in quest’articolo approfondirò il campo della tecnologia LoRa e LoRaWan.
Arriviamo subito al sodo.
Che cosa è LoRa?
La tecnologia LoRa (abbreviazione di Long Range, ovvero lungo raggio) è una trasmissione radio basato sulla modulazione dello “spretto diffuso”.
La modulazione CSS (Chirp Spread Spretcum) è la prima implementazione a basso costo dello spretto di diffusione di tipo chirp per uso commerciale.
Tutta la tecnologia LoRa è sviluppata da Cycleo di Grenoble.
LoRa permette di scambiare dati registrati dai vari device all’interno dell’Internet Of things. LoRa è in grado di collegare sensori al cloud e consentiree la comunicazione in tempo reale di analisi dei dati che possono essere utilizzati per migliorare l’effcenza e la produttività sia a liello privato che pubblico.
La tecnologia LoRa offre una soluzione efficiente, flessibile, ed economica negli ambienti rurali e interni, dove reti cellulari e Wi-Fi/BLE non sono efficaci.
LoRa sta diventantando di fatto lo standard delle reti a bassa potenza (LPWAN).
LoRa consente nell applicazioni IoT di affrontare alcune delle maggiori sfide in questo momento:
- gestione dell’energia
- riduzione delle risorse natuali
- controllo dell’inquinamento
- misurazione intelligente
- catena di approvvigionamento intelligente
- logistica
Che cosa è LoRaWan?
Un errore comune è il seguente: LoRa e LoRaWan vengono usati spesso indistintamente.
Vediamo nei seguenti punti cosa è LoRaWan:
- protocollo di controllo di accesso ai media per la gestione delle communicazioni tra i gateway LPWAN e i dispositivi end-device
- gestito da LoRa Alliance
- definisce protocollo di communicazione e architettura di sistema per la rete.
- LoRa è il livello fisico e permette il collegamento di communicazione a lungo raggio
- responsabile della gestione delle frequenze di communicazione, delle velocità dei dati e dell’alimentazione per tutti i dispositivi.
- I dispositivi nella rete sono asincroni e trasmettono quando dispongono di dati da inviare.
- I dati trasmessi da un end-device sono ricevuti da più gateway, che inoltrano i pacchetti di dati a un server di rete centrallizato.
- Il server di rete filtra i pacchetti duplicati, esegue i controlli di sicurezza e gestisce la rete.
- I dati vengono quindi inoltrati al server delle applicazioni.
L’architettura LoRaWAN
L’architettura tipica di una rete LoRaWAN è costituita da una serie di dispositivi connessi a gateway sincronizzati fra loro. A loro volta i gateway sono connessi a network server applicativi, i quali salvano dati nel Cloud.
La topologia di queste reti è generalmente a stella dove i gateway si occupano della trasmissione dei dati tra il dispositivo di acquisizione e il server di rete. In sostanza una rete LoRaWAN è costituita da nodi, gateway, network server e application server.
I vantaggi di LoRaWAN
Le virtù di LoRaWAN sono molteplici. Innanzitutto, parliamo di una tecnologia di facile installazione e configurazione. In più è scalabile, adattandosi alla domanda in un mercato in continua espansione: quello, come dicevamo dell’Internet delle Cose. Un mercato vastissimo, che stando all’ultimo report di Ericsson (il Mobility Report), raggiungerà i 22.3 miliardi di dispositivi IoT connessi in Rete entro il 2024.
Dalla smart factory, alla logistica intelligente, fino ai campi della “smart economy” (smart city, smart building e smart agriculture), sono tanti i settori in cui la tecnologia potrà essere applicata portando a un aumento dei ricavi, alla riduzione dei costi delle attività, alla maggiore efficienza e sicurezza nei processi industriali, con un conseguente alto ritorno sull’investimento.
In sintesi, i principali vantaggi di LoraWan sono:
- Bassi costi di implementazione
- Comunicazione sicura e bidirezionale
- Consumi relativamente bassi
- Supporto di reti di grandi dimensioni con milioni di dispositivi
- Grande versatilità
LoraWan, info tecniche
La banda comunemente impiegata in Europa per LoRaWAN è la ISM 863-870 MHz, ma esiste anche una banda meno usata, a 433 MHz. La normativa europea che la regolamenta è, in linea generale, la ERC-REC-70-3E. Quest’ultima determina la potenza e il tempo di trasmissione della tecnologia.
Per “potenza di trasmissione” intendiamo la potenza massima che un trasmettitore può utilizzare sul canale durante la comunicazione (il valore comunemente usato è 25mW, equivalente a 14 dB). Mentre il ciclo di servizio (duty cycle) indica il tempo massimo di trasmissione per ogni ora di servizio.
