Dużo mówi się ostatnio o Przemyśle 4.0 i Internecie Rzeczy, ale czy zastanawiałeś się jak przesyłać dane z inteligentnych czujników? Mówię tutaj zarówno o warstwie fizycznej komunikacji jak i protokole, który tę komunikację obsługuje. W tym artykule postaram się odpowiedzieć na to pytanie, prezentując jedną z bezprzewodowych technologii – LoRaWAN.
Technologie komunikacyjne – wady i zalety
Zanim przejdę do omówienia LoRaWAN, tego czym jest i dlaczego spina urządzenia IoT przyjrzę się najpierw innym rozwiązaniom.
Najbardziej klasyczna jest komunikacja przewodowa, np. z użyciem takich protokołów jak: Ethernet IP, Modbus TCP, Profinet itp. Jednak mówimy tutaj o Przemyśle 4.0, mobilnych maszynach, które mają być modułowe i często przezbrajane. Wtedy stosowanie przewodów dobrze jest ograniczać do minimum. Ponadto nie zawsze istnieje możliwość komunikacji przewodowej, np. w wypadku oddalonych od siebie i rozsianych na dużym terenie stacji.
Jeżeli chodzi o bezprzewodowe sposoby wymiany danych to z popularnych technologii mamy Bluetooth, który najczęściej musimy wykluczyć przez bardzo niewielki zasięg. Oprócz tego, łatwo wskazać technologie GSM – 2G, 3G, 4G i 5G. Wykorzystanie modułów 3G i 4G jest popularne chociażby w Routerach VPN. Technologie te cechują się przyzwoitym zasięgiem, dużą prędkością wymiany danych, a ponad wszystko infrastruktura jest już od dawna zbudowana i dobrze znana. Oprócz zalet posiadają niestety też wady. Sieć GSM jest bardzo mocno obciążona, w 2020 roku do sieci GSM podłączone będzie już 50 miliardów urządzeń. Wraz ze wzrostem ilości urządzeń łączących się z jedną stacją spada przepustowość łącza i wzrasta szansa na wystąpienie zakłóceń. Moduły GSM muszą być też dodatkowo zasilane i zużywają dużą ilość energii elektrycznej.
Sieci GSM są doskonałe do obsługi naszych smartfonów, bo przesyłają dane bardzo szybko, a ewentualne zakłócenia i przerwy w zasięgu nie wpłyną znacząco na nasze życie. Jednak do obsługi standardów przemysłowych musiało powstać inne rozwiązanie.
Uwzględniając wady i zalety innych technologii bezprzewodowych, powstały sieci LPWAN (Low Power Wide Area Network) – sieci bezprzewodowe, dla których priorytetem jest niskie zużycie energii. Jedną z technologii LPWAN jest wspomniana LoRa.
Technologie LPWAN
Wyróżnić można trzy najpopularniejsze technologie LPWAN – Sigfox, LoRaWAN oraz NB-IoT. Najpopularniejszą, najszerzej stosowaną i chyba najlepszą z nich jest LoRa. Poniższa mapa przedstawia kraje, w których stosowana jest technologia LoRaWAN.
Wspomniałem, że istnieją trzy technologie LPWAN i to LoRa wydaje się być najlepszą z nich. Zobaczmy dlaczego:
Warto spojrzeć na takie parametry jak prędkość transmisji danych, limity wysyłanych wiadomości, maksymalna pojemność wiadomości, zasięg, podatność na zakłócenia czy możliwość szyfrowania wiadomości.
LoRaWAN wydaje się być technologią, łączącą zalety innych rozwiązań bezprzewodowej komunikacji. Jest odporna na zakłócenia, oferuje przyzwoitą prędkość transmisji (500 razy szybciej niż Sigfox), nie ogranicza ilości dziennych zapytań, a maksymalny rozmiar wiadomości to aż 243 bajty. Co więcej jako jedyna z tych trzech technologii umożliwia tworzenie sieci prywatnych.
Urządzenia umożliwiające tworzenie sieci prywatnych znajdziesz w ofercie firmy Sabur:
https://www.sabur.com.pl/kategoria-produktu/lacznosc-bezprzewodowa/lorawan/
LoRaWAN
Zacznijmy od wyjaśnienia struktury sieci LoRaWAN. Składa się ona z pojedynczych urządzeń końcowych, sieci bazowej oraz serwera.
Jeżeli mówimy o komunikacji, to głównym zadaniem postawionym przed twórcami technologii było dostarczenie danych pomiarowych z czujników i urządzeń końcowych do serwera centralnego, gdzie mogą być przetwarzane, obrabiane i wizualizowane.
LoRaWAN w swoim działaniu bliźniaczo przypomina sieć telefonii komórkowej. Urządzenia końcowe odzwierciedlają nasze telefony osobiste, które do poprawnego działania muszą być w zasięgu stacji BTS (odpowiednio stacji bazowej LoRaWAN). Dlatego też za realizację infrastruktury LoRaWAN wzięli się operatorzy GSM, tacy jak np. KPN, Orange, SK Telecom czy Comcast. Ich zadanie to udostępnienie użytkownikom stacji bazowych, które mają swoim zasięgiem pokryć jak największy obszar. Każde urządzenie, które znajdzie się w zasięgu działania stacji bazowej może przesłać dane do wybranego serwera. Obecnie korzystanie z wybudowanej infrastruktury jest bezpłatne.
