Как датчик LoRa отправляет и получает данные

Технология беспроводных датчиков LoRa (Long Range) производит фурор в сфере Интернета вещей (IoT). Эта беспроводная технология обеспечивает надёжную связь на больших расстояниях — до 10 км в сельской местности и до 2 км в городах. Благодаря надёжной передаче данных, проникающей в помещения и подземные сооружения, а также сроку службы аккумуляторов, превышающему несколько лет, — и всё это при низких эксплуатационных расходах, LoRa обещает устранить многие проблемы с подключением и электропитанием, сдерживающие инновационные варианты использования IoT.

Учитывая его преимущества, неудивительно, что, согласно прогнозам отрасли, LoRa будет подключать следующий миллиард устройств IoT. Аналитическая компания ABI Research прогнозирует, что на LoRa будет приходиться более половины всех не сотовых LPWA-подключений, общее число которых к 2026 году может составить почти 1.3 миллиарда.

Что такое датчики LoRa

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 аккумулятора. Данные с датчиков периодически передаются по сети LoRa в центральные приложения и аналитические платформы. В датчики LoRa обычно интегрируются следующие датчики:

• DHT11 – Датчик температуры и влажности
• Ультразвуковой датчик обнаружения объектов
• Светочувствительный – датчик внешней освещенности
• Датчик пламени – для обнаружения наличия огня
• Реле – для управления питанием устройств
• Зуммеры – звуковые сигналы тревоги или предупреждения
• Светодиоды – визуальные индикаторы
• GPS-модули – Определение местоположения

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

Как датчики LoRa передают и получают данные через LoRaWAN

Датчики LoRa работают в сети LoRa, используя протокол LoRaWAN для эффективной передачи и приёма данных. LoRaWAN — это облачный протокол уровня управления доступом к среде передачи данных (MAC), который в первую очередь выполняет функции протокола сетевого уровня. Мы используем LoRaWAN для управления связью между шлюзами LoRa и датчиками (узлами) LoRa. Он выполняет функции протокола маршрутизации и поддерживается альянсом LoRa. Первая версия LoRaWAN была выпущена в 2015 году.

В архитектуре LoRaWAN узлы LoRa, представляющие собой датчики, оснащённые протоколом LoRa, инициируют асинхронную связь при наличии данных для передачи. Это позволяет сети LoRa выбирать компромисс между чувствительностью и скоростью передачи данных при фиксированной полосе пропускания канала. В основном это достигается выбором величины используемого расширения, которая может принимать значения от 7 до 12. Этот коэффициент расширения определяет чувствительность и скорость передачи данных узла LoRa.

Данные, передаваемые узлом LoRa, принимаются несколькими шлюзами LoRa, которые пересылают полученные пакеты данных на централизованный сетевой сервер (сервер IoT). Он отфильтровывает дубликаты пакетов, управляет сетью и выполняет проверку безопасности. Затем сервер отправляет обработанные данные на модули приложений, панели управления или подключенные смарт-устройства. Таким образом, протокол LoRaWAN демонстрирует высокую надежность и точность при умеренной нагрузке.

Кроме того, протокол LoRaWAN использует кодирование с прямой коррекцией ошибок (Forward Error Correction), что повышает устойчивость сети к помехам. Благодаря высокому бюджету беспроводной связи (около 155–170 дБ) сети LoRa обладают расширенным радиусом действия, что делает их подходящими для самых разных приложений.

Как настроить сенсорную сеть LoRa

Устройства в сети LoRa состоят из узлов LoRa (датчиков), шлюзов LoRa, передающих сообщения, и централизованного сервера сети LoRa. Для использования датчика LoRa необходима комплексная настройка сети LoRa. Давайте подробно рассмотрим ключевые компоненты:

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

Шлюз LoRa : выступает в качестве центрального звена для формирования сети LoRa. Он принимает данные от узлов LoRa по беспроводной связи LoRa 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 LoRa. 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 LoRa. Он обеспечивает доступ к данным с различных платформ, позволяя масштабировать систему и контролировать производительность и дальность действия датчиков LoRa.

Он обеспечивает доступ к данным на различных платформах, предлагая гибкость в масштабировании и управлении производительностью и диапазоном датчиков LoRa.

Облачный сервер также служит каналом для передачи команд с панели управления (умного устройства) на узлы LoRa. В этом случае можно регулировать производительность, дальность действия и другие параметры датчиков LoRa в сети LoRa.

Итак, вот как мы настраиваем датчики LoRa в сети LoRa. Сеть LoRa может включать столько датчиков LoRa, сколько необходимо.

