Póčítačové WAN siete pre IoT - LoRa WAN, Helium, TTN

23.9.2023 01:17 | Přečteno: 1010× | Hardware | poslední úprava: 23.9.2023 01:19

Ten, kto si doma vyvíja vlastný custom hardware, najmä na platformách STM32 a Espressif, istotne pozná tieto skratky z nadpisu. Najmä teda protokol LoRa WAN, určený na nízkoenergetický, nenáročný, prenos dát v prostredí Internetu vecí.
Príklady použitia:

• prenos dát zo senzorov (monitorovanie teploty, vlhkosti, tlaku, pohybu, polohy a iných parametrov v rôznych prostrediach)
• prenos dát do PC, databázy, na server / mainframe, do cloudovej služby
• prenos signálov na diaľkové ovládanie zariadení
• komunikácia medzi nimi, synchronizácia
• lokalizačné služby

LoRa WAN (Long Range WAN) je otvorený a decentralizovaný štandard, ktorý umožňuje používateľom vytvárať vlastné siete pre IoT, tieto môžu byť súkromné ale aj verejné resp. komunitné (ja zdielam toto, ty zase hento, všetci si vzájomne nezištne pomáhame). Kľúčovou súčasťou LoRa WAN siete je gateway prístupový bod, ktorý prijíma a odosiela správy medzi zariadeniami a pripája sa k centrálnej sieťovej službe, ako je napríklad The Things Network (TTN - nezisková komunitná sieť ktorú môžme bezplatne používať na nekomerčné účely) alebo Helium (Helium je LoRA WAN - sieť ktorá užívateľov za zdielanie odmeňuje kryptomenou Helium / HNT).

POZNÁMKA: Inými slovami, užívatelia Vám v sieti Helium platia za poskytovanie hardwarových prostriedkov na dátové prenosy, pričom cena za 1 GB je 0.50€. Vo všeobecnosti by sa dalo povedať že Helium je rozšírenejší v USA, TTN zase v EU. Ak vás zaujíma či je niektorá z týchto sieti dostupná aj u vás tak si pozrite mapy pokrytia, táto zobrazuje aj Helium aj TTN, ale je extrémne pomalá. Našiel som aj rýchlejšie, ale tie zobrazujú vždy iba jednu sieť.

Takýchto sietí existuje viac, či už komerčných alebo neziskových. A prečo sa používajú? Aj keď hociktorý bežne dostupný mikrokontrolér za 10€ (napr. ESP32) dnes už obsahuje plnohodnotný WiFi (prípadne ethernetový či GSM) modul, nie vždy máme k dispozícii dostatok energie, alebo LAN či WiFi sieť.

A tak uzreli svetlo sveta takéto nenáročné LPWAN (Low Power Wide Area Network) siete, ktoré dokážu prenášať dáta na veľké vzdialenosti pri oveľa menších nárokoch na spotrebu a kvalitu signálu, ale žial aj šírke frekvenčného pásma. A nižšia šírka pásma znamená, že sa nám do pásma zmestí menej jedotiek aj núl (to znamená menej prenesených dát, odborne povedané máme menší dátový tok).

No svet IoT má aj iné špecifiká. Môže sa stať, že naše zariadenie napájajú 2 tužkové batérie, ktoré nám majú vydržať rok, alebo solárny panel, čiže tam už treba šetriť každú Watthodinu. Preto môžme naše zariadenie prepnúť do pohotovostného režimu s vypnutým WiFi modulom, často aj spomalenými jadrami MCU, a nechať ho čakať na signál, ktorý nám zapne spomínaný WiFi modul až krátko pred prenosom väčšieho množstva údajov. Pri LoRa samozrejme funguje obojsmerná komunikácia (duplex).

Aké sú ale nevýhody LPWAN? Maximálny dátový tok pri LoRa je do 50 kbps (pri FSK modulácii, v praxi pri inej bežnej modulácii, napr. Chirp Spread Spectrum (CSS), ktorá rozptyľuje informácie v čase a tým zlepšuje kvalitu prenosu na väčšiu vzdialenosť, je to ešte menej, 0 - 5 kbps), takže sa vraciame do čias lovenia mamutov a internetového praveku… Určite nemôžete očakávať, že cez LoRa WAN budete zadarmo streamovať NETFLIX, alebo hrať online AAA hry. Ale to vôbec nevadí, nakoľko pri IoT nás zaujímajú úplne iné parametre.

LoRaWAN a tí druhí.

LoRa WAN, NB-IoT a Sigfox sú tri konkurenčné technológie LPWAN, ktoré sa používajú pre rôzne IoT aplikácie. Každá z nich má svoje výhody a nevýhody, v závislosti od použitého prípadu. Nasledujúce body zhrňujú niektoré z hlavných rozdielov medzi nimi.

