Особенности радиопокрытия lora

Введение в LoRaWAN

беспроводная сеть LoRaWANшлюзов (gateways)оконечными устройствами (end-devices)центральным сервером (Network Server, NS)концентраторами (concentrators)базовыми станциями (base stations)motesширокополосную модуляцию LoRaскорость передачи в беспроводном канале от 0.3 до 50 кбит/сADR (adaptive data rate)

Каждый раз при передаче сообщения частотный канал выбирается оконечным устройством случайным образом из списка доступных каналов.
Перед началом передачи оконечное устройство должно убедиться в том, что канал свободен (Listen Before Talk, LBT). Канал считается свободным, если измеренное мгновенное значение RSSI меньше, чем RSSI_FREE_TH

Если канал занят, то устройство переходит на другой канал и повторяет процедуру LBT.
Оконечное устройство должно принимать во внимание ограничения местных регулирующих органов относительно процента времени, в течение которого устройство может занимать частотный канал.

Основные преимущества сетей LoRaWAN

• совместимы с существующими сетями/технологиями беспроводной передачи данных;
• обладают высокой помехоустойчивостью;
• способны обслуживать десятки и сотни тысяч устройств;
• обеспечивают большую зону охвата и малое энергопотребление оконечных устройств.

Варианты применения беспроводных сетей LoRaWAN

• считывание показаний счетчиков газа, воды, электричества;
• Smart Grid (мониторинг электрических сетей нового поколения;
• мониторинг автотранспорта и грузов на определенной территории (определение местоположения, информация о состоянии транспортных средств и грузов);
• контроль состояния контейнеров/емкостей на производстве (нефтехимические производства, контейнеры для отходов производства, контейнеры с опасными веществами);
• мониторинг производственного оборудования (уменьшение простоя, контроль параметров, обеспечение безопасности персонала);
• умные парковки (мониторинг доступности парковочных мест);
• мониторинг мусорных баков (оптимизация процессов утилизации мусора);
• умное уличное и пр. освещение (удаленное управление, контроль состояния);
• мониторинг погодных условий;
• контроль состояния люков (предотвращение несанкционированных проникновений);
• контроль наличия вредных веществ в атмосфере;
• сбор данных о состоянии окружающей среды (загрязнение, шум, дождь, ветер и пр.);
• пожарная, охранная сигнализация;
• автоматизация зданий (контроль температуры, влажности, управление воротами, жалюзи).

Frequencies¶

Regional LoRa Alliance parameters :

Downlink : same as uplink with an additional one :

If your country uses the EU863-870 ISM band, than according to the LoRaWAN Regional Parameters document every EU868MHz end device must implement the following default channels:

• 868.10 MHz, bandwidth = 125 kHz
• 868.30 MHz, bandwidth = 125 kHz
• 868.50 MHz, bandwidth = 125 kHz

and additional 5 frequencies.

The other 5 frequencies can be freely attributed by the network operator. For example, The Things Network implemented the following frequencies: 867.1, 867.3, 867.5, 867.7 and 867.9.

LoRaWAN only uses the following bandwidth ranges: 125 kHz, 250 kHz and 500 kHz.

Which of these 3 ranges are actual used depends on the region or frequency plan.

For example in Europe only the bandwidths 125kHz and 250 kHz are used.

An end device changes channel in a pseudo-random fashion for every transmission.

Changing frequencies makes the system more robust to interferences.

For example in Europe for uplink transmissions 8 different frequencies are used.

Data Collisions and Spreading Factor Orthogonality

With LoRa, packets using different spreading factors are orthogonal, meaning that they are invisible to each other: as mentioned earlier, they simply appear as noise to one another. Therefore, two packets that arrive at the same time on the same receive channel at different spreading factors will not collide and, both will be demodulated by the gateway modem chip. However, two packets with the same spreading factor arriving at the same time on the same channel might result in a collision. However if one of the two packets is stronger by six dB, it will survive.

The capacity of a LoRaWAN network is a function of its gateway density. To maximize the capacity of the network, using an adaptive data rate (ADR) mechanism is essential. The main goal of ADR is to save the battery power of the LoRaWAN end-nodes. By having the end-nodes closest to a gateway transmit using the lowest spreading factor, their time on air is minimized, thereby prolonging their battery life. More distant sensors transmit at a higher spreading factor. A trade-off is made between battery power and distance given that a higher spreading factor allows for a gateway to connect to devices that are farther away.

