Dzięki rozwojowi technologii IoT (Internet rzeczy) zostały stworzone i rozwinęły się różne rodzaje komunikacji IoT, takie jak Wi-Fi, Bluetooth czy LoRa. Technologia LoRa (skrót od long range) to system komunikacji bezprzewodowej, który umożliwia przesyłanie niewielkich ilości danych na dużym obszarze. To technologia, która jest bardzo powszechna w branżach IIoT, zwłaszcza w zastosowaniach o dużym zasięgu i małej mocy. Jest to technologia o wysokiej czułości, którą można zidentyfikować nawet przy słabym sygnale, co pozwala na osiągnięcie znacznie większej odległości.
Technologia LoRa zyskuje coraz większą popularność. Jak podaje portal Statista, w 2023 roku liczba połączeń LoRa osiągnie 730 milionów, w porównaniu z 470 milionami w 2022 roku, co podkreśla znaczenie tego rozwiązania dla branży IoT w nadchodzącym roku.
„Urządzenia i sieci LoRa, takie jak LoRaWAN®, umożliwiają zastosowanie inteligentnych aplikacji IoT, które rozwiązują niektóre z największych wyzwań, przed jakimi stoi nasza planeta: zarządzanie energią, redukcja zasobów naturalnych, kontrola zanieczyszczeń, wydajność infrastruktury i zapobieganie katastrofom. Urządzenia LoRa firmy Semtech znalazły zastosowanie w inteligentnych miastach, domach i budynkach, społecznościach, pomiarach, łańcuchu dostaw i logistyce, rolnictwie i wielu innych sektorach. Poprzez setki milionów urządzeń podłączonych do sieci w ponad 100 krajach LoRa tworzy inteligentniejszą planetę”.
Semtech
Jak działa technologia LoRa?
LoRa to opracowana przez firmę Semtech technika modulacji bezprzewodowej, która wywodzi się z technologii rozpraszania widma CSS (ang. Chirp Spread Spectrum). Małe impulsy są wykorzystywane do kodowania informacji za pomocą fal radiowych. Modulowana transmisja LoRa może być odbierana w szerokim zakresie odległości i jest odporna na zakłócenia.
Urządzenia, które przesyłają małe ilości danych z niską prędkością bitową idealnie nadają się do zastosowania w technologii LoRa. W porównaniu z takimi technologiami jak Wi-Fi, Bluetooth czy ZigBee, dane mogą być przesyłane na większą odległość. Dlatego LoRa jest dobrym wyborem do zastosowania w czujnikach i siłownikach o niskim poborze mocy.
Do pracy w systemie LoRa nadają się nieobjęte licencją pasma subgigahercowe, takie jak 915 MHz, 868 MHz i 433 MHz. Aby osiągnąć szybsze prędkości przesyłu danych niż w przypadku pasm subgigahercowych, można pracować również na częstotliwości 2,4 GHz, co jednak odbywa się kosztem zasięgu. Częstotliwości te należą do ogólnoświatowych pasm ISM, które są wykorzystywane wyłącznie do zastosowań przemysłowych, naukowych i medycznych.
Z punktu widzenia sieci, LoRa tworzy jedynie metodę transportu bezprzewodowego w warstwie fizycznej, na przykład w postaci chipu nadajnika-odbiornika. Z powodu braku możliwości sterowania ruchem w celu gromadzenia danych i zarządzania urządzeniami końcowymi brakuje tu odpowiednich protokołów sieciowych. Dlatego właśnie LoRaWAN, znana również jako sieć WAN dalekiego zasięgu, ma tu zastosowanie.
Czym jest LoRaWAN?
Organizacja LoRa Alliance stworzyła i utrzymuje LoRaWAN, otwarty, chmurowy standard, który ułatwia komunikację urządzeń bezprzewodowych. LoRaWAN łączy sieci z technologią bezprzewodową LoRa i uzupełnia ją o funkcje bezpieczeństwa, takie jak uwierzytelnianie węzłów i szyfrowanie danych. Celem sieci jest bezprzewodowe łączenie przenośnych urządzeń elektronicznych z internetem w sieciach lokalnych, regionalnych i międzynarodowych.