Преимущества использования датчиков LoRa

Технология LoRa, выделяющаяся среди прорывных технологий, — это не мечта о будущем, а реальность настоящего, имеющая глобальное присутствие. Миллиарды датчиков LoRa и LoRaWAN уже развернуты по всему миру в различных реализациях Интернета вещей, и это число неуклонно растёт. Используя протокол LoRaWAN, датчики LoRa вносят значительный вклад в развитие более умного мира. Вот некоторые ключевые преимущества датчиков LoRa:

Возможность подключения на большие расстояния

Технология LoRa отличается низким энергопотреблением и возможностью передачи данных на большие расстояния. Она обеспечивает надежное беспроводное соединение на расстоянии до 10 км в сельской местности и до 2 км в городах для подземных и внутренних датчиков. Это критически важно для сельскохозяйственных целей и систем учета воды.

Работа с низким энергопотреблением

Сенсорные узлы LoRa могут работать до 10 лет от одной батареи благодаря оптимизации частоты измерений, циклов сна и скорости передачи данных по каналу LoRa. Низкое энергопотребление критически важно для удалённого сельского хозяйства, коммунальной инфраструктуры и систем отслеживания. Это также снижает затраты на 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 связанные с ней альянсы предлагают совместимую платформу, доступную различным поставщикам публичных и частных сетей LoRa. Экосистема альянса LoRa, объединяющая более 500 участников, включая 100 операторов публичных сетей в более чем 58 странах, обеспечивает глобальный доступ. Наличие сетей в более чем 100 странах позволяет быстро разворачивать решения LoRa по всему миру.

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.

Перспективные применения датчиков LoRa

Датчики LoRa предлагают широкий спектр возможностей для применения в различных секторах. Вот некоторые из перспективных областей применения датчиков LoRa:

Умное Сельское хозяйство

Датчики влажности почвы LoRa, датчики освещенности и мониторы влажности помогают оптимизировать расход воды и условия выращивания для повышения урожайности. Также возможно отслеживание местоположения и здоровья скота.

Умные города

Датчики LoRa передают данные о наличии парковочных мест, параметрах мониторинга окружающей среды и даже состоянии мусорных баков. Эту технологию используют городские службы, занимающиеся освещением и мониторингом дорожного движения. LoRa также используется для мониторинга утечек и состояния конструкций.

Умное здравоохранение

Сети LoRa обеспечивают недорогое и надежное подключение для отслеживания медицинских активов, контроля температуры лекарств/образцов крови, а также мониторинга состояния здоровья пожилых пациентов. Решения Интернета вещей на основе датчиков и шлюзов LoRa могут помочь в круглосуточном мониторинге пациентов из группы высокого риска.

Умный промышленный мониторинг

Датчики LoRa с функциями непрерывного мониторинга могут быть полезны для работы в отрасли. Беспроводные датчики LoRa для измерения температуры, вибрации, давления и энергопотребления помогают анализировать состояние заводского оборудования без дорогостоящей прокладки кабелей. Сервисы определения местоположения без GPS отслеживают ценные активы и контейнеры в промышленных парках, используя расширенный радиус действия.

Умные утилиты

Поскольку счётчики часто располагаются в помещениях, под землей или в густонаселённых районах, это затрудняет доступ к ним большинства беспроводных технологий. Города внедряют интеллектуальные счётчики газа, электроэнергии и воды на основе радиосвязи LoRa для удалённой передачи данных о потреблении вместо необходимости личного осмотра.

Умная цепочка поставок и логистика

Датчики LoRa делают отслеживание перевозок дорогостоящих грузов в логистике и цепочках поставок более доступным и простым. Большой радиус действия и низкое энергопотребление датчиков LoRa упрощают геолокацию транспортных средств и грузов. Поддоны, оснащённые датчиками ударов или температуры, помогают выявлять случаи неправильного обращения и определять обоснованность страховых требований.

Отслеживание пациентов с болезнью Альцгеймера

Носимые устройства слежения с технологией LoRa могут оповещать лиц, осуществляющих уход, когда пациент с болезнью Альцгеймера покидает обозначенную безопасную зону. Это поможет обеспечить круглосуточную безопасность при отсутствии физического контроля. Более длительный срок службы батареи по сравнению с метками BLE снижает затраты на обслуживание.

Умные дома и здания

Датчики LoRa бесперебойно передают информацию о динамике дома и здания. Они отслеживают энергопотребление, работу систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также меры безопасности, такие как интеллектуальные датчики дверей и окон. Кроме того, LoRa позволяет создавать интеллектуальные и взаимосвязанные жилые и рабочие пространства.

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, которые вы можете использовать в соответствии со своими потребностями. Кроме того, мы предоставляем услуги по проектированию оборудования, прототипированию, сборке продукции, отладке радиочастот и встраиванию LoRaWAN. Таким образом, вы получите профессиональные модули LoRa для вашего решения на основе IoT. Не стесняйтесь обращаться к нам, если хотите узнать стоимость или задать какие-либо вопросы.

ЧИТАЙТЕ БОЛЬШЕ О ЛОРЕ

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