LoRaWAN Network Fundamentals

To fully understand LoRaWAN networks, we will start with a look at the technology stack. As shown in Figure 7, LoRa is the physical (PHY) layer, i.e., the wireless modulation used to create the long-range communication link. LoRaWAN is an open networking protocol that delivers secure bi-directional communication, mobility, and localization services standardized and maintained by the LoRa Alliance.

Figure 7: LoRaWAN technology stack

LoRa Wireless RF Technology

A Semtech innovation, LoRa devices offer compelling features for IoT applications including long range, low power consumption and secure data transmission. The technology can be utilized by public, private or hybrid networks and provides greater range than Cellular networks. LoRa Technology can easily plug into existing infrastructure and enables low-cost battery-operated IoT applications. Semtech’s LoRa chipsets are incorporated into devices manufactured by a large ecosystem of IoT solution providers, and connected to LoRaWAN-based networks around the globe. Simply stated, LoRa connects devices (or all things) to the Cloud.

Схема

LoRa-отправитель

Оснастив RFM95 либо гребешком контактов, либо припаянными проводами, а также присоединив к нему антенну, подключите его к ESP32. Модуль будет «общаться» с ESP32 при помощи протокола SPI, поэтому мы будем использовать SPI-контакты ESP32. Подключите ESP32 к трансивер-модулю как показано на схеме ниже.

Схема выше, возможно, немного запутанная, поэтому, если вам что-то непонятно, можете дополнительно свериться с таблицей ниже:

Примечание: У трансивер-модуля RFM95 три контакта GND

Какой из них использовать – неважно, но вы должны подключить к «земле» по крайней мере один из них.

LoRa-получатель

Подключите ко второй ESP32 трансивер-модуль RFM95 и OLED-дисплей согласно схеме ниже. OLED-дисплей использует протокол I2C, поэтому мы воспользуемся I2C-контактами ESP32: GPIO21 и GPIO22.

В таблице ниже показано то, какие контакты нужно подключить между ESP32 и трансивер-модулем RFM95 (кроме контакта ANA на RFM95 – к нему подключается антенна):

В таблице ниже показано то, какие контакты нужно подключить между ESP32 и OLED-дисплеем:

Что нужно сделать перед загрузкой кода

Трансивер-модули LoRa

Вместо RFM95 можно использовать любой совместимый модуль вроде плат Semtech на базе SX1276/SX1277/SX1278/SX1279, включая RFM96W, RFM98W и т.д.

Частота этого LoRa-модуля RFM95 помечена на его задней стороне (см. фото выше). Убедитесь, что рабочая частота у покупаемого вами LoRa-модуля соответствует законам вашей страны.

Подготавливаем трансивер-модуль RFM95

Контактная макетная плата не подходит для использования с трансивером RFM95.

Кроме того, для него не подходит и стандартный гребешок с шагом между контактами 2.54 мм. Расстояние между контактами у RFM95 меньше, чем обычно.

Есть несколько способов, позволяющих получить доступ к контактам RFM95:

• Провода можно припаять напрямую к контактам трансивера;
• Можно согнуть штырьковые контакты и припаять каждый из них по отдельности;
• Можно купить плату-переходник для подключения RFM95 к макетной плате;

Ниже – несколько вариантов плат-переходников для RFM95:

Мы воспользуемся вторым способом – согнуть и припаять штырьковые гребешки к контактам RFM95 (см. фото ниже).

После этого доступ к контактам RFM95 можно получить с помощью обычных проводов-перемычек. Кроме того, можно воспользоваться дополнительным двухсторонним гребешком контактов и с его помощью напрямую подключить RFM95 к макетной плате.

Антенна

Трансивер-чипу RFM95 также нужна внешняя антенна, подключенная к контакту ANA.

Можно воспользоваться и «настоящей» антенной, и сделать ее самому при помощи токопроводящего провода (см. фото ниже). У некоторых плат-переходников есть специальный коннектор для подключения антенны.

Длина провода зависит от частоты:

• 868 МГц – 86.3 мм (3.4 дюйма)
• 915 МГц – 81.9 мм (3.22 дюйма)
• 433 МГц – 173.1 мм (6.8 дюйма)

Для нашего модуля понадобится провод длиной 86.3 мм, припаянный напрямую к контакту ANA трансивера. Имейте в виду, что «настоящая» антенна позволит передавать данные на более длинную дистанцию.

Важно: Антенну НЕОБХОДИМО подключить к модулю.

Устанавливаем библиотеку LoRa

Откройте IDE Arduino, нажмите на «Скетч» > «Подключить библиотеку» > «Управлять библиотеками…» (Sketch > Include Library > Manage Libraries), а затем вбейте в поиске «lora». Найдите библиотеку «LoRa»(автор Sandeep Mistry) и установите ее.