LoRa WAN je otvorený a decentralizovaný štandard, ktorý používa moduláciu LoRa a protokol LoRa WAN. LoRa WAN umožňuje používateľom vytvárať vlastné siete, ktoré môžu byť komunitné, súkromné alebo verejné. LoRa WAN podporuje rôzne frekvenčné pásma, ktoré sa líšia podľa regiónu. LoRa WAN má vysokú odolnosť voči rušeniu, dlhý dosah (až 15 km) a nízku spotrebu energie. LoRa WAN je vhodný pre aplikácie, ktoré potrebujú poslať alebo prijať malé množstvo dát občas, ako napríklad monitorovanie teploty, vlhkosti, tlaku, pohybu, polohy a podobne.

NB-IoT je uzavretý a centralizovaný štandard, ktorý používa moduláciu NB-IoT a protokol NB-IoT. NB-IoT je založený na LTE a je podporovaný veľkými mobilnými operátormi, sieťovými dodávateľmi a výrobcami čipov. NB-IoT používa licencované spektrum, ktoré je vyhradené pre mobilné služby. NB-IoT má vysokú kvalitu služby, nízku latenciu a dobrú penetráciu do budov. NB-IoT je vhodný pre aplikácie, ktoré potrebujú spoľahlivú a bezpečnú konektivitu, ako napríklad meranie spotreby vody, plynu alebo elektriny, diaľkové ovládanie zariadení, sledovanie majetku a podobne.

Sigfox je uzavretá a centralizovaná technológia, ktorá používa moduláciu UNB (Ultra Narrow Band) a protokol Sigfox. Sigfox je poskytovaný spoločnosťou Sigfox, ktorá vlastní a prevádzkuje globálnu sieť. Sigfox používa nepovolené spektrum ISM, ktoré je zdieľané s inými bezdrôtovými technológiami. Sigfox má nízku spotrebu energie, dlhý dosah (až 50 km) a nízku cenu. Sigfox je vhodný pre aplikácie, ktoré potrebujú poslať veľmi malé množstvo dát veľmi zriedka, ako napríklad alarmy, upozornenia, senzory stavu a podobne.

ESP32 - edícia podporujúca LoRa WAN sieť, podobné mašinky dajú kúpiť za pár € na amazone, ali alebo bangood

Technológia	Modulácie	Protokol	Spektrum	Dosah	Spotreba	Cena	Dátová rýchlosť	Penetrácia
LoRaWAN	LoRa, FSK, CSS GFSK, OOK, BPSK QPSK	LoRaWAN	ISM	Až 15 km	Nízka	Od 50 €	Až 50 kbps	Stredná
NB-IoT	NB-IoT, OFDM, QPSK BPSK, 16QAM, 64QAM	NB-IoT	LTE	Až 10 km	Stredná	Od 100 €	Až 250 kbps	Vysoká
Sigfox	UNB, DBPSK, GFSK	Sigfox	ISM	Až 50 km	Nízka	Od 10 €	Až 100 bps	Nízka
WiFi	OFDM, DSSS, FHSS CCK, QPSK, BPSK 16QAM, 64QAM 256QAM, 1024QAM	TCP/IP	ISM	Až 100 m	Vysoká	Od 20 €	Až 10 Gbps	Nízka

LoRa WAN gateway

       

Komentáře

[Max]

Bude seriál? To, co jsi psal, jsem si studoval ohledně velmi specifických senzorů a nakonec jsem skončil na návrhu přes LTE jako jediném reálném.
Je super mít komunitní LoraWAN, ale co z toho? Doma to člověk nevyužije, tam udělá lepší službu wifi. LoraWAN tedy tak pro chytrá města? Každopádně všechno je problém, pokud máte sensor, co se pohybuje, a navíc mezi státy. To je pak konečná a člověk skončí na prostém LTE/GSM.
Zdar Max

[Max]

Jinak samo, že to mám zúženo pohledem ČR, kde je husté osídlení a všude něco. V jiných státech, kde jsou území nikoho s tragickým GSM i napájením, to asi smysl bude mít větší.
Zdar Max

[TechnikTom]

" pokud máte sensor, co se pohybuje, a navíc mezi státy. To je pak konečná a člověk skončí na prostém LTE/GSM."

A co třeba taková komunitní The Things Network?

Je například takový pico baloon ( párty balonek s užitečnou zátěží pár gramů ), co 7x obletí zeměkouli ( než ho pak nad Kanadou sundá F-22 ) dostatečně se pohybující mezi státy?

( I když, popravdě řečeno, zrovna ten používal jiné rádio, ale jiní používají právě LoRa moduly a nad Evropou nemají problém)

[Max]

Já to řešil u pozemní dopravy s požadavkem aktuálních dat v nějakých docela krátkých intervalech (bez možnosti externího napájení) napříč několika státy. Ale řešil jsem to zatím jen na papíře, protože zadavatel není schopný žádný projekt dotáhnout a vše vždy nakonec usne.
Zdar Max

[Frantik]

Sigfox zkrachoval.