25 января 2018

Сеть LoRaWAN на базе комплексного решения ВЕГА

Особенности технологии LoRa, созданной для распределённых сетей телеметрии, межмашинного взаимодействия и интернета вещей.

В статье описаны особенности технологии LoRa, созданной для распределённых сетей телеметрии, межмашинного взаимодействия и интернета вещей. Показаны преимущества сетей, построенных по протоколу LoRaWAN на базе оборудования и программного обеспечения ВЕГА.

«Интернет вещей» сегодня сродни коммунизму: светлое будущее, к которому мы идём, но которого ещё не достигли. Пока мы наблюдаем лишь его предвестников: рост сетей передачи данных и всё большее количество оконечных устройств, которые подключаются к этим сетям. Еще три года назад для передачи информации в беспроводных сетях применялась сотовая связь или Wi-Fi. Однако у этих технологий были существенные недостатки: во‑первых, высокое энергопотребление, что сильно сказывается на времени автономной работы устройств. Во‑вторых, абонентская плата за услуги сотовых операторов. При постоянном опросе многочисленных оконечных устройств, число которых только растёт, GSM-связь становится слишком затратной. Что касается Wi-Fi, то здесь не требуется оплаты, но зато необходима прямая видимость, что не всегда возможно в условиях плотной застройки. И наконец, к недостаткам можно отнести отсутствие единого протокола.

Вот почему в марте 2015 года две компании из Калифорнии — исследовательский центр известной компании IBM и корпорация Semtech, разрабатывающая в том числе интегральные схемы, — представили общественности новое решение, которое должно было решить эти проблемы: протокол LoRaWAN для распределенных сетей телеметрии, межмашинного взаимодействия и интернета вещей.

В основу технологии LoRa* было положено одно свойство радиосвязи: увеличение ее дальности при снижении скорости передачи данных. Скорость в сети LoRaWAN невелика, зато дальность увеличилась до 15 км в сельской местности и до 5 км в застроенной городской среде, что исключает потребность в ретрансляторах, а значит, снижает стоимость сети и упрощает ее архитектуру. Кроме того, в сетях LoRaWAN значительно снизилось энергопотребление по сравнению с GSM-сетями: корпорация Semtech разработала специальные микросхемы трансиверов (приемопередатчиков), которые наделяют беспроводные устройства, созданные с помощью этих микросхем, очень низким энергопотреблением.

Каждое новое устройство подключается к базовой станции напрямую (причем ее стоимость соизмерима со стоимостью промышленного GSM-роутера, то есть совсем невелика в масштабах системы). Сеть LoRaWAN строится по топологии «звезда», все мелкие «звезды» соединяются между собой в большую «звезду», поэтому отказ одного устройства никак не сказывается на системе в целом.

Таким образом, протокол LoRaWAN наделяет сети низким энергопотреблением, простой топологией, превосходной расширяемостью и очень низкой стоимостью, в том числе конечной, если учесть, что технология LoRa использует нелицензируемый диапазон частот, на который не требуется разрешения.

Новое изобретение было встречено ведущими разработчиками сетевых технологий с таким энтузиазмом, что они даже создали альянс компаний, поддерживающих и развивающих технологию LoRa (LoRa Alliance). В это объединение с каждым годом вступает всё больше производителей.

Сеть LoRaWAN от компании «Вега-Абсолют»

Компания «ЕвроМобайл» — известный отечественный системный интегратор и официальный дистрибьютор «Вега-Абсолют» — представляет решение для построения сети по протоколу LoRaWAN. Комплекс оборудования и программного обеспечения, разработанный ООО «Вега-Абсолют» из Новосибирска, позволяет организовать сеть для сбора показаний с приборов учёта, охранную систему, а также удалённо управлять системами освещения, отопления, блокировки и пр.

