La scelta di LoRa

sensoristica tecnologia LoRa
Non preoccuparti, non sei su un articolo che vuole fare la recensione di un film romantico in cui la “Lora” è chiamata a fare una scelta tra i suoi pretendenti. la scelta di cui TI parleremo è in realtà quella fatta dal team di ricerca Nexsoft nell’ambito del progetto “Smart Watertech”.
Internet of things – Rete di oggetti dotati di tecnologie di identificazione, collegati fra di loro, in grado di comunicare sia reciprocamente sia verso punti nodali del sistema, ma soprattutto in grado di costituire un enorme network di cose dove ognuna di esse è rintracciabile per nome e in riferimento alla posizione. L’espressione «Internet delle cose» è stata coniata nel 1999 da Kevin Ashton.”

L’antefatto del progetto

Nexsoft Ricerca Smart Watertech

In un articolo precedente abbiamo introdotto il progetto “Smart Watertech e l’importanza delle Wireless Sensor Network al fine di individuare le perdite in una rete idrica; qui vi spiegheremo quale tecnologia è stata utilizzata e il perché della scelta di “Lora”.

Da ZigBee a LoRa

Nel momento in cui fu presentato questo progetto si riteneva che la rete WSN potesse essere basata su tecnologia ZigBee. E infatti chi ha lavorato o anche bazzicato con microcontrollori e comunicazione wireless a basso consumo sicuramente si è imbattuto in ZigBee e ha letto della “ZigBee Alliance”, ancora oggi uno dei principali standard di comunicazione wireless adottato con particolare focus in ambito sensoristica, caratterizzato da una bassa velocità di trasmissione a fronte di un ridottissimo consumo energetico. Limite di tale tecnologia è il basso range di copertura.

Nel ciclo di vita del progetto di cui sopra ci siamo quindi imbattuti in una tecnologia che ormai da qualche anno sta divenendo sempre più popolare soprattutto in ambito Internet of Things: la tecnologia LoRa.

Tecnologie LPWAN (Low Power Wide Area Network)

Il crescere della sensoristica tipica dell’IoT ha comportato un’equivalente crescita della richiesta di connettività a basso consumo e lunga distanza; sono venute alla luce pertanto un insieme di tecnologie LPWAN (Low Power Wide Area Network) sulle quali molti operatori nazionali ed internazionali hanno effettuato sperimentazioni ed investimenti.
Prevalentemente queste tecnologie sono divise in due grosse categorie: quelle che utilizzano frequenze a pagamento e quelle che utilizzano frequenze libere.
Nella figura che segue, uno schema semplificativo:

Le tecnologie a sinistra sono basate su frequenze a pagamento, utilizzate esclusivamente dalle compagnie telefoniche, ed al momento non vedono una elevata diffusione, mentre quelle a destra sfruttano bande europee gratuite e per questo molto utilizzate per sperimentazioni ed è qui che si colloca Lora.

Il protocollo LoRa

LoRa (Long Range) è una tecnologia sviluppata dalla Semtec, in grado di assecondare le esigenze di banda libera affiancate da una rete di sensori disseminati su una ampia zona.

Basata su una tecnica di modulazione Spread-Spectrum, precisamente CSS (Chirp Spread Spectrum) con variazione di frequenza che a fronte di una elevata sensibilità del ricetrasmettitore, consente la trasmissione di segnali con piccoli contenuti informativi a lunghe distanze e mostra elevata resilienza ad interferenze e rumore.

Si basa sull’utilizzo di banda al di sotto del GHz (109, 433, 866 e 915 MHz, frequenza libera utilizzata in Europa è la 868 MHz), e definisce lo stack fino al livello MAC, come puoi vedere dalla figura sotto.

protocollo LoraWAN

La sua possibilità di presentare a livello MAC un protocollo aperto rende possibile la capacità per tutti di crearsi un gateway e cloud privati per sviluppi IoT.

La trasmissione è bidirezionale ed i dispositivi vengono suddivisi in tre classi (A B C) in base alla capacità di invio e ricezione.

In classe A il dispositivo è in grado di inviare pacchetti dati al proprio gateway e di aprire due finestre temporali, durante le quali è possibile ricevere dati dall’esterno.

Nei dispositivi di classe B, oltre alle caratteristiche di classe A, vengono riservati altri due slot temporali di downlink.

L’ultima, la classe C, prevede un continuo ascolto, verso dati provenienti dall’esterno tranne nei momenti in cui si devono trasmettere pacchetti.

Il protocollo LoRaWAN

A LoRa si affianca il protocollo LoRaWAN che è un protocollo di comunicazione open source che offre soluzioni per gli altri strati della rete.

LoRaWAN ha impatto nel controllo della durata della batteria dei dispositivi, nella capacità della rete, nella qualità del servizio, nella sicurezza ed in molte altre applicazioni presenti nella rete.

Gli oggetti presenti in una tipica rete LoRa sono costituiti da nodi di rete, tipicamente sensori installati sul campo con capacità di autoalimentarsi e di trasmettere stream informativi tra loro, utilizzando device dotati di hardware rice-trasmissivo, gateway di rete, network server e application server.

Una rete LoRa viene configurata tipicamente in tipologia stella e si può agire sulla ottimizzazione della trasmissione per estendere il raggio di funzionamento dei nodi periferici. In ambienti di sperimentazione e particolarmente scelti si sono riusciti a coprire distanze di comunicazione importanti, circa 700Km, ovviamente veicolando contenuti informativi molto bassi.

rete LoRa

Come si può vedere dalla figura sopra l’informazione dal end-node viene veicolato dal Gateway al network server e poi all’application server che sono nodi più complessi e che possono comunicare con il resto della rete Internet.

Conclusioni

In questo primo articolo dedicato a Lo.Ra abbiamo presentato i concetti base della tecnologia. Continueremo in successivi articoli ad approfondire il mondo WSN e LoRa/LoRaWAN.


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