Introduction to LoRa technology
LoRa technology is one of the short-distance communication technologies in the Internet of Things communication technology. The same short-distance communication technologies include Bluetooth, WIFI, Zigbee, etc.
LoRa is the abbreviation of Long Range in English. It is a type of Low Power Wide Area Network (LPWAN) communication technology. It is an ultra-long-distance, low-power data transmission technology released by Semtech in 2013. In the past, before the emergence of LPWAN, it seemed that the only choice was between long distance and low power consumption.
The emergence of LoRa technology has changed the trade-off between transmission distance and power consumption. It can not only achieve long-distance transmission, but also have the advantages of low power consumption and low cost. The LoRa network is formed as shown in the figure below. Remote nodes can connect to the back-end network server through multiple gateways, upload data and send it to the cloud or server.
In the LoRa network, each node is not connected to each other. It must first be connected to the gateway before it can connect to the central host, or transmit data to another node through the central host. Messages from terminal nodes can be transmitted to multiple gateways at the same time, and messages can also be further extended through bridges between gateways.
Composição da rede LoRa
A rede LoRa é composta principalmente de quatro partes: terminal (pode ter módulo LoRa embutido), gateway (ou estação rádio-base), servidor e nuvem. Os dados da aplicação podem ser transferidos em ambas as direcções.
LoRa Alliance A LoRa Alliance é uma organização aberta, sem fins lucrativos, liderada pela Semtech em março de 2015. Seus membros fundadores incluem a francesa Actility, a chinesa AUGTEK e a Royal Dutch Telecom kpn. Em menos de um ano, a aliança desenvolveu mais de 150 empresas membros, incluindo muitos fabricantes de peso, como a IBM, a Cisco e a Orange de França. Existe um grande número de empresas em cada elo da cadeia industrial (fabricantes de hardware de terminais, fabricantes de chips, fabricantes de módulos de gateway, fabricantes de software, integradores de sistemas, operadores de rede). A abertura desta tecnologia torna a concorrência e a cooperação mais difíceis. A adequação promoveu o rápido desenvolvimento e a prosperidade ecológica de LoRa.
LoRa technology technical features
(1) Sensitivity -148dBm, communication distance >15km;
(2) Custos mínimos de infraestrutura, utilizando gateways/concentradores para expandir a capacidade do sistema
(3) Battery life >5 years, receiving current 10mA, sleep current <200nA
(4) Banda de frequência sem licença, baixo custo para nós/terminais
Vantagens da tecnologia LoRa
(1) Longa distância, a distância de transmissão pode atingir 8 km, área ampla
(2) Fácil de construir e de utilizar, pode ser instalado e utilizado na maior parte dos locais.
(3) Baixo consumo de energia e longa duração da bateria
(4) Baixo consumo de energia e longa duração da bateria. O preço do terminal LoRa é de cerca de 100-200.
Desvantagens técnicas do LoRa
(1) Interferência no espetro: Com o aumento do número de dispositivos e redes LoRa, há interferência de espetro entre eles.
(2) A rede deve ser construída de novo
(3) A tecnologia está demasiado concentrada: A tecnologia LoRa está demasiado concentrada na Semtech, o que não favorece o desenvolvimento do sector
Protocolo LoRaWAN [alargado
LoRaWAN is a Low Power Wide Area Network (LPWAN) standard based on the open source MAC layer protocol launched by the LoRa Alliance. This technology can provide local, national or global networks for battery-powered wireless devices. LoRaWAN targets some core needs in the Internet of Things, such as secure two-way communication, mobile communication and static location identification services. This technology enables seamless interoperability between smart devices without the need for complex local configuration, giving users, developers and enterprises in the IoT field free operating rights.
A arquitetura da rede LoRaWAN é uma topologia típica em estrela. Nesta arquitetura de rede, o gateway LoRa é um relé de transmissão transparente que conecta o dispositivo terminal e o servidor central back-end. O gateway e o servidor são conectados através de IP padrão, e o dispositivo terminal usa um único salto para se comunicar com um ou mais gateways. Há comunicação bidirecional entre todos os nós e gateways, e operações como actualizações da nuvem também são suportadas para reduzir o tempo de comunicação na nuvem.
