Полное руководство по датчикам LoRa для подключения к Интернету вещей

Промышленный Интернет вещей долгое время испытывал трудности с поиском подходящей беспроводной технологии. Она должна обеспечивать широкое покрытие без сложной кабельной разводки или частой замены батарей. Wi-Fi не справляется с обеспечением достаточного радиуса действия. Сотовая связь слишком энергоемка и дорога. Именно здесь на помощь приходит LoRa. Обеспечивая передачу на большие расстояния и устойчивость к радиочастотным помехам, она требует минимального энергопотребления и часто не требует обязательной проводки. Датчики LoRa — это оборудование, которое воплощает эти преимущества в реальном мире. В этом руководстве подробно рассматривается, как LoRa и датчики LoRa работают вместе, что на самом деле делает датчик LoRa и каковы реальные преимущества для ваших IoT-проектов.

Что Являются ли ЛоРа Sэнсорс?

Датчики LoRa — это беспроводные датчики, использующие технологию связи LoRa для передачи данных на шлюзы и в приложения. Эти датчики потребляют очень мало энергии и могут работать в течение нескольких лет, прежде чем потребуется их замена. К распространенным параметрам измерения относятся температура, влажность, качество воздуха, расход воды, влажность почвы, вибрация и многое другое.

Датчики содержат микроконтроллер для снятия показаний, радиомодуль LoRa для беспроводной связи и источник питания от батареи. Данные с датчиков периодически передаются по сети LoRa в центральные приложения и аналитические платформы. К числу распространенных датчиков и функциональных компонентов, интегрированных в датчики LoRa, относятся:

• Датчик температуры и влажности DHT11
• Ультразвуковой датчик обнаружения объектов
• Фоточувствительный датчик внешней освещенности
• Датчик пламени – обнаружение пожара
• Реле – управление питанием устройств
• Звуковые сигналы – звуковые сигналы тревоги или предупреждения.
• Светодиоды – визуальные индикаторы
• GPS-модули – определение местоположения

Эти датчики можно подключить к плате микроконтроллера с поддержкой LoRa, например, для сбора и передачи данных с датчиков.

Как датчики LoRa передают и принимают данные ЛоРаВАН®?

Для понимания передачи данных полезно сначала различить LoRa и LoRaWAN®. LoRa — это физический радиоуровень, который обрабатывает беспроводную передачу. LoRaWAN® — это сетевой протокол, построенный на основе LoRa, который регулирует процесс подключения устройств, шифрования данных и взаимодействия со шлюзами. Он поддерживается альянсом LoRa Alliance.

Типичная сеть LoRaWAN® состоит из датчиков, шлюзов и центрального сервера. Вот как именно данные передаются от датчика на ваш экран:

1. Сбор данных и передача: Для экономии заряда батареи датчик LoRaWAN® большую часть своего рабочего цикла находится в спящем режиме. После пробуждения он собирает данные и отправляет небольшой пакет данных. Скорость передачи данных регулируется с помощью «коэффициента расширения» (от SF7 до SF12) — скорость изменяется в пользу повышения чувствительности на больших расстояниях.

2. Приём данных шлюзом: Передаваемые данные одновременно принимаются несколькими расположенными поблизости шлюзами. Такая избыточность гарантирует, что даже если один из шлюзов выйдет из строя или будет заблокирован, сигнал всё равно пройдёт.

3. Обработка на сервере: Шлюзы пересылают пакеты данных на центральный сетевой сервер. Сервер отфильтровывает дубликаты пакетов, выполняет проверки безопасности и направляет очищенные данные в ваше приложение (например, на панель управления или в систему оповещений).

4. Низовая связь (опционально): Сервер также может отправлять команды обратно на датчик (например, для изменения интервала передачи данных).

Почему это так надежно: Протокол LoRaWAN® использует кодирование с прямой коррекцией ошибок (FEC). В сочетании с высоким бюджетом беспроводного канала это повышает устойчивость к помехам и расширяет радиус действия сети, что подходит для различных промышленных условий.

Как настроить ЛоРаВАН® Сеть?