Основные преимущества такой сети:

высокая дальность связи;
низкое энергопотребление. Каждое устройство, входящее в линейку ВЕГА, может работать до 10 лет от одной батарейки;
защита данных. Вся информация передается от конечных устройств к серверу в зашифрованном виде;
масштабируемость сети. Базовая станция может поддерживать до 5 тыс. оконечных устройств на километр;
бесплатное ПО, которое находится в открытом доступе. Имеется открытый API для интеграции сторонних приложений и сервисов к данной системе.

Пожалуй, готовность данного решения следует отнести к его главным преимуществам. Компания «ЕвроМобайл» располагает всеми тремя основными компонентами системы:

базовыми станциями (шлюзы),
LoRa-модемами (оконечными устройствами),
программным обеспечением, как серверным, так и клиентским. Это позволяет интегратору быстро и легко подключить всю систему и заставить ее работать (рисунок 1).

Рисунок 1. Общая схема сети LoRaWAN, построенной на оборудовании ВЕГА

Поскольку все программное обеспечение и оборудование разработаны в соответствии со спецификацией LoRaWAN, при необходимости к системе можно подключить любое стороннее оборудование, также разработанное в соответствии с данной спецификацией.

Оборудование

К настоящему моменту в линейку ВЕГА (VEGA) входят две базовые станции и порядка 15 оконечных устройств. Оконечное оборудование ВЕГА можно разделить на три группы:

счётчики импульсов для сбора показаний с приборов учёта (счётчик газа, водосчётчик, счётчик электроэнергии, теплосчётчик). Счётчик импульсов снимает показания с приборов учёта по интерфейсам RS‑232, RS‑485 или M‑BUS. Это оборудование связывается напрямую со шлюзом по протоколу LoRaWAN;
оборудование для охранных систем, которое связывается с охранным датчиком с помощью механической кнопки, геркона или открытого коллектора. Также для охранных систем выпускаются устройства, которым не требуется подключаться к датчику, со встроенным модемом;
оборудование для удалённого контроля, системы «умный дом» и управления нагрузками. К модемам можно подключать как стороннее оборудование, так и готовое решение.

Счётчик импульсов ВЕГА СИ‑11

ВЕГА СИ‑11 (рисунок 2) предназначен для выполнения счета импульсов с последующей передачей в сеть LoRaWAN. Имеет 4 независимых входа, два из которых могут быть настроены на использование в качестве охранных. Может выполнять функцию измерения температуры, оборудован встроенным датчиком. Батарейка встроенная, может работать до 10 лет при выходе на связь раз в сутки.

Рисунок 2. Счётчик импульсов ВЕГА СИ‑11

Счётчик импульсов ВЕГА СИ‑12 (LoRa-модем)

Предназначен для выполнения счета импульсов, с последующей передачей в сеть LoRaWAN. Имеет 4 независимых входа, два из которых могут быть настроены на использование в качестве охранных. Оборудован двумя дискретными выходами типа открытый коллектор (для использования в качестве устройства управления). Осуществляет измерение температуры. Устройство может питаться либо от встроенной батарейки, либо от внешнего источника питания.

Рисунок 3. Счётчик импульсов ВЕГА СИ‑12

Счётчик импульсов ВЕГА СИ‑21 (LoRa-модем)

Предназначен для выполнения счёта импульсов, с последующей передачей в сеть LoRaWAN. Имеет 4 независимых входа, которые могут быть настроены на использование в качестве охранных. Предусмотрена возможность подключения внешнего температурного датчика. Счётчик импульсов имеет внешнюю антенну. Питается от встроенной батарейки.

Рисунок 4. Счётчик импульсов ВЕГА СИ‑21

Кроме перечисленного оборудования следует упомянуть такие изделия, как:

счётчик импульсов ВЕГА СИ‑13–232/ВЕГА СИ‑13–485;
конвертер M‑BUS ВЕГА M‑BUS‑1;
конвертер 4–20 мА ВЕГА ТП‑11;
датчик температуры ВЕГА ТД‑11;
беспроводной измеритель температуры ВЕГА БИТ‑1;
беспроводной измеритель давления ВЕГА БИД‑1;
тестер сети ВЕГА ТС‑11;
магнитоконтактный датчик ВЕГА Smart-MC0101;
датчик ускорения ВЕГА Smart-AS0101;
датчик движения ВЕГА Smart-MS0101.

