LPWAN (сети с низким энергопотреблением) 101
Изучите основы сетей с низким энергопотреблением и большим охватом (LPWAN), а также какое оборудование Arduino может к ним подключаться.
Автор: Хосе Багур
Последнее обновление: 28.02.2025
Arduino и сети с низким энергопотреблением и большим охватом.
Стремительный рост Интернета вещей (IoT) и коммуникаций между машинами (M2M) в последние годы затронул почти каждый аспект нашей повседневной жизни. Ожидается, что к 2025 году более 75 миллиардов IoT-устройств будут подключены и работать по всему миру. Но каким образом эти IoT-устройства подключаются к Интернету?
В общем смысле, IoT- и M2M-приложения и устройства имеют низкие требования к энергопотреблению и передаче данных (данные, как правило, поступают от датчиков). До недавнего времени технологии, используемые для подключения этих приложений и устройств, не были идеальными для IoT-приложений, как показано на изображении ниже. Например, беспроводные локальные сети (WLAN) и Bluetooth® были разработаны прежде всего для передачи данных на средних и высоких скоростях в средах с небольшим радиусом действия. Беспроводные сотовые сети, такие как 2G, 3G, 4G и 5G, были разработаны для высокоскоростной передачи данных в средах со средним радиусом действия. Эти сети обычно используются для голосовой связи, передачи данных и видео. Чтобы удовлетворить особые требования IoT- и M2M-приложений и устройств, необходимо было что-то эволюционировать для соответствия этим особым требованиям.
Термин LPWAN, появившийся в 2013 году, расшифровывается как Low-Power Wide-Area Network (сеть с низким энергопотреблением и большим охватом). Это обобщённый термин, описывающий группу сетевых технологий, предназначенных для беспроводной передачи небольших пакетов данных на низких скоростях на относительно большие расстояния, потребляя меньше энергии, чем обычные сетевые технологии (такие как WLAN или Bluetooth, например). Передача небольших пакетов данных, низкое энергопотребление и широкое покрытие сигнала — идеальные характеристики для IoT- и M2M-устройств и приложений.
Географическое покрытие беспроводного доступа.
Типы технологий LPWAN
В последние годы сложились две основные категории технологий LPWAN: сети на основе несотовых технологий и сети на основе сотовых технологий. Эти типы технологий могут использовать лицензируемые или нелицензируемые частоты и применять проприетарные или открытые стандарты. Рассмотрим основные и наиболее широко распространённые LPWAN на сегодняшний день: Sigfox, сети на основе технологии LoRa®, NB-IoT и LTE-M.
Несотовые технологии: Sigfox и технология LoRa®
Одной из наиболее широко используемых LPWAN на сегодняшний день является Sigfox. Эта проприетарная сверхузкополосная LPWAN-технология работает в диапазонах частот 868 МГц или 902 МГц, которые являются нелицензируемыми промышленными, научными и медицинскими (ISM) диапазонами. Эта сеть способна передавать сообщения на расстояния от 30 до 50 км в сельской местности, от 3 до 10 км в городских условиях и до 1000 км в приложениях с прямой видимостью. Размер пакета ограничен 150 сообщениями по 12 байт в день, а нисходящие пакеты ограничены четырьмя сообщениями по 8 байт в день.
Технология LoRa® — это протокол физического уровня, работающий в нелицензируемых ISM-диапазонах частот. Он основан на методе чирпового расширения спектра (CSS). Устройства с поддержкой LoRa обычно используют однопрыжковую связь для передачи данных на шлюзы, которые затем пересылают сообщения в сетевую инфраструктуру. Скорость передачи данных, поддерживаемая технологией LoRa, варьируется от 300 бит/с до 50 кбит/с.
Для обеспечения сетевых возможностей технологии LoRa® были разработаны различные протоколы для управления коммуникацией между устройствами и сетевой инфраструктурой. Эти протоколы определяют безопасные методы дальней связи для различных IoT-приложений, поддерживая несколько классов устройств для удовлетворения различных операционных требований.
Сотовые технологии: LTE-M и NB-IoT
LTE-M, что расшифровывается как Long Term Evolution for Machines (LTE для машин), и NB-IoT, что расшифровывается как Narrowband Internet of Things (узкополосный Интернет вещей), — это стандарты беспроводной телекоммуникационной связи, разработанные 3rd Generation Partnership Project (3GPP), международной группой стандартов, ответственной за все основные стандарты мобильной телекоммуникации, включая стандарты Global System for Mobile Communications (GSM) и стандарты Long Term Evolution (LTE). В отличие от Sigfox и сетей на основе технологии LoRa®, LTE-M и NB-IoT обслуживаются провайдерами беспроводных сетей.
LTE-M совместим с существующими LTE-сетями, обеспечивает расширенное покрытие, сопоставимое с LTE-сетями, покрытие для M2M-приложений, аналогичное сетям 5G, и предлагает плавный переход к 5G M2M-решениям. LTE-M ориентирован на обеспечение переменных скоростей передачи данных и поддержку как приложений реального времени, так и приложений вне реального времени. Он поддерживает приложения с низкой задержкой, а также приложения с отложенным трафиком, которые могут работать с задержками в диапазоне нескольких секунд. Он имеет низкие требования к энергопотреблению и поддерживает работу в диапазоне от низкой полосы пропускания до полосы пропускания до 1 Мбит/с. LTE-M также поддерживает устройства с очень широким диапазоном размеров сообщений.
