Um gateway LoRa é uma tecnologia de comunicação sem fio projetada para comunicação de longo alcance e baixo consumo de energia entre dispositivos para a Internet das coisas (IoT). O gateway LoRa recebe os dados dos dispositivos, encaminhando-os para um servidor de rede, que gerencia a rede e cuida do roteamento e processamento dos dados.
Os gateways normalmente usam um chip concentrador LoRa dedicado para receber e demodular os sinais dos dispositivos finais. Em seguida, ele converte os sinais demodulados em pacotes IP e os envia para um servidor usando uma rede backhaul por meio de uma conexão celular ou Ethernet. LoRaWAN é o protocolo de rede que liga o sinal LoRa.
Os gateways LoRa são componentes essenciais, pois permitem a comunicação de longo alcance entre dispositivos, fornecendo conectividade à Internet. Esses gateways também podem ter um servidor de rede LoRa (LNS) instalado. Os gateways podem ser únicos e multicanais, dependendo dos requisitos.
Neste artigo, discutiremos a arquitetura do gateway LoRa e as plataformas de software disponíveis.
Um diagrama de blocos do gateway LoRa.
A arquitetura do gateway LoRa.
A arquitetura do gateway
1. A camada física
A camada física do gateway LoRa consiste em um transceptor de rádio capaz de receber sinais LoRa de dispositivos finais. O gateway normalmente usa um chip concentrador LoRa dedicado que pode demodular sinais LoRa.
A camada física do gateway LoRa.
Existem vários tipos de chips concentradores disponíveis:
- Semtech SX1301: um processador de banda base altamente integrado para comunicação sem fio de longo alcance e baixo consumo de energia usando tecnologia LoRa. É frequentemente usado em gateways LoRa de nível profissional e suporta até oito canais para recepção simultânea de sinais LoRa.
O chip concentrador Semtech SX1301.
- Semtech SX1308: um chip concentrador LoRa de baixo custo e baixo consumo de energia que é comumente usado em gateways internos e externos. Ele suporta até 8 canais e pode lidar com até 27 pacotes por segundo.
- Semtech SX1257/58: transceptores LoRa de canal único que são frequentemente usados em gateways de baixo custo e baixo consumo de energia. Eles são capazes de receber e transmitir sinais LoRa a um alcance de até 15 km.
- IMST iC880A: um módulo de gateway LoRaWAN altamente integrado que inclui um chip concentrador Semtech SX1301 e um microcontrolador de baixo consumo de energia. É amplamente utilizado em gateways LoRa DIY e profissionais.
- RAK sem fio RAK831: um módulo de gateway LoRaWAN que possui um chip concentrador Semtech SX1301 e uma interface compatível com Raspberry Pi. É uma escolha popular para amadores e projetos DIY.
Também existem escudos disponíveis para os chips acima que funcionam com Raspberry Pi.
Cada chip concentrador funciona com front-ends de RF, que lidam com os singles de RF. Amplificadores de potência (PA) são usados para enviar e amplificadores de baixo ruído (LNAs) são usados para receber mensagens entre dispositivos de longo alcance.
2. A camada de enlace de dados: responsável por converter os sinais LoRa demodulados brutos em pacotes que podem ser enviados pela rede.
A camada de enlace de dados do gateway LoRa.
3. A camada de rede: responsável por encaminhar os pacotes LoRa para o servidor da rede. Isso normalmente é feito usando uma rede backhaul, como uma conexão celular ou Ethernet.
A camada de rede do gateway LoRa.
Quectel EC200U é atualmente um dos módulos 4G mais comuns, ideal para uso quando Ethernet ou WiFi não estão disponíveis. No entanto, a maioria das placas de processador vem com chips Ethernet e Wi-Fi integrados.
A placa do processador Quectel EC200U.
4. O processador: responsável por controlar o hardware do gateway, gerenciar a interface de rede e executar o software do gateway. Normalmente é um microcontrolador ou um sistema em chip (SoC) que executa um sistema operacional em tempo real (RTOS).
A camada de rede – o lado do processador do gateway LoRa.
Tipos de processadores de gateway LoRa de canal único:
- ESP32: um microcontrolador de baixo custo e baixo consumo de energia comumente usado em aplicações IoT. Possui conectividade Wi-Fi e Bluetooth integrada e pode ser usado como um gateway LoRa com uma placa concentradora LoRa compatível.
- BeagleBone Preto: um poderoso computador de placa única projetado para aplicações embarcadas. Ele pode executar um sistema operacional Linux completo e é capaz de suportar uma pilha de software de gateway LoRa.
Tipos de processadores de gateway LoRa multicanal:
- Framboesa Pi 4: uma versão mais poderosa do Raspberry Pi, capaz de suportar vários canais LoRa. Ele pode executar uma pilha de software de gateway LoRa e pode ser facilmente integrado a uma placa concentradora LoRa multicanal, como o RAK2245.
O processador de gateway multicanal Raspberry Pi 4.
- Intel NUC: um computador de formato pequeno comumente usado para aplicações industriais e comerciais. Ele é capaz de executar um sistema operacional Linux completo e pode suportar uma pilha de software de gateway LoRa multicanal.
- NVIDIA Jetson Nano: um computador de baixo custo e alto desempenho projetado para aplicações de IA e aprendizado de máquina. Ele também pode ser usado como um gateway LoRa multicanal com uma placa concentradora LoRa compatível.
5. A pilha de software: consiste em várias camadas de software que trabalham juntas para fornecer funcionalidade de gateway LoRa. Isso inclui o firmware executado no processador do gateway e a pilha LoRaWAN que implementa o protocolo LoRaWAN.
A camada de aplicação com a pilha de software.
- O portal das coisas: uma pilha de software de gateway LoRaWAN de código aberto desenvolvida pela comunidade The Things Network. Funciona com várias placas concentradoras LoRa e suporta vários canais e bandas de frequência.
- Encaminhador de pacotes Semtech: Pilha de software de gateway LoRa desenvolvida pela Semtech, criadora da tecnologia LoRa. Funciona com o chip concentrador SX1301 da Semtech e pode ser usado com vários microcontroladores e computadores de placa única.
- SO do gateway ChirpStack: uma pilha de software de gateway LoRaWAN de código aberto da comunidade ChirpStack. Funciona com várias placas concentradoras LoRa e suporta vários canais e bandas de frequência.
- Ponte LoRa Gateway: Pilha de software de gateway LoRa desenvolvida pela LoRa Alliance. Funciona com diversas placas concentradoras LoRa e pode ser usado com diversos tipos de microcontroladores e computadores de placa única.
- Gateway TTN: uma pilha de software de gateway LoRaWAN de código aberto da comunidade The Things Network. Funciona com várias placas concentradoras LoRa e suporta vários canais e bandas de frequência.
6. A antena: responsável por receber sinais LoRa de dispositivos finais. Normalmente é uma antena direcional de alto ganho montada no telhado ou em um ponto alto para garantir cobertura máxima.
A antena LoRa.
No geral, um gateway LoRa é um sistema complexo que requer hardware e software especializados para funcionar corretamente. Ele desempenha um papel crítico nas redes LoRaWAN, fornecendo uma ponte entre os dispositivos finais e o servidor de rede – permitindo comunicação de longo alcance e baixo consumo de energia com dispositivos IoT.