Устройства в сети LoRaWAN® состоят из узлов LoRaWAN® (сенсорных устройств), шлюзов LoRaWAN®, которые передают сообщения, и централизованного сетевого сервера LoRaWAN®. Для использования датчика LoRaWAN® необходима комплексная настройка сети LoRaWAN®. Давайте рассмотрим ключевые компоненты подробнее:

Узел LoRaWAN® : Встроенные датчики с беспроводным подключением и протоколом LoRaWAN®. Он собирает данные с датчиков и передает их на шлюз LoRaWAN®.

Шлюз LoRaWAN® : выступает в качестве центрального звена для формирования сети LoRa. Он принимает данные от узлов LoRaWAN® по беспроводной сети LoRaWAN® и пересылает их на облачный сервер по IP-сети, такой как Wi-Fi, Ethernet или сотовая связь. Шлюзы также получают команды от облака и отправляют их конечным узлам LoRaWAN®. Как правило, несколько шлюзов принимают одну и ту же передачу от одного и того же узла, обеспечивая резервирование.

Облачный сервер: облачный сервер, который принимает и хранит данные от шлюзов LoRaWAN®. Он обеспечивает доступ к данным с различных платформ, позволяя масштабировать систему и контролировать производительность и дальность действия датчиков LoRaWAN®.

Сетевой сервер направляет данные с устройства на сервер приложений. Затем платформа берет на себя их обработку. В этом случае можно вносить корректировки в производительность, дальность действия или другие параметры датчиков LoRaWAN® в сети LoRaWAN®. Таким образом, мы настраиваем датчики LoRaWAN® в сети LoRaWAN®. Сеть LoRaWAN® может вместить столько датчиков LoRaWAN®, сколько необходимо.

Преимущества использования датчиков LoRa

Технология LoRa, выделяющаяся среди прорывных технологий, — это не видение будущего, а реальность сегодняшнего дня с глобальным охватом. Миллиарды датчиков LoRa и LoRaWAN® уже развернуты по всему миру в различных системах Интернета вещей, и это число неуклонно растет. Используя протокол LoRaWAN®, датчики LoRaWAN® вносят значительный вклад в развитие более интеллектуального мира. Вот некоторые ключевые преимущества датчиков LoRaWAN®:

Дальняя связь

Технология LoRa отличается низким энергопотреблением и возможностью передачи данных на большие расстояния. Она обеспечивает надежное беспроводное соединение, достигающее нескольких километров в большинстве условий на открытом воздухе. Однако фактическое покрытие варьируется в зависимости от таких факторов, как наличие помещений или подземных сооружений, металлических препятствий и расположения антенны. Это критически важно для использования в сельском хозяйстве или для учета воды.

Работа при низкой мощности

Благодаря оптимизации частоты измерений, циклов сна и скорости передачи данных по каналу LoRaWAN®, сенсорные узлы LoRa могут работать до нескольких лет от одной батареи. Низкое энергопотребление имеет решающее значение для удаленного сельского хозяйства, коммунальной инфраструктуры или задач отслеживания. Это также снижает затраты на техническое обслуживание.

Устойчивость к помехам

LoRa использует модуляцию с расширенным спектром с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), что обеспечивает устойчивость к радиошумам и помехам. Схемы прямой коррекции ошибок обеспечивают устойчивость сигнала.

Глобальная экосистема

Спецификация LoRaWAN® и связанная с ней экосистема обеспечивают совместимую структуру, пригодную для использования различными поставщиками государственных и частных сетей. Альянс LoRaWAN®, насчитывающий более 500 членов, обеспечивает глобальную доступность, и сети LoRaWAN® уже развернуты более чем в 100 странах мира. Поскольку LoRaWAN® работает в нелицензированном спектре, он должен соответствовать региональным нормам. Именно поэтому в разных странах используются разные частотные диапазоны — например, EU868 в Европе, US915 в Северной Америке и AS923 в некоторых частях Азии — что позволяет быстро и без проблем развертывать решения LoRaWAN® за пределами национальных границ.

Универсальные приложения

LoRa дополняет такие технологии, как сотовая связь, Wi-Fi и Sigfox, для приложений, чувствительных к стоимости и энергопотреблению. Это способствует их внедрению в умных городах, зданиях, сельском хозяйстве, логистике и промышленности.

