Una puerta de enlace LoRa es una tecnología de comunicación inalámbrica diseñada para la comunicación de largo alcance y bajo consumo entre dispositivos para Internet de las cosas (IoT). La puerta de enlace LoRa recibe datos de los dispositivos y los reenvía a un servidor de red, que administra la red y se encarga del enrutamiento y procesamiento de los datos.
Las puertas de enlace suelen utilizar un chip concentrador LoRa dedicado para recibir y demodular señales de dispositivos finales. Luego convierte las señales demoduladas en paquetes IP y las envía a un servidor utilizando una red de retorno a través de una conexión celular o Ethernet. LoRaWAN es el protocolo de red que conecta la señal LoRa.
Las puertas de enlace LoRa son componentes esenciales ya que permiten la comunicación de largo alcance entre dispositivos, proporcionando conectividad a Internet. Estas puertas de enlace también pueden tener instalado un servidor de red LoRa (LNS). Las puertas de enlace pueden ser monocanal o multicanal según los requisitos.
En este artículo, analizaremos la arquitectura de la puerta de enlace LoRa y las plataformas de software disponibles.
Un diagrama de bloques de la puerta de enlace LoRa.
La arquitectura de la puerta de enlace LoRa.
La arquitectura de la puerta de enlace
1. La capa física
La capa física de la puerta de enlace LoRa consta de un transceptor de radio capaz de recibir señales LoRa desde dispositivos finales. La puerta de enlace suele utilizar un chip concentrador LoRa dedicado que puede demodular señales LoRa.
La capa física de la puerta de enlace LoRa.
Hay varios tipos de chips concentradores disponibles:
- Semtech SX1301: un procesador de banda base altamente integrado para comunicaciones inalámbricas de largo alcance y bajo consumo utilizando tecnología LoRa. A menudo se utiliza en puertas de enlace LoRa de nivel profesional y admite hasta ocho canales para la recepción simultánea de señales LoRa.
El chip concentrador Semtech SX1301.
- Semtech SX1308 : un chip concentrador LoRa de bajo costo y bajo consumo que se usa comúnmente en puertas de enlace interiores y exteriores. Admite hasta 8 canales y puede manejar hasta 27 paquetes por segundo.
- Semtech SX1257/58 : transceptores LoRa de un solo canal que se utilizan a menudo en puertas de enlace de bajo coste y bajo consumo. Son capaces de recibir y transmitir señales LoRa a una distancia de hasta 15 km.
- IMST iC880A: un módulo de puerta de enlace LoRaWAN altamente integrado que incluye un chip concentrador Semtech SX1301 y un microcontrolador de bajo consumo. Es ampliamente utilizado en puertas de enlace LoRa profesionales y de bricolaje.
- RAK831 Wireless RAK : un módulo de puerta de enlace LoRaWAN que cuenta con un chip concentrador Semtech SX1301 y una interfaz compatible con Raspberry Pi. Es una opción popular para aficionados y proyectos de bricolaje.
También hay escudos disponibles para los chips anteriores que funcionan con Raspberry Pi.
Cada chip concentrador funciona con frontales de RF, que manejan los sencillos de RF. Los amplificadores de potencia (PA) se utilizan para enviar y los amplificadores de bajo ruido (LNA) se utilizan para recibir mensajes entre dispositivos de largo alcance.
2. La capa de enlace de datos: responsable de convertir las señales LoRa demoduladas sin procesar en paquetes que se pueden enviar a través de la red.
La capa de enlace de datos de la puerta de enlace LoRa.
3. La capa de red: responsable de reenviar paquetes LoRa al servidor de red. Por lo general, esto se hace mediante una red de retorno, como una conexión celular o Ethernet.
La capa de red de la puerta de enlace LoRa.
Quectel EC200U es actualmente uno de los módulos 4G más comunes, ideal para usar cuando Ethernet o WiFi no están disponibles. Sin embargo, la mayoría de las placas de procesador vienen con chips Ethernet y Wi-Fi integrados.
