Kai kalbama apie daiktų internetą (IoT), dažniausiai įsivaizduojame išmaniuosius namus, kur viskas prijungta prie Wi-Fi ir veikia iš elektros lizdo. Bet realiame pasaulyje – žemės ūkyje, miestų infrastruktūroje, pramonėje – dauguma jutiklių stovi vietose, kur nėra nei elektros, nei stabilaus interneto. Būtent čia į sceną žengia LoRaWAN – technologija, kuri per pastarąjį dešimtmetį tapo vienu populiariausių sprendimų mažos galios plataus nuotolio tinklams (LPWAN). Pabandykime išsiaiškinti, kas tai iš tikrųjų yra, kaip tai veikia ir kodėl inžinieriai taip mėgsta šią technologiją, nepaisant jos ribotos duomenų perdavimo spartos.
LoRa ir LoRaWAN – ne tas pats
Pirmiausia reikia išsklaidyti painiavą, kuri kyla beveik kiekvienam, pradedančiam domėtis šia tema. LoRa (Long Range) yra fizinio lygmens moduliacijos technika, sukurta bendrovės Semtech. Tai tiesiog būdas užkoduoti radijo signalą taip, kad jis galėtų keliauti dešimtis kilometrų, net esant labai mažai siunčiamo signalo galiai. LoRaWAN savo ruožtu yra protokolas, veikiantis virš tos moduliacijos – jis apibrėžia, kaip įrenginiai bendrauja su tinklu, kaip valdomas prieigos taškas (gateway), kaip organizuojamas saugumas ir duomenų maršrutizavimas.
Kitaip tariant, LoRa – tai kalba, o LoRaWAN – gramatikos ir sintaksės taisyklės, kurios leidžia tūkstančiams įrenginių kalbėti ta pačia kalba nesusipainiojant. Galima naudoti LoRa moduliaciją be LoRaWAN protokolo (tokiu atveju kuriamas savas, uždaras protokolas), bet dauguma komercinių sprendimų renkasi standartizuotą LoRaWAN, nes tai leidžia naudoti jau paruoštus modulius, debesijos platformas ir suderinamumą tarp skirtingų gamintojų įrangos.
Kaip sudėliota tinklo architektūra
LoRaWAN tinklas veikia žvaigždės topologija (star-of-stars). Tai reiškia, kad galiniai įrenginiai (jutikliai, skaitikliai, sekliai) siunčia duomenis ne per kaimyninius mazgus, kaip Zigbee ar Bluetooth mesh tinkluose, o tiesiai į prieigos taškus, vadinamus gateways. Vienas gateway gali „girdėti” tūkstančius įrenginių, esančių keliolikos kilometrų spinduliu (kaimiškoje vietovėje – iki 15 km, mieste, kur daug kliūčių, dažniau 2–5 km).
Gateway savo ruožtu tiesiog persiunčia gautus paketus į tinklo serverį (network server), dažniausiai per įprastą interneto ryšį – 4G, Ethernet ar Wi-Fi. Tinklo serveris atlieka visą sunkų darbą: filtruoja dublikatus (nes tas pats paketas gali būti sugautas kelių gateway vienu metu), tvarko saugumo raktus, valdo duomenų greičio (data rate) adaptaciją ir galiausiai persiunčia sutvarkytus duomenis į programų serverį, kur juos jau apdoroja konkreti verslo logika.
Svarbu paminėti, kad architektūra sąmoningai asimetrinė – įrenginys nežino, kiek gateway jį girdi, jis tiesiog transliuoja signalą į erdvę. Tai supaprastina galinio įrenginio dizainą ir leidžia jam sunaudoti minimaliai energijos, nes nereikia palaikyti sudėtingo tinklo maršrutizavimo logikos.
Trys įrenginių klasės
LoRaWAN specifikacija numato tris skirtingas įrenginių klases, kurios lemia, kaip greitai įrenginys gali reaguoti į serverio siunčiamas komandas:
- A klasė – energetiškai efektyviausia. Įrenginys siunčia duomenis, kada nori, o po siuntimo trumpam atidaro du priėmimo langus, per kuriuos gali gauti atsakymą. Didžiausią laiko dalį modulis tiesiog miega.
- B klasė – prideda suplanuotus priėmimo langus, sinchronizuotus pagal gateway siunčiamus švyturėlius (beacon). Leidžia gauti komandas iš tinklo nelaukiant, kol įrenginys pats prisijungs, bet reikalauja daugiau energijos.
- C klasė – įrenginys beveik nuolat klauso tinklo, todėl gali gauti komandas beveik akimirksniu. Tai naudinga, pavyzdžiui, gatvių apšvietimo valdymui, bet baterijos gyvavimas čia jau nebeaktualus – tokie įrenginiai dažniausiai maitinami iš elektros tinklo.