Dal punto di vista tecnico, l’architettura di rete LoraWan utilizza una tipologia a stella in cui ciascuno dei nodi comunica con più gateway che, a loro volta, comunicano con il server di Rete. Gli elementi principali che la caratterizzano sono:
- I nodi
- I gateway
- Il network server
- L’ application server
La comunicazione tra dispositivi finali e gateway è distribuita su diversi canali di frequenza e velocità di trasmissione dati.
La tecnologia può contare, inoltre, su più livelli di protezione: chiave EUI64 a livello di rete e di applicazione e chiave EUI128 specifica del dispositivo. Mentre, come dicevamo all’inizio dell’articolo la tecnologia si avvale dello standard AES CCM (128 bit) per la crittografia e l’autenticazione.
Applicazioni principali
Le applicazioni di LoRa e LoRaWan sono le seguenti:
- Automazione domestica e di edifici
- Lettura automatica dei contatori
- Sistemi di allarme
- Sistemi di sicurezza wireless
- Monitoraggio agricolo
- Sistemi di irragazione a lunga portata
- Monitoraggio parcheggi
- monitoraggio in ambito agricolo
- monitraggio dell’inquinamento cittadino
- monitoraggio di mandrie o greggi
- gestione energetica e sostenibilità
- rilevamento di incendi
- gestione della qualità dell’aria
- gestione della temperatura
- rilevazione di presenza liquidi
- localizzazione di veicoli e merci rubati
- monitoraggio del frigorifero
- monitoraggio delle radiazioni
- irrigazione intelligente
- illuminazione intelligente
Frequency Shift Keying (FSK)
La frequency-shift keying, sigla FSK, nel campo dell’informatica e delle telecomunicazioni è una tecnica o schema di modulazione numerica di frequenza, in cui il segnale modulante contenente informazione sposta la frequenza della portante in uscita da uno all’altro di due valori predeterminati.
La modulazione numerica a variazione di frequenza FSK, come la modulazione numerica di variazione di ampiezza (ASK) e la variazione di fase (PSK), è impiegata nella trasmissione dati fra modem, nei ponti radio, nei cellulari e nei collegamenti via satellite.
La Frequency Shift Keying (FSK) è una tecnica di modulazione numerica di frequenza, in cui il segnale modulante contente informazione sposta la frequenza della portante in uscita da uno all’altro di due valori predeterminati. Questa descrione può essere tradotta come “modulazione a spostamento di frequenza”.
La modulazione FSK si basa su un segnale digitale con due frequenze.
Chrip Spread Spectrum (CSS)
Mantiene le stesse caratteristiche di bassa potenza della mofulazione FSK.
La CSS è una tecnica a spretto diffuso che utilizza impulsi chirp modulati in frequenza lineare a larga banda per codificare le informazioni.
Ideale per lunghe distanze con bassi requisiti di potenza di trasmissione e minori interferenze.
Lo spread-spectrum (in italiano spettro espanso) indica una tecnica di trasmissione in cui il segnale informativo viene trasmesso su una banda di frequenze che è considerevolmente più ampia di quella effettivamente necessaria alla trasmissione dell’informazione contenuta nel segnale originario stesso (v. trasmissioni in banda larga). Questo effetto è ottenuto per mezzo di un sottosistema in trasmissione detto spreader.
Essenzialmente l’espansione di spettro si basa sulla relazione esistente tra la banda di un segnale, il suo modulo e il suo contenuto energetico.
Nei grafici si osserva come l’energia associata ad un segnale, le due aree colorate, aumenti se si aumenta l’occupazione in banda del segnale a parità di modulo.
Lo scopo principale è migliorare il rapporto segnale/rumore eliminando il maggior numero di interferenze e consentendo l’utilizzo contemporaneo della stessa gamma di frequenze a più utenti (miglioramento di efficienza spettrale); uno scopo secondario è mimetizzare il segnale radio trasmesso abbassandone la potenza specifica e portandolo quindi a confondersi con il rumore radio di fondo in modo da sfuggire al rilevamento da parte delle stazioni di intercettazione radio
Come funzionano LoRa e Chirp Spread Spectrum
Il CSS mantiene le stesse caratteristiche di bassa potenza della modulazione FSK. Come detto prima FSK è una tecnica a spretto diffuso che utilizza impulsi di chirp modulati in frequenza lineare a larga banda per codificare le informazioni ovvero i dati digitali da trasmettere.
LoRa usa il CSS per codificare i dati, usa un numero di bit che viene diffuso da un certo numero di chirp per bit. Questo numero viene definito fattore di diffusione o Spread Factor (SF). Il CSS usa fattori di diffusione da 7 a 12. I valori di diffusione bassi forniscono elevate velocità di trasmissione dati e richiedono meno tempo OTA (Over The Air). I valori alti foniscono basse velocità di trasmissione dati e richiedono un tempo OTA più elevato.
