V dobe Internet of Things (IoT) je výber správnej technológie na bezdrôtový spôsob komunikácie prvoradý.

Ak zariadenia potrebujú odosielať malé množstvo dát na veľké vzdialenosti s dôrazom na nízku spotrebu, tak je najlepšou voľbou sieť LPWAN (Low-Power Wide-Area Network), ktorá poskytuje využitie rôznych druhov technológií.

Z tých najvyužívanejších môžeme spomenúť LoRaWAN, Sigfox a LTE-M.

Jedna brána na milióny uzlov

LoRa Alliance bola navrhnutá tak, aby normalizovala LPWAN pre IoT. Technológia LoRa a protokol LoRaWAN umožňujú vytvorenie inteligentných aplikácii IoT, ktoré riešia niektoré z najväčších výziev, ktorým naša planéta čelí: znižovanie prírodných zdrojov, kontrola znečistenia, prevencia katastrof a podobne.

Technológia LoRa je navrhnutá pre konektivitu na veľké vzdialenosti a nízku spotrebu energie. LoRa je skratka pre Long Range Radio a je zameraná hlavne na internet vecí (IoT). Táto technológia umožňuje viacerým užívateľom v súkromných alebo verejných sieťach pripojiť niekoľko aplikácii spustených v tej istej sieti.

Každá brána LoRa je schopná spracovať až milióny uzlov. Signály môžu prekonať značnú vzdialenosť, čo znamená, že je potrebná menšia štruktúra, výstavba siete je rýchlejšia a jej implementácia je oveľa lacnejšia.

Obsahuje algoritmus, ktorý pomáha využiť kapacitu siete a životnosť batérie. Protokol LoRa obsahuje množstvo rôznych vylepšení ako je zabezpečenie komunikácie na úrovni aplikácií a zariadení alebo šifrovanie v sieti.

Zašifrované dáta v obálke

Protokol LoRaWAN je určený na energeticky efektívny bezdrôtový prenos malého množstva dát nazývaných payload (typicky niekoľko bajtov) na dlhé vzdialenosti medzi prepojenými objektmi.

Payload je zabalený do „obálky“ (napr. ako pole v JSON správe alebo v CSV súbore) a po odoslaní dekódovaný (používa sa napr. Base64 kódovanie) a spracovaný na strane serveru.

Ako jeden z mála IoT protokolov implementuje end-to-end šifrovanie pre odosielanie správy z koncového zariadenia. Zabezpečuje obojsmernú komunikáciu a využíva pásmo do 1GHz a rýchlosť prenosu je od 0.3 kb/s do 50 kb/s. Komunikácia medzi koncovými prvkami a bránami je rozložená na rôzne frekvenčné pásma a prenosové rýchlosti.

Veľké vzdialenosti, nízka spotreba

Cieľom tejto technológie je prenášať malé množstvo údajov iba v určitých intervaloch, napríklad niekoľkokrát denne s cieľom minimalizovať spotrebu na strane vysielača.

Takýto koncept je navrhnutý predovšetkým pre využitie v IoT zariadeniach pre zber dát. Napríklad ak snímač teploty pôdy pošle údaje iba raz za niekoľko hodín, tak je schopný odovzdať dáta a fungovať aj s malou batériou celý rok. To platí aj v prípade, že hovoríme o zastavanom prostredí a vzdialenosti až niekoľkých kilometrov.

Dlhý prenos a odolnosť voči rušeniu je zabezpečená pomocou metódy prenosu Spread Spectrum, teda rozprestretého spektra. Bezpečnosť takéhoto prenosu je možné zabezpečiť šifrovaním.

Pri našich projektoch využívame The Things Stack (TTS) službu, ktorá je open-source infraštruktúra, ktorej cieľom je poskytovať bezplatné pokrytie technológiou LoRaWAN. Pomocou registrácie a prepojenia zariadení je umožnené pripojenie k TTS IoT infraštruktúre a prepojení koncových zariadení s cloudom. Umožňuje pokrytie a rozšírenie siete pomocou antén, ktoré poskytujú pokrytie dlhého dosahu s LoRa a krátkeho dosahu s Bluetooth technológiou.

Ako funguje?

Na použitie The Things Stack je potrebné vytvoriť účet. Tento účet slúži na vytvorenie aplikácii v ktorých si vie užívateľ nastaviť koncové zariadenie, gateway a spravovať nastavenia aplikácie.

Aplikácia umožňuje prístup k jednotlivým parametrom:

• ID aplikácie (umožňuje vám identifikovať vaše uzly v sieti),

• registrovať a spravovať zariadenia (senzory, ich stav a údaje, ktoré odosielajú),

• payload dekodér (inštrukcie používané na interpretáciu prichádzajúcich správ),

• všeobecné nastavenia vašej aplikácie (napr. zabezpečenie, sieťové kľúče, typ aktivácie, …),

• umožňuje vytvoriť integráciu do vlastnej platformy alebo aplikácie pomocou MQTT, HTTP a iných IoT komunikačných protokolov.

Nakoniec treba povedať, čo je najdôležitejšie, keďže The Things Stack je distribuovaná sieť, musí existovať funkcia, ktorá túto distribúciu podporuje.

Funkcia zisťovania služieb pomáha komponentom určiť, kam má byť prevádzka smerovaná. V súčasnosti je to implementované ako centralizovaný Discovery server.

LoRaWAN vs komerčné mobilné dátové siete

Je vhodné rozlišovať medzi sieťami LPWAN a vysoko rýchlostnými komerčnými mobilnými dátovými sieťami. Keďže mobilné siete aktuálne neumožňujú to, čo LPWAN a to sú nízke nároky na infraštruktúru, komunikácia na veľké vzdialenosti so zároveň vysokou úsporou energie.

LoRaWAN je výnimočný v tom, že prenos dát je možný na veľmi veľké vzdialenosti s dosahom vysielača až 15km so zaručením minimálnej energetickej spotreby v porovnaní s komerčnými mobilnými dátovými sieťami, kde dosah je maximálne 2km a umožňuje pripojenie do tisíc zariadení.

Zariadenia používajúce LoRaWAN technológiu pri komunikácii spotrebujú jednu batériu až do 10rokov, kým zariadenia mobilných dátových sietí vydržia pár hodín.