Устанавливаем библиотеку «Adafruit SSD1306»

Откройте IDE Arduino, кликните на «Скетч» > «Подключить библиотеку» > «Управлять библиотеками…» (Sketch > Include Library > Manage Libraries) и вбейте в поиске «oled». Найдите в поисковой выдаче библиотеку «Adafruit SSD1306» и установите ее.

Обзор существующего опыта по дальности работы БС

В начале 2016 года компании Lace и AURORA Mobile Technologies провели в г. Пермь опытное развертывание и тестирование системы мониторинга технологических параметров и состояния сетей и объектов тепловодоснабжения, созданной на основе технологии LoRaWAN («Эксперимент по созданию системы мониторинга хозяйственных объектов с использованием LoRaWAN», журнал БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №2 ’16, стр.72-76). Обнаружено, что в условиях городской застройки для установленной на высоте 16 метров БС LoRaWAN устойчивый прием сигнала от датчиков наблюдался на расстояниях до 6 км в outdoor и с расстояния 1.5 км в глубоком indoor (при эксперименте – подвал кирпичного здания).
В 2015 году в Дубае (ОАЭ) в результате полевых тестов обнаружена устойчивая связь датчика с базовой станцией в городе с расстояния 15 км в outdoor и 1-2 км в indoor. Высоту базовой станции в этом эксперименте установить не удалось (предположительно – около 25 метров, http://www.du.ae/about-us/media-centre/newsdetail/2015/10/22/du-brings-internet-of-things-to-life-with-lora-demos-at-gitex).
Тесты в г.Зарагоза (Испания) показали, что в случае расположения БС на холме (высота над уровнем местности 400 метров) устойчивая связь с приемником возможна на расстояниях вплоть до 21 км. Измерения в городских условиях обнаружили прохождения сигнала до БС (высота 20 метров) сквозь 14 зданий на расстояние 1530 метров (Waspmote-LoRa-868MHz_915MHz-SX1272, Networking Guide, um Comunicaciones Distribuidas S.L, стр.25-28)
В Санкт-Петербурге при испытаниях работы измерителя температуры с LoRa-модемом установлено, что сигнал от датчиков в подвалах (глубокий indoor), где отсутствует сигнал сотовой связи, уверенно доходит до базовой станции LoRa (высота 28 метров) с расстояний до 1 км. На улице (outdoor) устойчивый прием в условиях города зафиксирован на расстояниях около 4 км («Беспроводной измеритель температуры с интегрированным LoRa-модемом», журнал БЕСПРОВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ №3 ’16, стр. 64-68)
Обобщенный опыт полевых испытаний представлен в таблице, где показаны примерные радиусы действия (в км) БС LoRa (шлюзов) для различных типов застройки, при высоте подвеса 30м, Omni антенны (ДН 360 град.) и коэффициентом усиления антенны 3dBi:

Табл.5:

Базовые станции

Рис. 2. Базовая станция «Вега БС-2.2»

Второй элемент сети — базовая станция, например «Вега БС-2.2» (рис. 2), предназначенная для разворачивания сети LoRaWAN на частотах диапазона 863–870 МГц. Питание базовой станции и сообщение с сервером осуществляются через канал Ethernet. Кроме того, сообщение с сервером может поддерживаться через канал 3G (предусмотрено два варианта исполнения: базовая станция без 3G и базовая станция с 3G-модемом и ГЛОНАСС). Станция оборудована встроенной антенной GPS, для того чтобы можно было построить карту, увидеть, где находятся шлюзы, протестировать зону покрытия и развертывание системы. Также «Вега БС» включает предустановленное ПО Packet forwarder. Монтаж базовой станции достаточно прост, она устанавливается на мачту совместно с антенной. Работает в Интернете по протоколу UDP, поддерживает операционную систему Linux.

SNR¶

Signal-to-Noise Ratio (SNR) is the ratio between the received power signal and the noise floor power level.

The noise floor is an area of all unwanted interfering signal sources which can corrupt the transmitted signal and therefore re-transmissions will occur.

• If SNR is greater than 0, the received signal operates above the noise floor.
• If SNR is smaller than 0, the received signal operates below the noise floor.

Normally the noise floor is the physical limit of sensitivity, however LoRa works below the noise level.

Typical LoRa SNR values are between: -20dB and +10dB

A value closer to +10dB means the received signal is less corrupted.

