente da instalação para uma resposta e resolução rápidas quando ocorrer uma falha ou uma anomalia for detectada.
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Logística e transporte
A tecnologia LoRaWAN permite que as organizações de cadeia de suprimentos e logística rastreiem ativos que precisam ser transportados por longas distâncias em tempo real. Veículos e cargas podem ser facilmente monitorados em tempo real em grandes áreas geográficas e ambientes agressivos devido às características de longa distância e baixo consumo de energia da tecnologia, bem como geolocalização sem GPS. Um sistema de rastreamento de frota conectado à rede LoRaWAN pode manter as frotas em campo por mais tempo, reduzindo assim os custos, melhorando a segurança, fornecendo visibilidade sobre problemas de manutenção, e melhorando a eficiência operacional em toda a linha.
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Monitoramento de estacionamento
Está provado que encontrar vagas de estacionamento disponíveis aumenta as emissões de carbono e o congestionamento do tráfego. Ao implantar sensores LoRaWAN em vagas de estacionamento, contagens precisas de veículos e detecção nas entradas e saídas do estacionamento podem ser fornecidas. Os fluxos de receita municipal e comercial serão aumentados pela captura de dados de estacionamento em tempo real, melhorando a utilização geral do espaço de estacionamento.
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Manejo de pragas
É necessário proteger as instalações e as pessoas da contaminação, dano, e roedores. Contudo, a inspeção manual é demorada e consome quantidades de recursos materiais e mão de obra. A solução de gerenciamento de pragas conectada da LoRaWAN melhora a visibilidade e permite o monitoramento em tempo real de qualquer lugar. À prova d'água, armadilhas robustas fornecem uma opção segura para rodenticidas. Aplicativo móvel simples e emparelhamento da Web, alertas em tempo real quando o serviço é necessário, melhorar a eficiência e reduzir os custos para programas de controle de roedores internos e externos.
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Monitoramento ambiental
Muitas cidades costeiras sofrem inundações prolongadas durante marés moderadas a altas e tendem a deixar vias públicas e estradas próximas em águas intransitáveis. Esses problemas podem ser resolvidos monitorando a qualidade do ar, precipitação e outros fatores ambientais. Unidades de energia solar à prova de intempéries montadas em cima de pontes e postes de luz medem remotamente os níveis de água em terra ou acima de corpos d'água usando a tecnologia LoRaWAN e sensores ultrassônicos. Esses sistemas de monitoramento ambiental em tempo real medem os níveis climáticos extra-locais e a qualidade do ar para prever inundações e informar os cidadãos sobre condições perigosas.
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Segurança Pública
Soluções integradas de segurança e proteção são exigidas por quase todos os setores. As soluções de segurança pública da IoT fornecem aos socorristas tecnologias inovadoras que ajudam a reduzir riscos e melhorar a segurança pessoal. A tecnologia LoRaWAN está sendo integrada a wearables pessoais, como etiquetas de identificação e equipada com um botão de emergência para enviar SOS instantâneo e informações de localização do usuário. Essas soluções, implantado em campi corporativos e universitários, são projetados para abordar o intervalo de ataque de 1 segundo e 7 segundos 911 intervalo de chamadas para soluções baseadas em celular.
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Utilização do espaço
Os funcionários estão cada vez mais móveis e mudando rapidamente para um “a qualquer momento, qualquer lugar” filosofia de trabalho. Como um resultado, o espaço do escritório pode estar ocioso ou lotado, dependendo dos fluxos imprevisíveis de funcionários e visitantes. Aproveitar o espaço tornou-se um desafio logístico para as empresas. Os dados de ocupação obtidos dos sensores LoRaWAN eliminam as suposições e fornecem às equipes inteligência acionável para aprimorar as práticas no local de trabalho, e aumentar a produtividade dos funcionários.
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Monitoramento de purga de vapor
O vapor é amplamente utilizado em várias indústrias. Processos de aquecimento a vapor em fábricas acionam turbinas em usinas de energia. Um purgador de vapor filtra gases não condensados e vapor condensado sem deixar o vapor escapar. Purgadores de vapor falham em média 10 para 30 por cento por ano, resultando em ineficiência dispendiosa e dispendiosa. O teste do purgador de vapor é um processo trabalhoso que geralmente é feito manualmente uma vez por ano. O sistema de monitoramento LoRaWAN Trap permite que as empresas consultem frequentemente sua contagem de traps para detectar falhas. Os dados são transmitidos com segurança para o sistema de gestão de edifícios online, fornecendo relatórios de painel mostrando se há armadilhas que precisam ser reparadas.
