LoRaWAN sistema radio lunga portata a basso consumo

Dispositivo alimentato con batteria al litio con autonomia di due anni e che comunica via radio fino a 100Km di distanza ad un costo di produzione inferiore ai 20€.

Il dispositivo serve per rendere disponibili via LAN o su WEB dati raccolti da sensori remoti, la trasmissione avviene via radio sfruttando la tecnologia LoRaWAN. 

Architettura del dispositivo :

dispositivo LoRaWAN

architettura dispositivo LoRaWAN

 Architettura del sistema ” LoRaWAN sistema radio lunga portata “:

Registrazione di un dispositivo e avvio della comunicazione:

Ogni dispositivo ha un proprio identificativo univoco hweui che viene utilizzato per registrarsi in uno o più gateway LoRa WAN. Per procedere con la registrazione è necessario che il gateway accetti connessioni da quel determinato dispositivo e che quindi ne conosca il device eui, che nel nostro caso coincide con l’hweui del dispositivo.

Oltre all’identificativo univoco del dispositivo (hweui) il protocollo LoRaWAN mette a disposizione un’altro identificativo app eui che il dispositivo comunica al gateway in fase di registrazione, questo secondo identificativo può essere utilizzato per eseguire applicazioni differenti sullo stesso dispositivo e instradare così i dati verso sistemi di gestione differenti.

Es.: se lo stesso dispositivo è capace di rilevare la temperatura ambiente e la luminosità mediante due app eui differenti è possibile connettersi con lo stesso gateway ma instradare il dato di temperatura su un socket e il dato di luminosità su  un’altro socket.

Trasferimento dei dati e consumi del dispositivo ” LoRaWAN sistema radio lunga portata “

  • data rate on-aire compreso tra 0.3 Kbps e 50 Kbps
  • duty cycle massimo del  1%
  • consumo in trasmissione pari a 40mA, in ricezione pari a 20mA, quando il modulo radio non è attivo viene spento e rimane alimentato in sleep il solo microcontrollore che consuma 35uA, mantenendo operativo il real time clock per poter così programmare un risveglio temporizzato del microcontrollore

La specifica LoRaWAN impone appunto un duty cycle pari a 1% di occupazione del canale radio per consentire a tutti i dispositivi di poter consegnare ai gateway la propria informazione e per meglio comprendere le caratteristiche di questa limitazione di seguito un’esempio pratico.

La nostra applicazione dovrà rispettare la seguente formula:

Toff = (TimeOnAir / DutyCycle) - TimeOnAir

In questo il modulo RN2483 di Microchip ci viene in contro, ed essendo un dispositivo certificato dall’alleanza LoRaWAN, non consente di superare tale limite, rispondendo al comando di trasmissione con un codice di errore nel caso la nostra applicazione tenti di superare tale limite.

Se dobbiamo trasmettere un pacchetto di 30 bytes avendo impostato il baud rate on-aire pari a 0.3Kbps avremo:

TimeOnAir = tempo di occupazione del canale radio per il trasferimento in aria del pacchetto da 500 bytes

  • TimeOnAir = 30 bytes x 8 bit / 0.3 Kbps = 0.8 secondi

DutyCycle = percentuale massima di occupazione del canale radio

  • DutyCycle = 1% = corrisponde a moltiplicare per 0.01

Toff = tempo di attesa per il trasferimento del prossimo pacchetto

  • Toff = (TimeOnAir / DutyCycle) – TimeOnAir = (0.8/0.01)-0.01 = 79.9 secondi

Impostare un basso baud rate on-aire consente di aumentare la sensibilità in ricezione del modulo radio e quindi di coprire distanze maggiori, ma ovviamente restringe il numero di bytes che si possono trasmettere nell’unità di tempo.

  • distanza tra dispositivo ” LoRaWAN sistema radio lunga portata ” e gateway
    • oltre 100Km in condizioni favorevoli;
    • fino a 15Km in ambienti rurali
    • fino a 2 Km in ambienti urbani e densamente popolati

Gateway

Il dispositivo sviluppato è stato inserito in una rete di monitoraggio composta da un numero n di dispositivi e di gateway LoRaWAN.

Il gateway utilizzato è prodotto da MultiTech e composto dal modulo Conduit con l’espansione MTAC-LoRa Cards.

Grazie a questo gateway è stato possibile ricevere i dati trasmessi dai dispositivi e indirizzarli sul LAN via soket. Il gateway ha poi a bordo un log che consente l’analisi del traffico sulla rete LoRaWAN.

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