Технология LoRa

Сельское хозяйство, городское управление, логистика — у этих сфер очень большой потенциал для внедрения IoT. Использование IoT устройств в этих сферах помогает снизить издержки, улучшить управление бизнесом. Но Bluetooth и Wi-Fi имеют слишком маленький радиус связи, а мобильная связь и Wi-Fi потребляют слишком много энергии. Поэтому была придумана технология, лишенная этих недостатков. LoRa создана для передачи небольшого количества информации на большие расстояния, довольно редко и очень энергоэффективно.

LoRa (Long Range) – технология передачи данных на большие расстояния с минимальными затратами энергии. Энергоэффективность устройств с модулем передачи данных LoRa позволяет создавать конечные устройства, работающие 3, 5 и 10 лет, передавая данные до 20 км.

Работает это следующим образом. Базовая станция слушает эфир в заданном диапазоне частот. Когда она слышит запрос от какого-либо из устройств, то отвечает ему на частоте обращения. Ширина канала при этом составляет 125 кГц, максимальная скорость – чуть более 5 килобит/c. Этот стандарт Интернета вещей не создан для просмотра потокового видео. Его задача максимально быстро и гарантированно передать небольшое сообщение от датчика на базовую станцию.

Semtech – владелец технологии LoRa. И если LoRa — это технология и метод модуляции, то LoRaWAN – это открытый протокол для сетей, обеспечивающий взаимодействие физических устройств LоRа, и связывающий с сетевым оборудованием в IP сетях (интернет сетях).

LoRaWAN состоит из конечных устройств, будь то датчики влажности почвы, датчики заполненности мусорных баков, умные счетчики или любые другие устройства.

Можно не использовать протокол LoRaWan, если соединения уровня точка-точка будет являться достаточным в архитектуре системы, например, когда требуется развернуть локальную сеть предприятия.

Alliance LORA заключил соглашения с представителями радиочастотных регуляторов в разных странах об использовании частотного диапазона.

Классы устройств LoRa

Для решения различных задач и применений в сети LoRaWAN предусмотрено три класса конечных устройств:

Двунаправленные конечные устройства «класса А»
(Bi-directional end-devices, Class A). Конечные устройства «класса А» позволяют организовать двунаправленный обмен. Причем связь может инициировать только конечное устройство, после чего выделяются два временных окна, в течение которых ожидается ответ от сети. Интервал передачи планируется конечным устройством на основе собственных потребностей в связи с небольшими случайными временными флуктуациями (протокол типа ALOHA). Конечные устройства «класса А» применяются в приложениях, где передача данных от сети возможна только как ответная реакция на получения данных от конечного устройства и требуется максимальное время работы от автономного источника питания.

Двунаправленные конечные устройства «класса Б»
(Bi-directional end-devices, Class B) в дополнение к функциям устройств «класса А», открывают дополнительные окна приема по расписанию. Для того, чтобы открыть окно приема, конечное устройство синхронизируется по специальным сигналам от шлюза (по маякам – iBeacon). Это позволяет сети знать время, когда конечное устройство готово принимать данные.

Двунаправленные конечные устройства «класса С»
с максимальным приемным окном (Bi-directional end-devices, Class C). Конечные устройства «класса С» имеют почти непрерывно открытое окно приема. Приемное окно закрывается только на время передачи данных. Этот тип конечных устройств подходит для задач, когда необходимо получать большие объемы данных и не требуется длительная работа от автономного источника питания.

Безопасность в сетях LoRa

В сети LoRaWAN обеспечивается полная конфиденциальность данных при прохождении всех задействованных в цепочке устройств, при этом содержимое пакета доступно только отправителю (конечному устройству) и получателю (приложению), для которого оно предназначено. Сетевой сервер оперирует данными в зашифрованном виде, производит аутентификацию и проверяет целостность каждого пакета, но при этом не имеет доступа к полезной нагрузке, т.е. к информации от подключенных сенсоров (за исключением использования нерекомендуемых сценариев, в которых шифрование полезной нагрузки выполняет сетевой сервер с использованием ключа NwkSKey, а не сервер приложений; в дальнейшем данный сценарий не рассматривается).

