Compreendendo a arquitetura LoRa: nós, gateways e servidores

Para entender tudo sobre nós, gateways e servidores, primeiro devemos entender o que é uma rede LoRaWAN ou LoRa.

LoRaWAN (rede de área ampla de longo alcance)

LoRaWAN é um protocolo de rede de área ampla (LPWAN) de baixo consumo de energia projetado para permitir a comunicação de longo alcance entre dispositivos baseados em LoRa e a Internet. LoRaWAN baseia-se na tecnologia LoRa subjacente, adicionando recursos de rede e de camada de aplicativo que o tornam uma solução completa e padronizada para implantação de dispositivos e serviços IoT.

Figura 1. Arquitetura LoRa básica

Figura 2. Arquitetura de rede LoRa detalhada

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No sistema LoRa, um dispositivo que possui alguns sensores e está equipado com um transceptor LoRa é denominado nó. Alguns sensores que os nós LoRa podem conter são sensores ambientais, sensores de rastreamento de ativos, sensores industriais, sensores de medição inteligentes e sensores de segurança.

Sensores ambientais, como sensores de temperatura, umidade, qualidade do ar e umidade do solo, podem ser usados ​​em aplicações agrícolas, florestais e de cidades inteligentes.

Sensores de rastreamento de ativos, como rastreadores GPS, podem ser usados ​​em aplicações de logística, cadeia de suprimentos e gerenciamento de frota.

Sensores industriais, como sensores de pressão, fluxo e vibração, podem ser usados ​​em aplicações de fabricação, energia e serviços públicos.

Sensores de medição inteligentes, como medidores de água, gás e eletricidade, podem ser usados ​​em aplicações de serviços públicos e cidades inteligentes.

Sensores de segurança e proteção, como detectores de fumaça, sensores de intrusão e botões de pânico, podem ser usados ​​em aplicações de automação residencial, segurança pública e resposta a emergências.

A função do nó é coletar dados de seu ambiente, como temperatura, umidade ou movimento, e transmitir esses dados para um gateway pela rede LoRa. Os nós normalmente operam com bateria e são projetados para serem de baixo custo e baixo consumo de energia, para que possam operar por longos períodos de tempo sem a necessidade de serem recarregados ou substituídos.

Figura 3. Arquitetura básica do nó

Os princípios básicos da arquitetura do nó incluem sensores, microcontroladores, transceptores LoRa, uma antena, uma fonte de energia e um gabinete.

O sensor é o componente principal do nó que coleta dados do ambiente ou dispositivo que está sendo monitorado, enquanto o microcontrolador é responsável por processar os dados do sensor e codificá-los em um formato adequado para transmissão pela rede LoRa. O transceptor LoRa é um módulo de rádio que transmite e recebe dados utilizando modulação LoRa, enquanto a antena é responsável por transmitir e receber o sinal LoRa pelo ar. O nó, ou fonte de energia, normalmente é alimentado por uma bateria, que precisa ser escolhida com base nos requisitos de energia do nó e na vida útil esperada. Finalmente, o gabinete fornece proteção física ao nó e pode ser projetado para atender aos requisitos do caso de uso específico.

No geral, a arquitetura de um nó LoRa é projetada para ser de baixo consumo de energia, baixo custo e flexível, tornando-o adequado para uma ampla gama de aplicações IoT.

A comunicação dos nós
Os nós LoRa se comunicam com gateways pelo ar usando modulação LoRa. Eles transmitem pacotes de dados usando frequência específica, configurações de fator de espalhamento e também podem ouvir comandos ou mensagens de configuração da rede. Os nós LoRa podem operar ponto a ponto, comunicando-se diretamente com outros nós, ou em uma topologia estrela-de-estrela, comunicando-se com gateways que retransmitem seus dados para um servidor central pela Internet. No geral, os nós LoRa são um elemento fundamental das redes LoRa, permitindo a coleta e transmissão de dados de uma ampla gama de dispositivos e sensores em diversas aplicações IoT.

Figura 4. Comunicações do nó

Figura 5. Gateways em LoRa

Entradas
No LoRa, um gateway é um dispositivo que atua como uma ponte entre os nós LoRa e a Internet. O gateway recebe pacotes de dados dos nós LoRa e os encaminha para um servidor pela Internet. Da mesma forma, o gateway pode receber pacotes de dados do servidor e encaminhá-los para os nós LoRa apropriados.