Зарубежные конечные устройства

Ассортимент зарубежных конечных устройств разделяется на два типа – законченные устройства и платы с чипами, поддерживающими протокол LoRa для самостоятельной сборки.
Преимущества законченных зарубежных устройств:
 •  эстетический внешний вид;
 •  законченное инженерное решение;
 •  для устройств внешнего исполнения защита IP68;
 •  простота интеграции в серверы приложений;
 •  простота настройки.
Недостатки законченных зарубежных конечных устройств:
 •  европейский частотный план, невозможность самостоятельного изменения под российские открытые частоты;
 •  высокая стоимость устройств (до 200 евро и более).
Недостатком плат является необходимость сборки, пайки и программирования модемов и универсальных выходов для подключения датчиков, интеграции модемов с датчиками в сервер приложений и настройка конкретных приложений.
De jure, использование иностранных модемов и сенсоров на территории РФ запрещено в связи с работой данного оборудования на европейских частотах.
De facto, подавляющее большинство как сенсоров, так и шлюзов в РФ работают в европейском диапазоне по причине отсутствия утвержденного «LoRa Alliance» регионального частотного плана для РФ, а также сложностью и порой невозможностью перевода устройств на российские разрешенные частоты, в том числе силами производителей.

Сенсоры, датчики и модули управления

Сенсоры, датчики и модули управления на европейском рынке представлены следующими производителями:

Значит, нет?

Получается, что наша сеть LoRaWAN ограничена только устройствами с импульсным выходом и сторожевыми системами, где регистрируется факт сработки?

Нет.
Просто мы попытались использовать концепцию Интернета Людей там, где этого делать нельзя. Согласитесь, нам привычно избыточно использовать стабильный Интернет-канал. Например, открыть видео, прихватив запас в буфере, и не досмотреть. Т.е. трафик пройдет, но по факту не будет использован.
Однако, здесь все иначе. Скорости у нас мало, времени в эфире тоже. Надо использовать его экономно. Что можно придумать?

Ответ на поверхности. Не гонять через LoRa кучу служебного трафика протоколов поверх RS-485.
Скрипт опроса можно загрузить в сам радиомодуль. Он будет на месте опрашивать счетчик с определенной частотой и высылать нам только сухие, заранее оговоренные значения.

У этого метода два минуса:

• Такой радиомодуль требует определенных вычислительных ресурсов. Это не большая проблема на текущем уровне развития технологий.
• Такой радиомодуль потребляет больше энергии. Но в случае прозрачного канала мы вынуждены использовать класс С, который так же не от батарей живет. То на то и выходит.

Зато мы получаем всю необходимую нам информацию в 2-3 пакетах. А то и в один все поместится, если нужно буквально несколько параметров. Ведь часто бывает, что нам не нужно передавать ВСЁ, достаточно ограниченного набора значений.
Радимодуль может передавать данные, допустим, раз в час. А на стороне сервера мы будем складывать их в хранилище. Если потребуется обратиться к архиву, то серверу даже не придется опрашивать устройство.

Разумеется, что нужно иметь некий универсальный радиомодуль, в который загружаются различные скрипты. И интерфейс, способный такую информацию воспринимать. Это не простой путь, но только он отвечает всем требованиям и ограничениям.
В данный момент, к этому решению приходят все больше производителей. Готовятся подобные устройства у Веги, уже есть у icbcom, ОРИОН М2М и других.
Т.к. мы используем самописный интерфейс, то подобные разработки есть и у нас. В какой-то момент стало ясно, что если не полезем глубже, просто не сможем работать.

Помимо хитрости с экономией трафика, нам по-прежнему требуется хорошая сеть, в которой устройства работают на минимальном SF и максимальной скорости. Я подчеркну – не такая сеть, в которой все устройства с SF=7. Вы этого все равно не добьетесь.

Такая сеть, которая стремится к SF=7. Это значит грамотное планирование и ADR.

На выходе получим достаточные скорости для хождения пакетов, по-прежнему большое число радиомодулей на одну БС и возможность работать с интерфейсами уровня выше импульсного выхода. Что и требовалось.

Проблема опроса

С импульсными выходами все просто. Мы считаем импульсы, умножаем их на цену деления и получаем показания счетчика. С этим справится любой простенький интерфейс. И такой интерфейс, помимо простоты, будет еще универсальным.

С RS-485 все куда хуже

Удивительно, но многие не понимают одной важной вещи.
RS-485 – это НЕ ПРОТОКОЛ ОБМЕНА! Он не оговаривает формат пакетов, которые ходят внутри него. По сути – это просто среда передачи

Оговорены лишь электрические и временные характеристики интерфейса. Все! Все, что сверху уже надо разбирать отдельно.

