Что такое шлюз LoRaWAN? Как устройства LoRa могут общаться друг с другом


При изучении возможностей подключения к Интернету вещей необходимо многое выяснить. Одним из критически важных элементов успешной сети IoT является шлюз. Так что же такое шлюз LoRaWAN?

IoT Gateway Diagram

Диаграмма шлюза IoT    

Начнем с определения LoRaWAN: LoRa (Long Range) - это протокол маломощной широкозоновой сети LPWAN, разработанный компанией Semtech. Это одна из ряда радиочастотных технологий, используемых для беспроводного подключения датчиков и устройств для Интернета вещей (IoT) в различных отраслях промышленности.

Под шлюзом обычно понимается физический блок или корпус, в котором находится аппаратное и прикладное программное обеспечение, выполняющее основные задачи по подключению устройств IoT к облаку. IoT-устройства используют шлюз в качестве центрального узла для сбора данных и подключения этих данных к внешним сетям. Шлюз очень похож на маршрутизатор Wi-Fi. Он оснащен концентратором LoRa, что позволяет ему принимать радиочастотные сигналы, посылаемые устройствами LoRaWAN, которые преобразуются в сигнал, совместимый с сервером, например Wi-Fi, для отправки данных в облако.

Шлюз является отправной точкой, поскольку все устройства в сети должны иметь возможность передавать свои данные обратно на шлюз. Это часто означает, что крупномасштабные системы LoRaWAN работают более чем на одном шлюзе. Максимальное количество датчиков или устройств на одном шлюзе зависит от ряда факторов, таких как скорость передачи данных и размер пакета данных, но сотни или даже несколько тысяч на одном шлюзе вполне достижимы.

Шлюзы являются важнейшим компонентом для организации эффективных беспроводных сетей для датчиков и устройств.


 
Как работает шлюз LoRaWAN?

Шлюз LoRaWAN может обслуживать несколько групп устройств одновременно, хотя шлюзы часто устанавливаются в перекрывающихся группах. Устройства посылают свои сигналы в виде радиочастотных пакетов, которые могут быть приняты любым шлюзом в радиусе действия, при этом самое прочное соединение между устройством и шлюзом передает сообщение в облако. Наличие нескольких шлюзов повышает устойчивость сети в случае отказа одного из них.

Шлюзы LoRaWAN могут быть установлены и запущены для частной сети, контролируемой компанией. Например, вы можете управлять коммуникациями на водохранилище и нуждаться в измерении уровня воды или давления воды в определенных местах на участке. Физический сбор данных с удаленно расположенных датчиков уровня воды может быть сложным, трудоемким и дорогостоящим, но если ваши датчики подключены к беспроводной сети LoRaWAN, то данные могут быть легко собраны и переданы непосредственно на ноутбук и в мобильные приложения. Для этого датчик должен передать данные по беспроводной сети сначала на шлюз LoRaWAN. Затем шлюз передаст данные с множества датчиков в облако и, в конечном итоге, в ваше приложение.

В некоторых, в основном городских районах, провайдеры сетей LoRaWAN могут предлагать подключение шлюза в качестве услуги для нескольких конечных пользователей за определенную плату.

После приема шлюзом радиочастотные сигналы преобразуются в формат, обеспечивающий более высокую скорость передачи данных. Максимальная скорость передачи данных LoRa, 50 Кб/с, достаточна для связи между устройствами или между устройствами и шлюзом, но при попытке передать тысячи сообщений в облако она окажется серьезным узким местом - отсюда необходимость в хорошо спроектированном шлюзе для обеспечения более высокого уровня передачи данных от шлюза к облаку.

Обычно соединение между шлюзом и облаком устанавливается с помощью Ethernet для обеспечения скорости, но LTE и Wi-Fi также являются практичными заменителями в условиях открытого пространства.

Затем данные становятся доступными в облаке для любого необходимого приложения. Многие датчики поставляются с собственным приложением для отображения данных в полезном для конечного пользователя виде. Например, датчики влажности почвы Delta-T используют свое приложение DeltaLink для отображения данных в виде графиков и таблиц, что упрощает интерпретацию информации и принятие обоснованных решений.

Чтобы лучше понять контекст, сети LoRaWAN работают по системе почтовых ящиков.

Шлюзы действуют как почтовый ящик между устройствами и облаком, сохраняя, но не читая сообщения, которые проходят между ними. Время передачи сообщений зависит от того, как часто конечное устройство просыпается для отправки и получения данных. Если облако отправляет сообщение на устройство, шлюз будет хранить его до следующего пробуждения устройства.

IoT Connectivity Diagram
Диаграмма подключения IoT

Оповещения можно легко настроить в приложении или в виде оповещений по электронной почте или SMS, например, если показания температуры выходят за пределы заданного параметра.  

Некоторые примеры приложений в сфере агротехнологий, которые получают данные от шлюза LoRaWAN, могут включать в себя:

  •             MyJohnDeere
  •             CASE AFS Connect
  •             DeltaLink
  •             New Holland PLM Connect
  •             AGCO VarioDoc
  •             Ag Leader AgFiniti
  •             Raven Slingshot
  •             AgBridge
  •             Climate FieldView
  •             Farmobile

 
Трафик между устройствами и шлюзами

При необходимости тысячи устройств могут работать с одним шлюзом. Единственное, что действительно ограничивает объем информации, которую может обработать конкретный шлюз, - это количество данных, с которыми ему приходится иметь дело одновременно.