Specyfikacja LoRaWAN to standard, który – co najważniejsze – umożliwia płynną integrację pomiędzy urządzeniami różnych producentów. Przyspieszenie adopcji technologii LoRa w sektorze IoT nastąpiło częściowo z tej właśnie przyczyny.
Jak podaje LoRa Alliance, na całym świecie działa 181 operatorów sieci LoRaWAN. Ponadto ABI Research twierdzi, że do 2026 roku LoRa będzie odpowiadać za ponad jedną czwartą połączeń sieci LPWA, co uczyniłoby ją dominującą niekomórkową technologią LPWA.
Jak działa sieć LoRaWAN?
Na architekturę LoRaWAN składają się cztery główne części:
- węzły końcowe,
- bramka,
- serwer sieciowy,
- serwer aplikacji.
Węzły końcowe
Węzły końcowe to urządzenia brzegowe, które często wyposażone są w czujniki do okresowego zbierania i monitorowania danych. Najczęściej są to mikrokontrolery o małej mocy, które mogą być używane w terenie przez wiele lat bez konieczności konserwacji i są wyposażone w nadajnik LoRa o małej mocy do przekazywania pakietów danych do bramki.
Bramki
Za połączenie między siecią a węzłami odpowiadają bramki LoRaWAN. Wykorzystują one koncentrator LoRa do zbierania danych z węzłów końcowych i przekazywania ich do serwera sieciowego w formie pakietów danych przez infrastrukturę sieci publicznej lub prywatnej.
Serwer sieciowy
Serwer chmurowy LoRa konsoliduje wszystkie dane otrzymane z bramek i przesyła je do serwera aplikacji. The Things Network jest doskonałym przykładem serwera sieciowego (TTN).
Serwer aplikacji
Serwer aplikacji może służyć do wizualnej lub analitycznej interpretacji danych. Dodatkowo istnieje możliwość włączenia punktów danych do platformy w celu podjęcia działania, takiego jak włączenie pomp wody deszczowej w zastosowaniach rolniczych lub otwarcie okien w szklarniach w celu utrzymania określonego poziomu wilgotności. Możliwe jest nawet skonfigurowanie funkcji powiadamiania o problemach.
Dlaczego inteligentne fabryki wymagają sieci LoRa?
Inteligentne fabryki stosują podejście oparte na danych do zarządzania swoimi obiektami, usprawniania procesów i wykrywania ewentualnych problemów. Odbywa się to za pomocą sieci połączonych maszyn, urządzeń i narzędzi komunikacyjnych. Technologie LoRa i LoRaWAN umożliwiają zwiększenie wydajności i produktywności inteligentnych fabryk dzięki dużemu zasięgowi i niskiemu zużyciu energii. Poniżej przedstawiamy kilka z wielu sposobów, w jakie LoRa może poprawić i usprawnić codzienne procesy pracy:
Monitorowanie zasobów i obiektów
Wykorzystanie danych telemetrycznych i geolokalizacyjnych w przemysłowym rozwiązaniu IoT daje jasny obraz funkcjonowania zasobów. W przypadku środowisk IT i technologii operacyjnych czujniki zwiększają możliwości uzyskania lepszego wglądu w przestrzenie fizyczne. Chcąc zwiększyć efektywność operacyjną, ograniczyć kradzieże i zoptymalizować logistykę, dane geolokalizacyjne można wykorzystać do śledzenia i monitorowania aktywów oraz ich lokalizacji.
Monitorowanie środowiska
Za pomocą czujników LoRaWan można mierzyć temperaturę i wilgotność, stan zamkniętych lub otwartych drzwi, poziom oświetlenia i stopień wykorzystania pomieszczeń. Prywatne dane są odzyskiwane za pomocą sieci LoRaWAN i dostarczane do systemu SCADA w celu wizualizacji i archiwizacji.