La placa procesadora Quectel EC200U.
4. El procesador: responsable de controlar el hardware de la puerta de enlace, administrar la interfaz de red y ejecutar el software de la puerta de enlace. Normalmente es un microcontrolador o un sistema en chip (SoC) que ejecuta un sistema operativo en tiempo real (RTOS).
La capa de red: el lado del procesador de la puerta de enlace LoRa.
Tipos de procesadores de puerta de enlace LoRa de un solo canal:
- ESP32: un microcontrolador de bajo costo y bajo consumo comúnmente utilizado en aplicaciones de IoT. Tiene conectividad Wi-Fi y Bluetooth integrada y se puede utilizar como puerta de enlace LoRa con una tarjeta hub LoRa compatible.
- BeagleBone Black: un potente ordenador de placa única diseñado para aplicaciones integradas. Puede ejecutar un sistema operativo Linux completo y es capaz de admitir una pila de software de puerta de enlace LoRa.
Tipos de procesadores de puerta de enlace LoRa multicanal:
- Raspberry Pi 4: una versión más potente de Raspberry Pi, capaz de admitir múltiples canales LoRa. Puede ejecutar una pila de software de puerta de enlace LoRa y se puede integrar fácilmente en una placa concentradora LoRa multicanal como la RAK2245.
El procesador de puerta de enlace multicanal Raspberry Pi 4.
- Intel NUC : una computadora de factor de forma pequeño comúnmente utilizada para aplicaciones industriales y comerciales. Es capaz de ejecutar un sistema operativo Linux completo y puede admitir una pila de software de puerta de enlace LoRa multicanal.
- NVIDIA Jetson Nano: una computadora de alto rendimiento y bajo costo diseñada para aplicaciones de inteligencia artificial y aprendizaje automático. También se puede utilizar como puerta de enlace LoRa multicanal con una tarjeta hub LoRa compatible.
5. La pila de software: consta de varias capas de software que funcionan juntas para proporcionar la funcionalidad de puerta de enlace LoRa. Esto incluye el firmware que se ejecuta en el procesador de la puerta de enlace y la pila LoRaWAN que implementa el protocolo LoRaWAN.
La capa de aplicación con la pila de software.
- The Things Portal: una pila de software de puerta de enlace LoRaWAN de código abierto desarrollada por la comunidad The Things Network. Funciona con múltiples tarjetas hub LoRa y admite múltiples canales y bandas de frecuencia.
- Semtech Packet Forwarder: pila de software de puerta de enlace LoRa desarrollada por Semtech, creador de la tecnología LoRa. Funciona con el chip concentrador SX1301 de Semtech y se puede utilizar con varios microcontroladores y computadoras de placa única.
- ChirpStack Gateway OS: una pila de software de puerta de enlace LoRaWAN de código abierto de la comunidad ChirpStack. Funciona con múltiples tarjetas hub LoRa y admite múltiples canales y bandas de frecuencia.
- LoRa Gateway Bridge: pila de software de puerta de enlace LoRa desarrollada por LoRa Alliance. Funciona con varias placas concentradores LoRa y se puede utilizar con diferentes tipos de microcontroladores y computadoras de placa única.
- TTN Gateway : una pila de software de puerta de enlace LoRaWAN de código abierto de la comunidad The Things Network. Funciona con múltiples tarjetas hub LoRa y admite múltiples canales y bandas de frecuencia.
6. La antena: responsable de recibir señales LoRa de los dispositivos finales. Suele ser una antena direccional de alta ganancia montada en el techo o en un punto alto para garantizar la máxima cobertura.
La antena LoRa.
En general, una puerta de enlace LoRa es un sistema complejo que requiere hardware y software especializados para funcionar correctamente. Desempeña un papel fundamental en las redes LoRaWAN, proporcionando un puente entre los dispositivos finales y el servidor de red, lo que permite una comunicación de largo alcance y bajo consumo con dispositivos IoT.