Требования к шлюзу во многом зависят от скорости передачи данных и количества сообщений. При размере одного пакета от нескольких байт до нескольких сотен, количество шлюзов, обрабатывающих эти запросы, будет различным.

Шлюз, обслуживающий мониторы влажности в полевых условиях, может получать данные лишь периодически, возможно, не чаще одного-двух раз в день, в то время как шлюз, обслуживающий глубокие склады, где изменение температуры означает порчу товара, скорее всего, будет иметь дело с гораздо большим количеством сообщений для мониторинга условий.

Не существует жесткого числа, указывающего на то, сколько данных может обрабатывать один шлюз, но всегда можно предположить, что большие объемы информации, передаваемые чаще, ограничат количество устройств, с которыми шлюз может эффективно взаимодействовать.

Обычно в сетях общего пользования пропускная способность встроена, поскольку владельцы сетей добавляют пропускную способность с помощью новых шлюзов для расширения зоны покрытия и обработки трафика. Однако это также поднимает вопрос о том, как вы хотите подойти к своей сети, публично или частным образом.

Производители шлюзов LoRaWAN

Шлюзы - это маршрутизаторы, оснащенные концентратором LoRa, что позволяет им принимать пакеты LoRa. Существует два вида шлюзов:

  •     Недорогие и простые в использовании шлюзы, работающие на минимальной прошивке (например, The Things Gateway), на которых запущено только программное обеспечение для пересылки пакетов.
  •     Шлюзы, работающие под управлением операционной системы, для которых программное обеспечение для пересылки пакетов выполняется как фоновая программа (например, Wyld Gateway, Kerlink IoT Station, Multitech Conduit). Они обеспечивают большую гибкость для администратора шлюза, позволяя управлять шлюзом и устанавливать собственное программное обеспечение.

Общественные сети LoRaWAN

На момент написания статьи сети LoRaWAN публично доступны в 137 странах под управлением 157 различных операторов. Присоединение к одному из этих операторов - это то, с чего начинаются многие развертывания IoT, хотя, как объясняется ниже, создание собственной сети возможно, часто предпочтительно, а иногда и необходимо.

LoRaWAN Coverage Map
Карта покрытия LoRaWAN

На приведенной выше карте покрытия от Lora Alliance показаны страны, в которых доступна открытая сеть сообщества. Точный уровень покрытия варьируется и далек от 100% в любой стране. География является ключевым фактором, и в настоящее время сельские и отдаленные районы вряд ли будут охвачены даже в развитых странах.

Использование общественной сети имеет много преимуществ. Во-первых, зона покрытия часто довольно широкая, особенно в городах, поэтому установка шлюза в пределах досягаемости часто достижима.

Второе - это быстрота и доступность общественной сети. Пользователю требуется меньше инфраструктуры, поэтому вы можете сосредоточиться на том, что у вас получается лучше всего - на конечных устройствах, которые собирают данные.

LoRa также недорога, поскольку работает в безлицензионном диапазоне, а значит, поставщику услуг не нужно платить за лицензии государственным органам, как в случае с 4G и 5G. Поэтому при наличии провайдера стоимость использования сети остается низкой, что делает ее доступным решением.

На приведенной ниже карте покрытия сети The Things Network в Европе показаны места, где несколько шлюзов расположены недалеко друг от друга.

Public LoRaWAN Networks
Общественные сети LoRaWAN


Частные сети LoRaWAN

Запуск собственного шлюза немного сложнее. Вам необходимо знать особенности конфигурации сети и программное обеспечение, которое должно на нем работать, но взамен он обеспечивает частную сеть, ограниченную вашей организацией или теми, с кем вы ее разделяете.

Это имеет свои преимущества, поскольку вы можете легко контролировать трафик и иметь обычные преимущества, связанные с отсутствием зависимости от третьей стороны.  Вы можете контролировать местоположение шлюза, что повышает эффективность и позволяет работать даже в самых отдаленных или труднодоступных местах.

Запуск частной сети LoRaWAN также дает возможность контролировать пропускную способность каждого шлюза и поставляется с возможностью загрузки собственной прошивки, чтобы сделать его действительно специализированным для своей задачи. Частный шлюз LoRaWAN обычно обеспечивает большую гибкость и возможности обработки границ.

Это также связано с вопросами безопасности. Возможно, вы не захотите, чтобы ваши данные контролировались внешним провайдером. Для этого идеально подходит локализованная закрытая система. Частные шлюзы LoRaWAN позволяют повысить контроль и безопасность.

Шлюзы LoRaWAN являются связующим звеном между источником данных - датчиками в окружающей среде - и людьми. Они обеспечивают масштабирование Интернета вещей и являются ключевым элементом в цепи, которая позволяет улучшить видимость, снизить затраты, уменьшить потребление ресурсов, повысить безопасность и улучшить процесс принятия решений.

Подводя итог, можно сказать, что шлюзы IoT могут:

  •     подключать устройства IoT к облаку
  •     обрабатывать поток данных между устройствами и облаком.
  •     Несколько шлюзов могут быть развернуты и часто развертываются в одной сети для обеспечения полного покрытия.
  •     Сети LoRaWAN бывают частными и публичными, частные предлагают индивидуальную конфигурацию, а публичные - уже готовую инфраструктуру.

LoRa® и LoRaWAN® являются зарегистрированными торговыми марками корпорации Semtech.

 

Точка доступа LoRaWAN в интернет-магазине Extradigital.eu https://www.extradigital.eu/ru/wi-fi-4g-oborudovanie/Tocka-dostupa-lorawan-helium-miner-hotspot-ug65-868m-ea-h32_UG65-868M-EA