Сеть LoRaWAN на базе комплексного решения ВЕГА

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).

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.

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.

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.

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.

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. 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.

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.

©Компания «ЕвроМобайл», опубликовано в журнале «ИСУП», №6 (72), 2017