Twitter con cuidado en el mundo de LoRaWAN

Si bien las comunicaciones inalámbricas son definitivamente útiles en los proyectos, los protocolos inalámbricos comunes como WiFi y Bluetooth se eliminan después de unos pocos metros, lo que es molesto cuando su proyecto se configura en medio de la nada. Cambiar a una solución móvil basada en LTE o similar puede ayudar con el alcance, pero esto no ayuda cuando hay poca cobertura celular y tiende a usar más energía. Afortunadamente, para las redes de área amplia (LPWAN) de baja tasa de bits y baja potencia, como las redes de sensores, existe una solución común en forma de LoRaWAN, como en una red de área amplia (WAN) de larga distancia.

La técnica de modulación patentada LoRa RF que subyace a LoRaWAN se basa en Chirp Spread Spectrum (CSS). Esta técnica de modulación es muy resistente al ruido del canal y al desvanecimiento, así como a la conmutación Doppler, lo que le permite transmitir utilizando una potencia relativamente baja a largas distancias. LoRaWAN se basa en la capa física proporcionada por LoRa para luego crear el protocolo que los dispositivos pueden usar para comunicarse con otros dispositivos LoRa.

Cortesía de proveedores globales de software y puerta de enlace LoRaWAN como Las industrias de las cosas y Hable acerca de frotar sal en mis heridas - d'oh!Incluso, como aficionado, es posible configurar una red de sensores alimentados por LoRaWAN a un costo mínimo. Echemos un vistazo a lo que implica exactamente configurar dispositivos LoRaWAN y qué posibles alternativas a LoRaWAN podrían considerarse.

Sin almuerzo RF gratis

Cuando se trata de elegir el protocolo de comunicación inalámbrico correcto para un proyecto, es esencial recordar que uno puede elegir cualquiera de los dos siguientes: alto ancho de banda, larga distancia y larga duración de la batería. Esto muestra, por ejemplo, cuán asombrosamente rápido el teléfono inteligente agota su batería cuando expande las transferencias de gigabytes a través de 5G mmWave, mientras que Zigbee administra unos escasos 250 kbps, pero puede funcionar durante meses en un teléfono celular o para siempre usando el almacenamiento de energía. .

Comparación de difusión de LoRa (Crédito: Sakshama Ghoslya)

LoRaWAN tiene el mejor rendimiento de datos (Adelantado et al., 2017) de unas pocas decenas de kilobits por segundo, dependiendo del factor de propagación (SF). Aquí, el SF es básicamente la proporción de qué tan rápido se envía la señal transmitida: un SF más alto (hasta 12) significa una transmisión más lenta y, por lo tanto, un ancho de banda más bajo (

LoRaWAN admite bits de paridad, como cada quinto bit, y los puntos finales de LoRaWAN generalmente esperan el reconocimiento de la puerta de enlace para poder retransmitir en caso de tiempo de espera. Aun así, según el entorno, los mensajes pueden perderse debido a interferencias, obstrucciones y lemas que compiten entre sí al enviar datos.

LoRa logra su rendimiento de largo alcance como se mencionó utilizando CSS, que es una forma de señalización espectral difusa pero diferente del salto de frecuencia (FHSS) o el espectro de propagación de secuencia directa (DSSS), el último de los cuales es la base de Zigbee y algunas formas de WiFi. (IEEE 802.11). Donde CSS difiere es que no usa ninguna codificación especial, usa una amplitud constante pero modula en el dominio de la frecuencia.

Por lo tanto, la señalización LoRa puede identificarse como "chips" en el espectro de RF, es decir, un aumento de la frecuencia ("up-chirrido") o una disminución ("down-chip") dentro de una determinada banda, ya sea 125 kHz o 500 kHz. Estos se pueden usar para crear símbolos, que luego se usan para codificar cuadros LoRa, como en la imagen a continuación.

Secuencia de comunicación de LoRa, que muestra los símbolos de chirrido separados hacia arriba y hacia abajo. (Crédito: Sakshama Ghoslya)

En esta secuencia, vemos 8 símbolos de chirrido ascendente de preámbulo que identifican el comienzo de un cuadro LoRa, seguidos de dos símbolos de sincronización de chirrido descendente. Estos son seguidos por el mensaje de carga. La duración exacta de cada símbolo depende del SF seleccionado.

Agregar el área amplia

Como se mencionó anteriormente, LoRaWAN se basa en las puertas de enlace para actuar como interfaz entre los dispositivos habilitados para LoRa y la Internet más amplia, traduciéndose de LoRa a un protocolo basado en IP y viceversa. La compañía detrás de LoRa (Semtech) cubre los detalles detrás de esto en su documentación. Esto incluye el aspecto de seguridad de la transmisión de datos a través de LoRaWAN. Suponiendo que los dispositivos finales estén configurados con claves de seguridad, todo el tráfico entre el dispositivo final y el servidor se puede autenticar y cifrar por completo.