Kodėl tai veikia taip ilgai iš vienos baterijos
Vienas įdomiausių LoRaWAN aspektų – įrenginiai gali veikti nuo vienos AA ar pusiau-C dydžio baterijos net 5–10 metų. Tai nėra magija, o keleto sprendimų kombinacija. Pirma, žvaigždės topologija reiškia, kad nereikia palaikyti „pabudimo” ryšio su kaimynais – nėra mesh tinklo, kur kiekvienas mazgas retransliuoja kitų duomenis. Antra, duomenų siuntimo dažnis dažniausiai labai mažas – jutiklis, matuojantis, pavyzdžiui, vandens skaitiklio rodmenis, gali siųsti duomenis kartą per valandą ar net rečiau.
Trečias, ir gal svarbiausias, faktorius yra pats radijo modulis, kuris didžiąją laiko dalį praleidžia giliame miego režime, sunaudodamas mikroamperus, o „pabunda” tik siuntimo/priėmimo metu, kai srovė šoktelėja iki dešimčių miliamperų vos kelioms sekundėms. Adaptyvus duomenų greitis (Adaptive Data Rate, ADR) taip pat prisideda – tinklo serveris analizuoja signalo kokybę ir automatiškai parenka optimalų greitį bei galią kiekvienam įrenginiui, kad jis nesunaudotų daugiau energijos, nei būtinai reikia ryšio patikimumui užtikrinti.
Praktiškai tai reiškia, kad diegiant sensorius reikia iš anksto gerai apgalvoti, kaip dažnai realiai reikia duomenų. Daugelis projektų klysta, nustatydami per dažną siuntimą „tik dėl viso pikto”, ir po metų nustemba, kodėl baterija išseko keturis kartus greičiau nei planuota.
Dažniai, licencijavimas ir regioninės keistenybės
LoRaWAN naudoja nelicencijuotus ISM (Industrial, Scientific, Medical) dažnių ruožus, kurie skiriasi priklausomai nuo regiono. Europoje tai 863–870 MHz juosta, JAV – 902–928 MHz, Azijoje dažniai dar skirtingesni. Tai reiškia, kad įrenginys, nusipirktas Europos rinkai, tiesiog neveiks JAV tinkle – ne dėl protokolo skirtumų, o dėl fizinio radijo dažnio neatitikimo.
Kadangi dažniai nelicencijuoti, Europoje galioja griežti apribojimai dėl darbo ciklo (duty cycle) – įrenginys tam tikruose subdažniuose gali transliuoti tik ribotą procentą laiko (dažniausiai 1%). Tai iš pirmo žvilgsnio atrodo kaip trūkumas, bet realiai tai puikiai dera su pačia LoRaWAN filosofija – juk ir taip siunčiame retai ir trumpai.
Kur tai realiai pritaikoma
Teorija gerai, bet įdomiausia – kur šita technologija iš tikrųjų dirba. Žemės ūkyje LoRaWAN naudojamas dirvožemio drėgmės, temperatūros, gyvulių sekimo jutikliams – ūkiuose, kur lauko plotai matuojami hektarais, o mobiliojo ryšio signalas dažnai silpnas ar jo visai nėra. Miestuose – tai išmaniojo apšvietimo valdymas, atliekų konteinerių užpildymo lygio stebėjimas, automobilių stovėjimo vietų aptikimas.
Komunalinių paslaugų sektoriuje LoRaWAN tapo beveik standartu nuotoliniam vandens, dujų ir elektros skaitiklių nuskaitymui – tai vadinama AMR/AMI sistemomis. Vietoj to, kad darbuotojas kas mėnesį eitų per rūsius ir fiksuotų skaitliukų rodmenis, duomenys automatiškai atkeliauja į centrinę sistemą. Pramonėje jutikliai stebi mašinų vibraciją, temperatūrą, sandėlių sąlygas – visur, kur reikia daug taškų su retais matavimais, o ne vieno super tikslaus, bet brangaus jutiklio.
Verta paminėti ir logistikos sritį – konteinerių ir pakuočių sekimas, ypač derinant su GPS ar geofencing sprendimais, nors čia LoRaWAN kartais konkuruoja su NB-IoT dėl mobilumo poreikių, apie kuriuos plačiau žemiau.
LoRaWAN prieš NB-IoT ir kitas alternatyvas
Neteisinga būtų kalbėti apie LoRaWAN neigiant, kad rinkoje yra ir kitų LPWAN sprendimų. NB-IoT (Narrowband IoT) ir LTE-M veikia licencijuotuose mobiliojo ryšio dažniuose, todėl reikalauja SIM kortelės ir mokesčio operatoriui, bet užtat garantuoja platesnę aprėptį ten, kur jau yra mobiliojo ryšio infrastruktūra, ir geriau tinka mobiliems objektams, nes perjungimas tarp bazinių stočių (handover) sprendžiamas panašiai kaip įprastam telefonui.