В сети используются три вида ключей.

Ключ аутентификации приложения AppKey известен только конечному устройству и серверу приложений. В случае, если конечное устройство подключается к сети в режиме Over-The-Air-Activation (OTAA), ключ аутентификации приложения AppKey используется для вычисления сетевого ключа NwkSKey и ключа приложения AppSKey.
В случае, если конечное устройство подключается к сети в режиме Activation By Personalization (ABP), ключи NwkSKey и AppSKey предустановлены на конечном устройстве.
Ключ NwkSKey известен сетевому серверу и конечному устройству и используется для проверки целостности каждого сообщения, используя Message Integrity Code (MIC).
MIC вычисляется по алгоритму AES-CMAC, который аналогичен контрольной сумме, за исключением того, что он предотвращает умышленную подделку сообщений.
Ключ приложения AppSKey используется для шифрования полезной нагрузки, используя алгоритм AES-128, между конечным устройством и сервером приложений.

Какие решения можно строить на технологии LoRa

LoRa технология применяется для решений, где необходимо собирать данные о состоянии или отдавать управляющие команды на исполнение в заданный интервал времени.

Сегодня самое широкое применение LORA находит в управлении зданиями для считывания параметров метрических устройств: счетчики света, воды, газа.

В сельском хозяйстве — для сбора данных о почве, метеорологические данные.
В промышленности — для сбора и управления приборами и сенсорами.

Компания Merusoft разрабатывает решения для LoRa сетей

Мы разрабатываем конечные устройства, которые применяются на промышленных объектах, складах для мониторинга перемещения людей с целью охраны труда.

Например, устройство, совмещающее в себе:
— GPS трекер iBeacon для позиционирования внутри помещений,
— акселерометр,
— кнопку вызова,
— звуковой сигнал,
— датчик движения,
— беспроводную зарядку Qi.

С его помощью персонал предприятия на вредных производствах может быть проинформирован о приближении к опасным зонам.  Кроме этого, информация о перемещении сотрудника записывается на внутреннюю память и передается во время сеанса связи LORA.
Таким образом, на сервере хранится актуальная информация о перемещении сотрудников по территории завода, как на открытых, так и на закрытых площадках.

Отличительная особенность LORA tracker – довольно продолжительный срок службы без восполнения энергии (до 2 месяцев), по истечении которого устройство просто оставляется на проходной для подзарядки.

Для офисных помещений возможно применения в качестве визуальной навигации и информационных панелей для переговорных комнат, залов, кабинетов в бизнес центрах, поликлиниках. Тип дисплеев — цветные или монохромные с технологией E-ink. Такие мониторы не обладают touch screen, но работают от аккумулятора до 1 года. Их монтаж прост и осуществляет за считанные секунды.

Возможности LoRaTracking для бизнес центров:
— Настраиваемая частота оповещения;
— Датчик движения по акселерометру;
— Сохранение истории перемещения  сотрудников в открытых и закрытых зонах;
— Российский частотный диапазон RU.868
— Поиск сотрудников в офисах;
— Настраиваемый класс работы энергосбережения;
— Отчет для бизнес пользователей.

По состоянию на середину 2020 года LoRa со 105 млн. устройств — самая распространённая технология LPWAN. Решения LoRa применяются в электронике, в учете электроэнергии и водоснабжении, контроле окружающей среды, управлении подачей электроэнергии, прогнозной очистке помещений и так далее.

Компания Merusoft идёт в ногу со временем и располагает самыми передовыми технологиями, которые помогут прогрессивным владельцам, руководителям и бизнесменам занять лидирующие позиции в построении «умных» зданий, офисов и промышленных предприятий.