Można powiedzieć, że sieć LoRaWAN bazuje na topologii gwiazdy, gdzie do stacji bazowej (bramki) podłączonych jest wiele równorzędnych urządzeń końcowych. Do komunikacji pomiędzy urządzeniami końcowymi a stacjami bazowymi używany jest właśnie protokół LoRaWAN, natomiast dane z bramek do serwerów wędrują już z użyciem protokołów sieciowych, najczęściej TCP/IP.
Szacuje się, że maksymalne odległości pomiędzy urządzeniami a stacją, przy których może dochodzić do wymiany danych, to 5 km w terenie silnie zabudowanym i 20 km na wolnej przestrzeni. Okazuje się jednak, że protokół LoRaWAN posłużył do pobicia paru ciekawych rekordów. W serwisie YouTube znaleźć można film, na którym autor pokazuje jak udało mu się przesłać dane z użyciem protokołu LoRaWAN na odległość 212 km. Jest to rekord dla nadajnika i odbiornika znajdującego się na powierzchni Ziemi.
Nie był to szczyt możliwości LoRaWAN. Obecny rekord świata w odległości przesłanych danych został pobity przez Enrique Torresa, badacza Uniwersytetu w Saragossie. Do balonu, który wzniósł się na wysokość ponad 33 km, badacz zamontował ważący zaledwie 106 gramów czujnik temperatury, wilgotności i ciśnienia. Nadawany sygnał został odczytany przez 24 różne stacje bazowe, z czego najdalsza oddalona była o 766 km od balonu i znajdowała się w narciarskim resorcie, na wysokości 2253 metrów nad poziomem morza!
Sieci prywatne
Jak wspomniałem wcześniej, LoRaWAN jako jedyna z technologii LPWAN pozwala na tworzenie sieci prywatnych. Co to oznacza? Przede wszystkim uniezależnia to nas od zasięgu oferowanego przez operatorów sieci. Kupujemy bramę (gateway) LoRaWAN, która zbiera dane ze wszystkich urządzeń końcowych, a później przekazuje je do wskazanego serwera, czy bazy danych. Czyli mówiąc prościej stawiamy swoją własną stację bazową.
Bramy LoRaWAN
Jak wygląda taki przykładowy gateway?
Brama 1Gate produkcji ATIM. Sprzęty ATIM są dystrybuowane w Polsce przez firmę Sabur. Skontaktuj się z Sabur i zapytaj o ofertę: https://www.sabur.com.pl/kontakt/
Powyższe urządzenie 1Gate LoRa™ Gateway jest przeznaczone do montażu na szynie DIN w szafach sterowniczych. Na froncie posiada przyłącze umożliwiające zainstalowanie zewnętrznej anteny. Brama może obsługiwać jednocześnie wiele urządzeń, oprócz samego przesyłania danych do serwera może je archiwizować, czy wyświetlać na wykresach. To wszystko możliwe jest z poziomu webserwera. W ten sam sposób dodamy i skonfigurujemy urządzenia końcowe. Bramę podłączyć można do Internetu za pomocą portu ETHERNET lub Wi-Fi. Jak widać gateway’e to nie tylko urządzenia ograniczające się do przekazania danych dalej.
Niekoniecznie trzeba też stosować bramy stricte przemysłowe. W ofercie Sabur znajdują się urządzenia „biurowe”. Takie urządzenie charakteryzuje się możliwością zawieszenia na ścianie. W działaniu nie różni się od modułu przemysłowego. Ma jedynie węższy zakres temperatury pracy. Brama biurowa może pracować w temperaturze 0 – +70 °C, a wersja przemysłowa -40 – +85 °C. Tak samo, jak moduł przemysłowy, wymaga podłączenia zewnętrznej anteny, może przetwarzać dane i posiada wbudowany webserwer.
Brama „biurowa” produkcji ATIM. Sprzęty ATIM są dystrybuowane w Polsce przez firmę Sabur. Skontaktuj się z Sabur i zapytaj o ofertę: https://www.sabur.com.pl/kontakt/
Dzięki wykorzystaniu takich bram możemy stworzyć własną, prywatną sieć LoRaWAN. Co możemy skomunikować z taką bramą? Właściwie wszystko. Oprócz typowych urządzeń obsługujących protokół LoRaWAN istnieją też konwertery z popularnych protokołów np. Modbusa TCP. Taki konwerter podłączymy do sterownika PLC i możemy przesyłać dowolne dane do bramy.
Mam nadzieję, że udało mi się zainteresować Was tematem komunikacji z użyciem LoRaWAN. Jest to wciąż nowa technologia, ciągle się rozwija, a jej zastosowań dopiero będzie przybywać. Jednak już teraz można powiedzieć, że robi wrażenie i będzie na pewno szeroko stosowana.
Źródła: www.sciencedirect.com; www.thethingsnetwork.org; zdjęcie – https://www.youtube.com/watch?time_continue=136&v=2Y0bMX3TVi0