Automatyzacja fabryk
Podłączenie danych z sieci Modbus do prywatnej sieci LoRaWAN umożliwia pobieranie danych ze zdalnych aktywów za pomocą inteligentnych czujników, które mogą znajdować się w odległości wielu kilometrów, przez solidne przeszkody, takie jak budynki, ściany i inne stałe obiekty. Pozwala to wyeliminować ręczne metody odzyskiwania danych i kosztowne okablowanie, które często wprowadzają wady do systemów.
Inteligentne zarządzanie w przemyśle
Zastosowanie czujników pozwala na zdalne monitorowanie sprzętu i pojazdów w celu zarządzania zasobami. Dotyczy to monitorowania prądu elektrycznego, odczytów temperatury, wodomierzy, odwadniaczy stosowanych w ciężkim sprzęcie, takim jak wózki widłowe, ciężarówki, cysterny z olejem napędowym oraz koparki i betoniarki.
Monitorowanie poziomu CO2
Przy użyciu LoRaWAN i opartych na technologii LoRa czujników CO2 rozmieszczonych w budynkach biurowych i miejscach pracy, możliwe jest monitorowanie wentylacji, zapewnienie wystarczającej ilości naturalnego światła, zarządzanie poziomem hałasu i poprawa innych elementów wpływających na dobre samopoczucie pracowników.
Zalety zastosowania technologii LoRa w inteligentnych fabrykach
W każdej inteligentnej fabryce i inteligentnym zakładzie produkcyjnym konieczne jest ustalenie priorytetów. Dzięki temu można rozbudować system LoRa, aby sprostać wymaganiom różnych projektów, co niesie ze sobą następujące korzyści:
- zwiększenie efektywności operacyjnej;
- usprawnienie miejsca pracy;
- utrzymanie niskiej emisji dwutlenku węgla, co pozwala chronić środowisko;
- oszczędność kosztów i energii;
- rozpoznanie potencjalnych wad i zagrożeń;
- maksymalne wykorzystanie personelu i zasobów.
Zalety zastosowania sieci LoRaWAN w inteligentnych fabrykach
- duży zasięg transmisji;
- niski pobór mocy;
- niskie koszty;
- zdalna konfiguracja;
- bezprzewodowe gromadzenie danych bez potrzeby stosowania kabli;
- tolerancja na opóźnienia z sugerowanym interwałem raportowania.
Polecane produkty LoRa
Moduł bramki LoRaWAN Seeed Studio
Zestaw Arduino Edge Control Kit
Moduł komunikacyjny M5Stack LoRa
LoRa Tracker i płytka ewaluacyjna modułu GPS
Płytka rozwojowa SparkFun expLoRaBLE LoRa Thing Plus
Płytka Adafruit FeatherWing RadioFruit z radiem LoRa
Pytania i odpowiedzi
Technologie LoRa i Wi-Fi mają różne zastosowanie. Wi-Fi wysyła duże ilości danych szybko na niewielką odległość, natomiast LoRaWAN wysyła małe ilości danych kilka razy na godzinę lub dzień na odległość kilku kilometrów.
Jedynym kanałem komunikacyjnym, którego wymaga węzeł LoRaWAN jest sieć LoRaWAN. Bramka potrzebuje jednak usługi w chmurze, takiej jak TTN (The Things Network).
Transmisje LoRa są w stanie przeniknąć przez metal, beton i szkło, co daje tej technologii przewagę nad innymi metodami łączności, takimi jak Wi-Fi.
W terenie zabudowanym LoRa może osiągnąć zasięg do pięciu kilometrów i do szesnastu kilometrów na terenie wiejskim.
Duży zasięg i możliwość głębokiej penetracji sprawiają, że LoRa jest idealnym rozwiązaniem do zastosowań w inteligentnych podziemnych kopalniach.