Um gateway prático consiste em múltiplos canais para transmissão e recepção de dados através de LoRa, normalmente variando de 8 a 16 canais. Alguns gateways de última geração podem suportar ainda mais canais, até 72 canais.

Arquitetura
Basicamente, a arquitetura do gateway é igual à parte do nó de uma parte que é um adaptador de rede externo que conecta todo o circuito à internet. Assim, pode transmitir pacotes recebidos no protocolo LoRa. Aqui, o transceptor Lora é chamado de concentrador. Às vezes, também consiste em um processador poderoso em vez de um microcontrolador. Para conexão do servidor de rede, o gateway se conecta ao servidor de rede LoRa, que gerencia o fluxo de dados entre o gateway e os nós LoRa.

Figura 6. Arquitetura do gateway

Servidor LoRa
No LoRa, um servidor é um componente da infraestrutura de rede que processa e armazena dados transmitidos por nós e gateways LoRa. O servidor pode ser hospedado na nuvem ou em uma rede local e normalmente executa software especializado que permite receber, decodificar e processar dados transmitidos pela rede LoRa; tem um nome abreviado, LNS (servidor de rede LoRa). Às vezes, também consiste em um servidor de aplicativos, que transmite os dados diretamente para um banco de dados ou outros aplicativos. Usando HTTP, MQTT, UDP e outros serviços.

As principais funções de um servidor LoRa incluem:

  1. Gerenciamento de rede: o servidor LoRa gerencia toda a rede, incluindo nós e gateways, e garante que todos estejam devidamente configurados e registrados. É responsável por atribuir identificadores exclusivos a cada nó e gateway e manter o controle de sua localização.
  2. Segurança: o servidor LoRa garante que a rede esteja segura implementando protocolos de criptografia e autenticação. Ele também gerencia as chaves usadas para criptografia e descriptografia e garante que elas sejam atualizadas regularmente para manter a segurança da rede.
  3. Roteamento de dados: o servidor LoRa roteia dados entre nós, gateways e aplicativos. Ele garante que os dados sejam entregues ao destinatário correto e transmitidos de maneira segura e confiável.
  4. Integração de aplicações: o servidor LoRa fornece uma interface para que as aplicações acessem os dados coletados pelos nós e gateways. Ele também fornece ferramentas para desenvolvedores criarem aplicativos personalizados e integrá-los à rede LoRa.
  5. Análise e relatórios: o servidor LoRa fornece ferramentas para análise dos dados coletados pelos nós e gateways. Ele permite que os usuários criem relatórios e visualizações personalizados para obter insights sobre o desempenho da rede e identificar áreas de melhoria.

O servidor LoRa desempenha um papel crítico no sucesso de uma rede LoRa. Ele fornece um ponto central de controle para gerenciamento da rede, garante que os dados sejam transmitidos de forma segura e confiável e fornece ferramentas para análise e geração de relatórios sobre o desempenho da rede. O servidor normalmente é implantado em uma plataforma baseada em nuvem, o que permite fácil escalabilidade e gerenciamento remoto.

Software de código aberto de alguns servidores LoRa populares:

  1. The Things Network (TTN): The Things Network é um servidor LoRaWAN de código aberto amplamente utilizado que fornece infraestrutura baseada em nuvem para redes LoRaWAN. Ele oferece uma versão gratuita baseada na comunidade, bem como uma versão empresarial paga com recursos adicionais que podem ser encontrados aqui.
  2. ChirpStack: ChirpStack é outro servidor LoRaWAN de código aberto popular que fornece uma pilha completa para redes LoRaWAN, incluindo um servidor de rede, servidor de aplicativos e gerenciamento de dispositivos. Também oferece uma edição comunitária e uma edição empresarial paga. Pode ser encontrado aqui.

Por que precisamos de servidores e gateways no sistema RF?
O sistema RF era usado para ser uma comunicação simples entre dois dispositivos, um para muitos dispositivos e muitos para um dispositivo – e se você quisesse estender o alcance de um sistema RF, a rede mesh era usada.

Agora, para ampliar o alcance de qualquer sistema de RF, devemos usar gateways que não afetem a vida útil da bateria de outros nós ao nos comunicarmos com um nó.

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