А разбирать есть что! Поверх нашей среды каждый производитель может накрутить, что душе угодно. Ну, или что оказалось удобно лично ему. К примеру, теплосчетчик ВКТ-7 будет общаться с нами через ModBus. А Энергомера – через ГОСТ Р МЭК 61107-2001.

Это все протоколы, которые накладываются на среду передачи сверху и имеют более высокий уровень. Каждый протокол имеет свой состав кадра, требует своих команд на выполнение тех или иных действий, предусматривает различное хранение (а значит и опрос) значений. Следовательно, для каждого устройства необходим свой скрипт опроса. Более того, даже в рамках одного протокола (тот же ModBus) этот скрипт будет отличаться от устройства к устройству.

Сами по себе протоколы не являются тайной и, по большей части, открыты. Более того, сайт каждого производителя зачастую содержит бесплатную утилиту, с помощью которой можно приборы опрашивать. Но эти утилиты не универсальны и заточены под одного производителя. А мы помним, что у нас почти всегда зоопарк устройств. И ставить клиенту на компьютер несколько программ одновременно… ну это не слишком удобно.

Выхода два. Либо писать что-то свое. Либо взять программу, в которой уже скомпилированы скрипты опроса самых популярных устройств. На рынке немало готовых решений, скажем «ЛЭРС-учет» или «ЯЭнергетик». Но они платные и стоят хороших денег. Как и разработка своего софта.
Кроме того, если мы говорим про Промышленный Интернет (то есть выходим за рамки ЖКХ) готовые универсальные решения вам уже не помогут. Как быть?

Никак.

Если вы все еще планируете опрашивать через LoRa по прозрачному каналу, вы все равно упретесь в ограничения скорости и таймауты. Может не сразу и не с первым устройством, но это произойдет.

Зачем нужны беспроводные технологии?

В том случае, если применяется передача данных без проводов, становится рентабельной реализация централизованного управления всеми уличными светильниками, по крайней мере, в пределах населенного пункта, вне зависимости от плотности населения и статуса проходящих через него трасс. В простейшем случае мониторинг сводится к контролю наличия напряжения на проводах, по которым питание подается на группу светильников. Наличие напряжения в моменты времени, когда светильники должны работать, и отсутствие их в моменты, когда они должны быть выключены, свидетельствует о правильности работы реле. Поскольку реле является электромеханическим устройством, его неисправность является одной из наиболее распространенных причин, почему ночью не включается освещение на некоторых улицах.

Новая функция опор освещения — зарядка электромобилей

Современные опоры уличного освещения выполняют множество функций. Например, на них, помимо светильников, устанавливают камеры видеонаблюдения и датчики экологического состояния окружающей среды. Планируется устанавливать на таких столбах еще и станции зарядки.

Традиционный подход требует подводить отдельное электропитание к дополнительному оборудованию, установленному на опорах освещения, поскольку питание светильника днем отключается. Для того, чтобы к опоре подходила только одна линия электропитания, необходимо обеспечить размещение реле коммутации рядом со светильником. Подводить кабель связи, через который бы подавались сигналы управления, к каждому светильнику, невыгодно, проще завести еще один кабель электропитания для дополнительного оборудования. Но беспроводное управление позволяет решить данную проблему и подводить к опоре только один кабель электропитания, круглосуточно находящийся под напряжением.

Светодиодные светильники можно без проблем диммировать в широких пределах, добиваясь тем самым снижения энергопотребления и уменьшения световой нагрузки на окружающую среду. На улицах, где в данный момент интенсивность движения транспорта низкая, уровень освещенности можно уменьшить, а где высокая — следует повысить. Для этого нужно подавать управляющие сигналы на каждый светильник. И, опять-таки, именно беспроводные технологии позволяют сделать такой подход экономически выгодным.

Общие выводы по результатам испытаний

1. оборудование LoRaWAN надежно работает в радиусе 1 км от БС внутри зданий и до 5-6 км вне помещений если ее «правильно приготовить»;
2. отлично работает с устройствами, специально спроектированными под LoRaWAN, и плохо(медленно) работает в режиме прозрачного канала RS-485 из-за больших задержек в канале;
3. требует грамотной установки БС, впрочем как и любое оборудование радиосвязи. Правильное размещение БС и хорошая антенна — залог успеха;
4. заявленные 6-10 лет работы от батареи вполне достижимы при правильной настройке периодичности сбора данных.
5. технология идеально подходит для монтажа внутри квартир для учета ХВС и ГВС, а также ЭЭ, но там есть альтернатива в виде PLC