Базовая станция (шлюз)

Данные с оконечных устройств поступают на базовую станцию (шлюз), которая в свою очередь связывается по интернету с сервером.

VEGA-ABSOLYUT-BS-1-bazovaya-stantsiya-standarta-LoRaWAN.jpg

Рисунок 5. Шлюз (базовая станция) ВЕГА БС‑1

Сегодня в линейке оборудования ВЕГА имеются две базовые станции: БС‑1 и БС‑2. Шлюз БС‑1 (рисунок 5) снабжён интерфейсом Ethernet. БС‑2, кроме порта Ethernet, оборудован 3G-интерфейсом, который обеспечивает дополнительный канал связи, и модулем GPS/ГЛОНАСС, который необходим для определения местоположения базовой станции и синхронизации встроенных часов по сигналам навигационных спутников.

Программное обеспечение

Главная программа, с которой связываются шлюзы, это Vega Server (Рисунок 6). Сервер предназначен для управления опорной сетью базовых станций, приема данных с оконечных устройств и передачи их внешним приложениям, а также для передачи данных от внешних приложений на LoRaWAN-устройства. Сервер работает по спецификации LoRaWAN 1.02 и поддерживает любые оконечные устройства, работающие согласно данной версии. Вся принятая от оконечных устройств информация сохраняется во встроенной базе и всегда доступна для внешних приложений. Vega Server выпускается в виде консольного приложения для операционных систем Windows и Linux.

Рисунок 6. Скрин-шот программы Vega Server

AdminTool — это веб-приложение для управления сервером. Программа обладает простым, дружественным интерфейсом. Она позволяет добавлять в сеть новые оконечные устройства LoRaWAN, просматривать карту сети, контролировать базовые станции, а также управлять правами пользователей.

Конфигуратор предназначен для настройки параметров работы оконечных устройств через USB-подключение. С помощью конфигуратора можно настроить частотный план устройства, мощность, скорость обмена данными, период выхода на связь и многое другое.

Vega Pulse — веб-приложение, обладающее большими возможностями по извлечению данных, их обработке и предоставлению в различном формате (таблица, график, отчет, диаграмма). Данное приложение используется совместно со счетчиками импульсов серии СИ. Также оно может использоваться для охраны зданий и помещений, отображать в онлайн-режиме тревоги с подключенных к счетчикам импульсов серии СИ охранных датчиков.

LoRa2TCP — программа для организации прозрачного обмена данными между внешними приложениями и приборами учета, подключенными через интерфейс RS‑485 или RS‑232. Это решение позволяет использовать сеть LoRaWAN в качестве прозрачной «последней мили» до прибора учета, подключиться к которой может любая АСКУЭ, умеющая опрашивать приборы учета через TCP/IP.

Vega LoRa2ModBus — программа, обеспечивающая возможность обработки данных от оконечных устройств внешними программами, работающими по протоколу ModBus TCP. Подключается к IOT Vega Server и преобразует данные с указанного устройства в вид карты ModBus-регистров. Таким образом, информация с оконечного устройства может считываться с помощью любой внешней программы по протоколу ModBus TCP в прозрачном режиме, что позволяет использовать оконечные устройства в автоматизированных системах управления технологическими процессами.

К этому набору приложений можно легко добавить своё для интеграции с собственной системой или SCADA.

Добавим, что все программы бесплатны и находятся в открытом доступе.

Сеть LoRaWAN, построенная с помощью оборудования и ПО ВЕГА и внедряемая компанией «ЕвроМобайл» — это надёжное решение. Его разработчик, ООО «Вега-Абсолют», работает с 1996 года и создала его с учётом особенностей российского рынка.

Технология передачи данных на большие расстояния LoRa (от англ. Long Range — «большая дальность») разработана для глобальных вычислительных сетей WAN, отсюда название протокола: LoRaWAN.