Conheça a tecnologia LoRa® e o protocolo LoRaWAN™ (LOR001)

LoRa® é uma tecnologia de radio frequência que permite comunicação a longas distâncias com consumo mínimo de energia. Baseia-se em uma rede com topologia estrela, similar a uma rede de telefonia celular.

Os módulos enviam e recebem dados de Gateways específicos (similar as redes wifi, mas com alcance muito maior), que os encaminham via conexão IP para servidores locais ou remotos.

Suas principais aplicações são sistema de IoT (internet das coisas) como sensores e monitores remotos (pressão, luz, on-off, temperatura,, ...) , sobretudo aqueles operados a bateria, de mensagens curtas e em alguns casos em locais de difícil acesso.

 

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Dependendo das condições de instalação (bloqueios por prédios, topologia de terrenos, etc) pode-se conseguir em áreas urbanas 3-4 Km de alcance, e em áreas rurais, até 12 Km (ou mais).

LoRa® é o que podemos chamar de camada física de comunicação (assim como os fios em um sistema cabeado).

LoRa® é baseada em uma técnica conhecida por "chirp spread spectrum modulation", utilizada a décadas sobretudo em sistemas militares e de radar, por possibilitar longo alcance e grande imunidade a ruídos, mas que sempre envolveu sistemas muito críticos quanto a estabilidade de frequência e altos custos.

Com o avanço tecnológico tornou-se viável usar estas mesmas técnicas usando cristais e outros componentes mais baratos, sendo que a tecnologia LoRa® é a primeira implementação de baixo custo desenvolvida para uso comercial.

 

 

LoRaWAN™

LoRaWAN™ é o nome dado ao protocolo que define a arquitetura do sistema bem como os parâmetros de comunicação usando a tecnologia LoRa®.

O protocolo LoRaWAN™ implementa os detalhes de funcionamento, segurança, qualidade do serviço, ajustes de potência visando maximizar a duração da bateria dos módulos, e os tipos de aplicações tanto do lado do módulo quanto do servidor.

 

Em resumo:

LoRa®: Camada física da rede LoRaWAN™: Camada lógica da rede

 

 

 

Arquitetura da rede


 

 

 

1 - Módulos (end-points ou end-devices)

São os elementos básicos da rede, como:

  • sensores de temperatura, movimento, on-off, ...
  • leitores de consumo de energia, de água, gás,...
  • botões de pânico
  • etc

 

 

2 - Gateways

São os receptores dos sinais enviados pelos módulos.

Um só gateway pode receber os dados de milhares de dispositivos e encaminha-los para o servidor de rede. Dependendo das condições de topologia do local, um único gateway pode cobrir um raio desde 2Km até 15 Km.

Para termos uma ideia, uma cobertura com raio de 1 Km abrange uma área de 3.140.000 m2.

Em uma área ideal, quase plana, com 10 Km de raio por exemplo, teremos 314 Km2, praticamente a cidade de Guarulhos-SP.

 

 


 

 

3 - Servidores de rede

Os servidores de rede são os responsáveis pelo gerenciamento das informações enviadas pelos gateways.

Como existe a possibilidade de dois ou mais gateways receberem o mesmo pacote de um certo módulo e encaminharem para o servidor, o mesmo elimina pacotes duplicados, gerencia os tempos para retorno de reconhecimento (acknowledgement - ACK), e faz os ajustes para adaptar as taxas de dados (Data Rate - DR) de forma a gerenciar os tempos entre as comunicações e o consumo de energia.

 

 

4 - Servidores de aplicações

Os servidores de aplicações são programas específicos que recebem (via requisição ou de forma automática) os pacotes dos servidores de rede e de acordo com a informação executam uma ou mais ações específicas.

No caso de medidores de energia, por exemplo, enviar para a companhia os dados de consumo.

Se for um sistema de monitoramento de enchentes enviar para os orgãos de defesa civil e bombeiros o alerta do perigo.

As aplicações são infinitas.

 

Importante: Dependendo da aplicação o servidor de rede e de aplicação podem estar rodando na mesma máquina.

 

Classes de dispositivos

Para atender as mais diversas necessidades no protocolo LoRaWAN™ foram definidas três classes de dispositivos (módulos):

Classe A - Sensores

Operados a bateria (É claro que se desejarmos operar o dispositivo ligado a rede elétrica não há impedimento.)

Comunicação bi-direcional, recepção após transmissão.

(Os módulos so podem receber dados em janelas de tempo pré determinadas e imediatamente após realizarem uma transmissão)

Otimizado para reduzido consumo

 

Classe B - Atuadores

Operados a bateria (É claro que se desejarmos operar o dispositivo ligado a rede elétrica não há impedimento.)

Comunicação bi-direcional, com janelas de recepção agendadas

Módulo e gateway trocam informações (beacon way) de forma a que o gateway saiba quando o módulo esta pronto para receber dados

 

Classe C - Bidirecional, recepção de dados praticamente sem atraso

Nesta classe o módulo sempre esta apto a receber dados do gateway

Não recomendado o uso apenas de baterias devido ao consumo de energia

 

Importante: Todos os módulos devem obrigatoriamente funcionar em classe A

 

 

Segurança dos dados

 Para garantir a privacidade dos dados enviados temos dois níveis de segurança:

Segurança para a informação

Segurança na transmissão dos dados

 

 

A) Segurança para a informação


 

 

 

 Neste caso os dados a serem transmitidos (payload) são criptografados usando o algoritmo AES de 128 bits, com uma chave conhecida por "Application Session Key".

O servidor de aplicação deverá ter esta chave para 'reverter' o processo e extrair os dados.

O servidor de rede não tem como fazer este processo.

 

B) Segurança na transmissão dos dados


 

 

 

Para enviar os dados, é criado um número de 32 bits (MIC), a partir do numero do dispositivo (DevAddr), do Contador de pacotes enviados (FCnt - Frame Counter) e dos dados já criptografados.

Então toda esta sequencia é enviada.

O número 'MIC' é gerado usando a mesma técnica de criptografia (AES de 128 bits), mas com uma outra chave, conhecida por "Network Session Key".

Esta chave serve para que o servidor de rede possa garantir que o pacote recebido não foi alterado por erros ou propositalmente.

Observe que o servidor de rede pode apenas checar a integridade do pacote e nunca 'abrir' os dados, pois não tem a 'Application session key'.

 

 

Frequências de operação 

Para os EUA e Américas, a faixa de frequencia vai de 902 MHz a 928 MHz, conforme figura a seguir:

 


 

 

 

Gateways

Para a implementação da rede existem atualmente vários gateways comercias e inclusive gateways experimentais.

Alguns gateways comerciais


 

 

 

Gateways experimentais (menor capacidade de canais)


 

 

 

Módulos Microchip certificados LoraWAN 

Para a frequência americana, temos o módulo RN2903, cujos detalhes podem ser vistos em:

http://www.microchip.com/wwwproducts/en/RN2903 

 


 

 

 

 

Kits para desenvolvimento

 Para estudo temos os seguintes ítens:

 

A) Extensão Arduino / Raspberry Pi (Modelo 2 / Modelo 3 / Zero)


 

 

B) BB_LoRa

Breakout board LoRa com PIC 16F1619, com footprint para encaixe na placa Curiosity

(Imagem ilustrativa)
(Imagem ilustrativa)

 

 

 

Fonte: Lora® alliance

 

DATASHEET

Digite o número do componente para localizar o Datasheet

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Como usar este quadro de busca


Teoria
A teoria na prática é diferente. Se a frase não é do Barão de Itararé, pelo menos ele sempre a repetia com o humor que lhe era característico.
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