NB-IoT может сосуществовать с GSM и LTE в лицензируемых диапазонах частот 700 МГц, 800 МГц и 900 МГц. NB-IoT разработан путём оптимизации и сокращения функциональности LTE, чтобы его можно было использовать для нечастой передачи данных при низких требованиях к энергопотреблению. Скорость передачи данных, поддерживаемая NB-IoT, составляет 200 кбит/с для нисходящего канала и 20 кбит/с для восходящего канала. Максимальный размер полезной нагрузки каждого сообщения составляет 1600 байт.
Применение технологий LPWAN
LPWAN широко применяются в интеллектуальных счётчиках, интеллектуальном освещении, мониторинге и отслеживании активов, умных городах, точном земледелии, мониторинге скота, управлении энергопотреблением, производстве и промышленных IoT-развёртываниях. Выбор LPWAN зависит от конкретного приложения, а именно от желаемой скорости, объёма данных и охватываемой территории.
LPWAN лучше всего подходят для приложений, требующих нечастой доставки восходящих сообщений небольшого размера. Большинство технологий LPWAN также имеют возможности нисходящего канала. При более низких требованиях к энергопотреблению, большем радиусе действия и меньших затратах по сравнению с традиционными мобильными сетями LPWAN делают возможным ряд M2M- и IoT-приложений, многие из которых ранее были ограничены бюджетными и энергетическими проблемами.
Некоторые примеры текущих приложений LPWAN:
Интеллектуальные счётчики (подключённые коммунальные счётчики: датчики в подвалах).
Умные парковки (подключённые парковочные места: датчики в земле и подземных гаражах).
Интеллектуальное управление отходами (подключённые городские мусорные баки).
Отслеживание активов (например, общенациональное отслеживание и трассировка грузовых носителей, таких как паллетные клетки, поддоны и контейнеры).
Подключённые здания (датчики в мостах или тоннелях измеряют температуру, влажность и коррозию и выявляют уязвимости задолго до появления видимых повреждений).
Мониторинг состояния (датчики в строительной технике и транспортных средствах распознают неисправности или кражу).
Arduino® и технологии LPWAN
Семейство плат MKR от Arduino предлагает несколько вариантов подключения к LPWAN:
Сети на основе технологии LoRa® (MKR WAN 1300/1310)
Плата MKR WAN 1310.
MKR WAN 1310 — это плата разработчика для экспериментов с технологией LoRa®.
Она легко подключается к The Things Network, платформе с покрытием LoRa® по всему миру. Её также можно использовать для соединения точка-точка, где можно легко настроить связь между двумя платами MKR WAN.
Покрытие
Если вы планируете подключиться к The Things Network, вы можете проверить доступные шлюзы на их карте шлюзов LoRa®.
Вы также можете настроить собственный шлюз, к которому смогут подключиться несколько конечных устройств (создав собственную сеть).
Библиотека MKRWAN
Для доступа к модулю Murata CMWX1ZZABZ, установленному на плате MKR WAN 1300/1310, обратитесь к библиотеке MKRWAN.
Библиотека LoRa
Для удобной настройки связи между двумя платами MKR WAN 1310 обратитесь к примерам в библиотеке LoRa, созданной Сандипом Мистри.
Документация
Официальную документацию для плат MKR WAN можно найти по следующим ссылкам:
NB-IoT / LTE-M (MKR NB IoT)
Плата MKR NB 1500.
MKR NB 1500 — это плата разработчика, предназначенная для глобального использования, обеспечивающая подключение в диапазонах LTE Cat M1/NB1 1, 2, 3, 4, 5, 8, 12, 13, 18, 19, 20, 25, 26, 28.
Примечание
Операторы, предоставляющие услуги в этой части спектра, включают: Vodafone, AT&T, T-Mobile USA, Telstra и Verizon, среди других.
Покрытие
Покрытие NB-IoT и LTE-M охватывает многие регионы, такие как Европа, Северная и Южная Америка и большие части Азии.
MKR NB 1500 можно настроить для подключения к NB-IoT или LTE-M с возможностью выбора предпочтительной технологии радиодоступа (RAT). Можно настроить модем с основной и резервной сетью.
Чтобы посмотреть полное покрытие, посетите карту покрытия NB-IoT / LTE-M.
Библиотека MKR NB
Для доступа к модему uBlox SARA-R410M-02B, установленному на плате MKR NB 1500, обратитесь к библиотеке MKRNB.
Документация
Официальную документацию для этой платы можно найти на странице документации MKR NB 1500.
Sigfox (MKR FOX 1200)
Плата MKR FOX 1200.
MKR FOX 1200 — это плата разработчика, предназначенная для LPWAN-решений с использованием инфраструктуры Sigfox.
Каждый MKR FOX 1200 поставляется с бесплатной годовой подпиской на тарифный план Sigfox, что удобно для тестирования сети Sigfox. Пожалуйста, ознакомьтесь с условиями плана в отношении сообщений в день на сайте Sigfox.
Покрытие
Сеть Sigfox существует в разных частях мира, но в основном работает в ЕС. К другим странам, имеющим покрытие, относятся США, Япония, Австралия, Южная Африка, Новая Зеландия и другие.
Примечание
Обратите внимание, что, хотя покрытие есть в странах за пределами ЕС, оно ограничено определёнными районами внутри страны.
Чтобы посмотреть полное покрытие, посетите собственную карту покрытия Sigfox.
Библиотека Sigfox
Для доступа к трансиверу Sigfox ATA8520, обратитесь к библиотеке Sigfox.
Документация
Официальную документацию для этой платы можно найти на странице документации MKR FOX 1200.
Признание торговых марок
LoRa® является зарегистрированным товарным знаком корпорации Semtech.