Применение датчиков LoRa

Датчики LoRaWAN® открывают широкий спектр возможностей в различных секторах. К числу перспективных областей применения датчиков LoRaWAN® относятся:

Промышленность	Основные ЛоРаВАН®Датчики	Что они отслеживают / решают
Умные города	Парковка, мусорный бак	Осуществляет мониторинг парковочных мест, параметров окружающей среды и состояния конструкций.
Умное здравоохранение	Температура/влажность, бирки активов, носимые тревожные кнопки.	Осуществляет отслеживание медицинского оборудования, контролирует прием лекарств и температуру крови, а также наблюдает за пациентами из группы высокого риска. Система оповещает лиц, осуществляющих уход за больными болезнью Альцгеймера, если они покидают безопасные зоны.
Промышленный мониторинг	Вибрация, давление, мощность	Анализирует состояние оборудования без дорогостоящей кабельной разводки; отслеживает ценные активы.
Умные утилиты	Счетчики воды, газа, электроэнергии	Обеспечивает дистанционное считывание показаний с внутренних/подземных счетчиков, исключая необходимость ручной проверки.
Цепочка поставок и логистика	Датчики температуры, удара/наклона	Отслеживает грузы в пути, выявляет случаи неправильного обращения и подтверждает страховые случаи.
Умные Здания	Датчики дверей/окон, датчики системы отопления, вентиляции и кондиционирования.	Осуществляет мониторинг энергопотребления, работоспособности систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также безопасности.
Умное Сельское хозяйство	Влажность	Оптимизирует использование воды, отслеживает состояние здоровья скота и повышает урожайность сельскохозяйственных культур.

FAQ

1. Чем LoRa отличается от LoRaWAN®?

LoRa — это физический радиоуровень для передачи данных на большие расстояния. LoRaWAN® — это протокол, расположенный выше LoRa, отвечающий за подключение, шифрование и связь со шлюзом.

2. Сколько датчиков LoRaWAN® может обслуживать один шлюз?

Это зависит от пропускной способности шлюза и частоты передачи данных. При нечастой передаче данных один высокопроизводительный шлюз может поддерживать тысячи — или даже до 10 000 — устройств в идеальных условиях.

3. Как долго работает батарея датчика LoRaWAN®?

Благодаря низкому энергопотреблению и прерывистой передаче данных, датчики LoRaWAN® могут работать от одной батареи в течение нескольких лет, что позволяет использовать их в долгосрочных системах без необходимости технического обслуживания. Срок службы батареи зависит от нескольких факторов: энергопотребления датчика, частоты измерения и передачи данных, мощности передачи, температуры окружающей среды, емкости батареи и режима приема нисходящего канала.

4. Возможно ли, чтобы датчики LoRaWAN® обменивались данными напрямую друг с другом?

Нет. Вместо того чтобы обмениваться данными друг с другом, датчики LoRaWAN® отправляют данные только на центральный шлюз, который перенаправляет их на сервер. Такая конструкция обеспечивает максимальную пропускную способность и эффективность использования батареи.

5. Безопасна ли связь LoRaWAN® ?

Да. LoRaWAN® использует сквозное шифрование AES-128, уникальные ключи устройств и проверки целостности сообщений для предотвращения несанкционированного доступа и обеспечения безопасности данных.

Заключение

Если вы работаете над решением на основе IoT и хотите использовать технологию LoRa, но опасаетесь сложности процесса, то можете положиться на MOKOSMART . Мы предлагаем широкий выбор надежных датчиков LoRaWAN® для ваших нужд. Кроме того, мы предоставляем услуги по проектированию оборудования, прототипированию, сборке продукции, отладке радиочастот и встраиванию LoRaWAN®. Если вам нужна индивидуальная смета, техническая консультация или вы просто хотите задать вопрос, пожалуйста, свяжитесь с нами — мы будем рады вам помочь.

ЧИТАЙТЕ БОЛЬШЕ О ЛОРЕ

• В чем разница между LoRa и LoRaWAN?
• Что такое модуль LoRa и как работает оборудование IoT