La modulazione del CSS LoRa ha pertanto le seguenti proprietà:
- Larghezza di banda scalabaile
- Invuluppo costante in rapport alla bassa potenza
- elevata robustezza del segnale
- resistenza al fading
- resistenza all’effetto doppler
- funzionalità a lungo raggio
- localizzazione
Gateway LoRaWan
Il gateway è il dispositivo intermedio in grado di instradare i dati provenienti dagli end device verso il network server attraverso un collegamento IP che possa permettere un elevato throughput come ad esempio un link 3g/4g oppure Ethernet.
Il gateway deve disporre di buone capacità di ricezione, ed essere capace di gestire un alto numero di messaggi provenienti da svariati end device (anche sull’ordine delle migliaia).
A differenza di una tradizionale rete cellulare o una rete Wi-Fi, gli end device non sono associati ad uno specifico gateway per poter accedere alla rete.
Il network server è una componente di back-end che svolge processi più complessi in relazione al management del network.
Esso è responsabile della ricezione dei dati provenienti dai vari gateway e svolge diverse funzionalità tra cui il filtraggio ed eliminazione di eventuali dati duplicati.
Copertura di una rete LoRaWan
Un singolo gateway può coprire intere città o centinaia di chilometri quadrati. La copertura dipende in gran parte da ostacoli, dall’ambiente e da fattori tecnici. Vi è data la possibilità per zone più vaste di creare una rete di gateway.
Che cosa è LP-WAN?
La Low-Power Wide-Area Network (LPWAN) è un tipo di rete di telecomunicazioni wireless progettata per consentire le comunicazioni a lungo raggio e con un basso bit rate tra i vari oggetti connessi, come ad esempio i sensori gestiti grazie ad una batteria.
LoRaWAN, Sigfox e NB-IoT sono le tre tecnologie di trasmissione radio, leader in ambito LPWAN, che oggi si contendono lo sviluppo su larga scala dell’IoT in applicazioni che richiedono un ampio raggio di copertura, una contenuta quantità di dati da trasmettere e un basso consumo di energia.
La capacità di trasmettere dati a distanza di 10-40 km in zone rurali e 1-5 km in zone urbane fa preferire le tecnologie LPWAN a quelle radio a corto raggio (come per esempio Bluetooth, ZigBee, WiFi, ecc.) in tutti gli scenari che richiedono distanze di trasmissione elevate. Ma questa caratteristica consente di tenere bassi i costi di comunicazione anche sul corto raggio. Soluzioni basate sulle comunicazioni cellulari (2G, 3G, 4G) forniscono anch’esse un ampio raggio di copertura, ma consumano rapidamente l’energia dei dispositivi da cui recuperare i dati. Non a caso, quindi, le reti LPWAN vengono considerate le reti ideali per molte applicazioni IoT.
Packet Forwarder
Un Packet Forwarder è un software in esecuzione sul gateway LoRaWAN. Questo software permette al concentratore di trasmettere e ricevere pacchetti LoRa sia uplink che downlink dagli end-device ai server di rete e, viceversa, dai server, di rete agli end-device. In pratica è una operazione simile al caricamento e allo scaricamento di dati sul server.
Possono essere classificati come Single Chanell Packet Forwarder (a canale singolo) e Multi Channel Packet Forwarder (multicanale).
I Packet Forwarder ha queste due funzioni:
- inoltra i pacchetti LoRa ricevuti dal concentratore/gateway al server di rete tramite un collegamento ID/UDP
- emette i pacchetti LoRa inviati dal server di rete
I Packet Forwarder più usati sono:
- Semtech USP Packet Forwarder
- funziona con Raspberry Pi e iC880a
- TTN Packet Forwarder
- funziona con Conduit multitech, stazione IoT kerlink, raspberry pi e iC880a
- Dragino Single Channel Packet Forwarder
- Funziona SX1272, SX1276 e SX1278
- Raspberry Pi Single Channel Packet Forwarder
- Funziona con Semtech SX1272 e SX1276
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Link utili
- Arduino UNO R3
- Elegoo UNO R3
- Arduino Starter Kit per principianti
- Elegoo Advanced Starter Kit
- Arduino Nano
Simone Candido
Simone Candido è un ragazzo appassionato del mondo tech nella sua totalità. Simone ama immedesimarsi in nuove esperienze, la sua filosofia si basa sulla irrefrenabile voglia di ampliare a 360° le sue conoscenze abbracciando tutti i campi del sapere, in quanto ritiene che il sapere umano sia il connubio perfetto tra cultura umanistica e scientifica.