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Monitoramento de tanques
Um sistema confiável para monitorar os níveis de combustível é essencial. As empresas de entrega de combustível são parceiros-chave nas operações inteligentes da cadeia de suprimentos industrial, onde o esgotamento do combustível pode ser prejudicial. Sem os meios para medir os níveis de combustível remotamente, entregas de caminhão são muitas vezes ineficientes, aumentando os custos operacionais e complicando a entrega do serviço ao cliente. O nível do tanque e outros dados valiosos podem ser enviados pela rede para a solução de monitoramento do tanque usada pela empresa fornecedora. Além disso, operações industriais podem prever com precisão o uso de combustível. Nesse caminho, rolos de caminhão e sua pegada de carbono pode ser reduzida.
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Monitoramento de temperatura
Manter a temperatura certa para ativos valiosos é importante para a saúde, serviço de alimentação, e outras indústrias. Mudanças de temperatura podem levar à perda catastrófica do produto. Além dos danos aos recursos, esses incidentes também podem causar, reputação, imagem pública e outros prejuízos para as empresas. Com sensores de baixa potência, o monitoramento remoto de temperatura e umidade LoRaWAN fornece às empresas a capacidade de fazer leituras e registros históricos para auditorias de conformidade. Medidas de segurança e proteção econômica são fornecidas por várias configurações de limite.
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Gestão de recursos hídricos
Edifícios comerciais, plantas de processamento de alimentos e bebidas, hotéis, supermercados, e lavagens de carros produzem desperdício de água devido a derramamentos, vazamentos, e danos ao equipamento. Notificação e resposta instantâneas são essenciais para reduzir os riscos de conformidade e reduzir custos. Ao implantar sistemas de medição LoRaWAN para substituir processos de trabalho intensivos desatualizados, a solução de gestão de água, consistindo de sensores LoRaWAN, fornece aos municípios uma pegada hídrica total detalhada. Soluções inteligentes de medidores de água permitem acesso remoto a dados de uso e contas de cobrança, melhorando a eficiência operacional e gerando receita de serviço adicional.
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Monitoramento de lixeira
O sistema detectou e monitorou automaticamente os locais, níveis de enchimento da caixa, e frequências de extração, permitindo que os operadores de frota gerenciem o status das ordens de serviço em tempo real, e reduzir os custos trabalhistas. As soluções de monitoramento de resíduos baseadas em LoRaWAN reduzem as despesas e o tempo de coleta. Alertas de notificação automática fornecem planejamento de rota inteligente para provedores de serviços de coleta quando as caixas atingem um limite predefinido e eliminam acesso desnecessário e caixas de estouro para usuários finais.
Benefícios da aplicação de casos de uso LoRaWAN
- Consumo de energia ultrabaixo, a duração da bateria pode chegar a dez anos ou mais
- Em muitos casos de uso LoRaWAN, dados e/ou transferências de dados não são constantes, portanto, a baixa largura de banda o torna ideal para implantações práticas de IoT
- As conexões são de baixo custo, fácil de configurar e rápido de implantar devido à sua estrutura simples
- Uma camada de criptografia AES permite que as pessoas usem o LoRaWAN com segurança sem se preocupar com os riscos de segurança da rede
- Aliança de tecnologia aberta, um padrão aberto e livre
- A comunicação remota e alcance de cobertura do LoRaWAN é uma das grandes diferenças entre eles e outras tecnologias.
- Milhares de endpoints podem ser conectados por um gateway LoRa, devido à sua natureza de alta capacidade
O que os casos de uso LoRaWAN MOKOSmart fornecem
A MOKOSmart se concentra em fornecer Soluções LoRaWAN com mais de dez anos de experiência. Nossos casos de uso LoRaWAN incluem principalmente os seguintes. Claro, há mais soluções, você pode entrar em contato conosco para mais informações.
- Localização do Bluetooth
- Soluções de rastreamento de ativos
- Soluções de GPS interno
- IoT vestível para todas as indústrias
- Medidor Inteligente de IoT
- Soluções de cadeia de frio