Communication between the terminal and the gateway is completed based on different frequencies and data transmission rates. The selection of data rate requires a trade-off between transmission distance and message delay. Due to the use of spread spectrum technology, communications with different transmission rates will not interfere with each other, and a set of “virtualized” frequency bands will be created to increase gateway capacity.
The data transmission rate of LoRaWAN ranges from 0.3 kbps to 37.5 kbps. In order to maximize the battery life of the terminal device and the entire network capacity, the LoRaWAN network server controls the data transmission rate and each time through an adaptive data rate (ADR) scheme.
The radio frequency output power of a terminal device.
The wide-area network with nationwide coverage targets IoT applications such as critical infrastructure construction, confidential personal data transmission or social public services. Regarding secure communication, LoRaWAN generally uses multi-layer encryption to solve the problem:
1. Unique network key (EU164) to ensure network layer security;
2. Unique application key (EU164) to ensure application layer terminal-to-terminal communication. security;
3. The special key (EUI128) belonging to the device.
The LoRaWAN network divides terminal equipment into three categories: A/B/C according to different actual applications: Class A: two-way communication terminal equipment. This type of terminal device allows two-way communication, and each terminal device’s upstream transmission is accompanied by two downstream reception windows. The end device’s transmission slot is based on its own communication needs, and its fine-tuning is based on a random time base (ALOHA protocol). Terminal equipment belonging to Class A has the lowest power consumption during application. After the terminal sends an uplink transmission signal, the server can quickly perform downlink communication. At any time, the server’s downlink communication can only follow the uplink communication.
Typical applications of LoRa technology
Campo petrolífero inteligente
Os campos petrolíferos inteligentes utilizam vários dispositivos de deteção de medições em linha e em tempo real, tais como vários instrumentos e outros dispositivos de deteção de informações instalados em poços de petróleo e gás, oleodutos, equipamento de processamento, transformação, armazenamento e transporte de petróleo e gás, para se ligarem à rede da empresa ou à Internet, uma rede de intercâmbio de informações e de comunicação para conseguir uma identificação, posicionamento, rastreio, monitorização e gestão inteligentes
Acompanhamento logístico
An important requirement for tracking or positioning the market is the battery life of the terminal. Logistics tracking can serve as a practical example of hybrid deployment. Logistics companies can deploy networks at required locations according to positioning needs, which can be in warehouses or transport vehicles. At this time, portable base stations come in handy. LoRa can provide such a deployment solution. At the same time, LoRa technology has a characteristic that communication is relatively more stable when moving at high speeds. LoRa is more suitable for logistics tracking.
Água inteligente
Os assuntos hídricos inteligentes detectam o estado de funcionamento dos sistemas urbanos de abastecimento de água e de drenagem em tempo real através de equipamento de monitorização em linha, como registadores digitais, redes sem fios e medidores de pressão e de qualidade da água, e utilizam um método visual para integrar organicamente os departamentos de gestão da água e as instalações de abastecimento de água e de drenagem para formar a "Internet das Coisas dos Assuntos Hídricos Urbanos", e podem realizar uma análise e um processamento atempados de informações maciças sobre assuntos hídricos, e produzir os resultados de processamento correspondentes para ajudar na tomada de decisões e na apresentação de sugestões, e gerir todo o processo de produção, gestão e serviço do sistema de assuntos hídricos de uma forma mais refinada e dinâmica, alcançando assim um estado "inteligente" .
Agricultura inteligente
For agriculture, low-power and low-cost sensors are urgently needed. The application of sensors such as temperature and humidity, carbon dioxide, and salinity is of great significance to increasing agricultural yields and reducing water consumption. These sensors need to upload data regularly. LoRa technology is very suitable for such scenarios.
Edifício inteligente
For the renovation of buildings, sensors such as temperature and humidity, safety, harmful gas, and water flow monitoring are added and the monitoring information is uploaded regularly, which facilitates the supervision of managers and makes it more convenient for users. Generally speaking, the communication of these sensors does not need to be particularly frequent or to ensure particularly good service quality, and a portable home gateway can meet the needs. Therefore, LoRa technology is a more suitable choice in this scenario.