Diseño básico de LoRaWAN. (Crédito: Semtech)

Otro aspecto importante con los dispositivos finales de LoRaWAN es el de las clases de dispositivos. Aquí hay tres clases separadas que dependen en gran medida de su presupuesto de energía:

  • clase A: estos son dispositivos que a veces se despiertan para comunicarse con un servidor, transmitir algunos datos, etc. Eso podría ser, p. nodo sensor.
  • clase B: dispositivos que interactúan con un servidor a intervalos fijos, lo que también le permite responder a las solicitudes.
  • clase C: en esta categoría, el dispositivo está siempre encendido y siempre comunicándose.
  • Solo conéctalo

    Placa de desarrollo ST B-L072Z-LRWAN1 LoRaWAN / Sigfox.

    En este punto, deberíamos tener una idea clara de lo que implica la tecnología detrás de LoRaWAN y lo que se necesita para configurar LoRaWAN. Esto plantea la pregunta de dónde exactamente obtendríamos la entrada y el otro hardware necesario. Suponiendo que no tengamos la intención de establecer una operación comercial aquí, todavía nos quedan algunas opciones simples para comenzar.

    Básicamente, el camino a seguir es comprar algunos módulos no preparados para conectarse a la plataforma de sensor o computadora elegida y también crear su propia puerta de enlace, o crear una cuenta con uno de los LoRaWAN abiertos activos en la región de destino.

    Escribir un 'módulo LoRaWAN' aquí en su motor de búsqueda le permite elegir entre Semtech SX1301 y las ofertas de Murata o una de las docenas de alternativas disponibles como un IC para integrar en su propio diseño de hardware, como un módulo de complemento o como. placa de desarrollo total (por ejemplo, basada en STM32L0). Cuál es la mejor opción dependerá en gran medida de la clase de aparato y de si está destinado a ser un aparato terminal o una entrada.

    Con eso resuelto, la pregunta principal es probablemente si debe ejecutar su propia puerta de enlace o no. Si es así, ThingSpeak (basado en Ruby, GitHub) y The Things Stack de The Things Industries son dos opciones populares. Si ese no es su problema, o si no es factible configurar entradas en el área donde pretende implementar los dispositivos finales, registrarse para usar la red ThingSpeak o The Things Network es una opción. Esto también viene con paneles de Internet, lo que elimina la necesidad de cualquier hardware de servidor alojado localmente.

    No es el único juego en la ciudad

    Por supuesto, LoRaWAN no es la única opción aquí. Otra opción común de LPWAN es Sigfox, aunque su alcance entre los aficionados es algo limitado en este momento. DASH7 es un interesante protocolo de código abierto que funciona igual que LoRaWAN en bandas sin licencia. Semtech mismo parece ver a DASH7 como un complemento de LoRaWAN, con velocidades de datos más altas de DASH7 que lo hacen más aplicable a ciertos escenarios. Curiosamente, Semtech señala que los dispositivos híbridos LoRaWAN y DASH7 ya se han implementado.

    La idea detrás de esto es que, a veces, DASH7 es más eficiente de usar porque puede completar una transacción más rápido con su mayor ancho de banda, mientras que otras veces LoRaWAN termina siendo más eficiente energéticamente. Este es un aspecto que a menudo se puede pasar por alto en las comparaciones entre estas diferentes tecnologías LPWAN.

    Por su parte, Wael Ayoub et al. (2018) identifica a LoRaWAN, DASH7 y NB-IoT como los tres estándares principales de LPWAN. NB-IoT (IoT de banda estrecha) fue desarrollado por 3GPP, y la primera especificación se congeló en 2016. A diferencia de los otros dos estándares, NB-IoT utiliza un espectro aprobado. Tanto NB-IoT como LoRaWAN tienen un rango similar, aunque NB-IoT tiene la ventaja de operar en un espectro aprobado, lo que significa quizás menos interferencia de los innumerables dispositivos de consumo que también operan en esas bandas.

    envolvente

    Claramente, hay opciones más que suficientes para que las comunicaciones inalámbricas satisfagan una amplia gama de necesidades y requisitos. Por ahora, parecería que LoRaWAN es la elección obvia de LPWAN tanto para los aficionados como para las implementaciones de pequeñas empresas, pero DASH7 podría tener sentido si necesita más ancho de banda.

    La mejor parte de todo esto es probablemente lo fácil que es, incluso para aquellos con un presupuesto modesto, comenzar con proyectos divertidos que implican dejar dispositivos sensores y actuadores alrededor de un área amplia, lo que permite opciones emocionantes como la automatización y el monitoreo de granjas. Será difícil decir cómo evolucionarán las cosas aquí en los próximos años, pero con lo imparable que parece ser LPWAN como parte de la ola de IoT, está claro que las opciones aumentarán en lugar de disminuir.

América Aguilar
América Aguilar

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