LoRaWAN privalumas – nepriklausomybė nuo mobiliojo operatoriaus. Galima pasistatyti savo gateway, ir tinklas veiks visiškai autonomiškai, be jokių mėnesinių mokesčių už duomenų perdavimą (nebent naudojama viešojo tinklo, pvz., The Things Network, infrastruktūra arba komercinio operatoriaus paslauga). Tai ypač patrauklu privačioms teritorijoms – uostams, gamykloms, kasykloms, kur svarbu turėti pilną kontrolę ir nepriklausyti nuo trečiosios šalies tinklo veikimo.
Ką reikia žinoti prieš pradedant diegimą
Jei planuojate savo LoRaWAN projektą, keletas praktinių dalykų, kuriuos verta apsvarstyti dar prieš perkant įrangą:
- Gateway vieta lemia viską. Kuo aukščiau ir atviresnėje vietoje pastatytas prieigos taškas, tuo didesnė aprėptis. Miesto sąlygomis geriausia rinktis stogus, bokštus ar aukštus pastatus, o ne pirmo aukšto langą.
- Testuokite signalo kokybę realiomis sąlygomis. Simuliacijos ir teoriniai skaičiavimai retai atspindi tikrovę – betoninės sienos, metaliniai konstrukcijos elementai ar tiesiog lietingas oras gali smarkiai sumažinti pasiekiamą atstumą.
- Pasirinkite tinkamą tinklo serverio sprendimą. Yra atviro kodo variantai (pvz., ChirpStack), viešieji tinklai (The Things Network) ir komerciniai debesijos sprendimai (AWS IoT Core for LoRaWAN, Actility). Pasirinkimas priklauso nuo to, ar norite pilnos kontrolės, ar greito paleidimo be savo infrastruktūros priežiūros.
- Neapkraukite tinklo per daug duomenų. LoRaWAN paketai maži – dažniausiai iki 51–222 baitų priklausomai nuo duomenų greičio. Projektuodami duomenų formatą, naudokite kompaktišką binarinį koduotę, o ne JSON tekstą, kuris tiesiog nesutilps arba pareikalaus daugiau siuntimų.
- Nepamirškite saugumo nuo pat pradžių. LoRaWAN naudoja AES-128 šifravimą su dviem atskirais raktais – tinklo sesijos ir programos sesijos. Svarbu, kad šie raktai būtų saugiai generuojami ir saugomi, o ne užkoduoti kaip numatytoji reikšmė gamintojo firmware’e.
Kai baterija svarbiau nei greitis: kodėl verta į tai žiūrėti rimtai
LoRaWAN nėra sprendimas viskam – jei reikia vaizdo srauto perdavimo ar realaus laiko valdymo, ši technologija tiesiog netiks dėl savo ribotos pralaidos (paprastai nuo kelių šimtų bps iki maždaug 50 kbps). Bet ten, kur reikia surinkti nedidelį kiekį duomenų iš tūkstančių taškų, išsibarsčiusių dideliame plote, retai ir ilgą laiką be žmogaus įsikišimo – ši technologija tiesiog neturi rimtos konkurencijos savo kainos ir energijos efektyvumo santykiu.
Prieš pradedant bet kokį projektą, verta atsakyti sau į kelis paprastus klausimus: kiek dažnai iš tikrųjų reikia duomenų, kokia teritorija turi būti padengta, ar reikalinga dvipusė komunikacija su įrenginiu, ir ar esate pasiruošę pastatyti bei prižiūrėti savo gateway infrastruktūrą, ar geriau prisijungti prie jau veikiančio viešojo tinklo. Atsakymai į šiuos klausimus dažnai iškart parodo, ar LoRaWAN yra jūsų atvejo sprendimas, ar verta žvalgytis kitos technologijos link.
Galiausiai, didžiausia LoRaWAN vertė slypi ne technologijos sudėtingume, o priešingai – jos paprastume ir atkaklume veikti ten, kur kitos technologijos pasiduoda. Baterija, kuri tarnauja dešimtmetį, signalas, keliaujantis per laukus be jokio mobiliojo ryšio bokšto, ir tinklas, kurį galite pasistatyti patys už palyginti nedidelius pinigus – tai ne mažas dalykas pasaulyje, kur dažniausiai viskas linkę reikalauti daugiau energijos, daugiau pralaidumo ir daugiau mokesčių. Kartais mažiau tikrai reiškia daugiau, ir LoRaWAN tai puikiai įrodo kiekvieną kartą, kai kažkur lauke, po lietumi, mažas jutiklis tyliai nusiunčia savo matavimą ir vėl užmiega dar valandai.
