Avete già sentito parlare di LoRaWAN, ma termini come gateway, uplink, downlink o Spreading Factor vi sembrano ancora poco chiari? Non preoccupatevi: non è necessario essere esperti di radio per capire come funziona una rete LoRaWAN.
Provate semplicemente a immaginare un sensore di temperatura installato in un locale tecnico o in una sala riunioni. Questo sensore deve inviare regolarmente i propri dati a un sistema di monitoraggio, senza cavi di comunicazione e senza dover sostituire la batteria ogni sei mesi. È esattamente il tipo di esigenza a cui risponde il protocollo LoRaWAN.
In questo articolo scopriremo passo dopo passo:
- cos’è LoRaWAN
- Come circola un dato?
- A cosa servono i sensori, i gateway e il server LoRaWAN
- Cosa significano "uplink" e "downlink"
- Come funzionano le classi A, B e C
- Come LoRaWAN gestisce la portata, l'autonomia e la sicurezza
- Come scegliere tra una rete LoRaWAN privata e una rete gestita.
Alla fine di questo articolo, avrete compreso i fondamenti di LoRaWAN e il ruolo di ciascun elemento della rete.
Che cos’è LoRaWAN?
Informazioni
LoRaWAN è un protocollo di comunicazione radio progettato per gli oggetti connessi. Appartiene alla famiglia delle reti LPWAN, acronimo di Low Power Wide Area Network. In italiano, questo termine indica una rete estesa a basso consumo energetico.
Il protocollo LoRaWAN è particolarmente indicato per le apparecchiature che devono:
- funzionare per diversi anni con la batteria
- inviare i propri dati senza cavi
- percorrere una distanza considerevole
- attraversare diverse pareti o piani
- inviare brevi messaggi a intervalli regolari.
All’interno di un edificio, un sensore LoRaWAN può, ad esempio, misurare:
- una temperatura
- un tasso di umidità
- una concentrazione di CO₂
- il consumo di acqua, gas o elettricità
- l'apertura di una porta o di una finestra
- lo stato di un'apparecchiatura
- una perdita d'acqua
- la posizione di una valvola.
LoRaWAN è quindi ampiamente utilizzato nei settori dell'edilizia intelligente, dei BMS, dell'industria, dell'agricoltura, della logistica e delle città connesse.
A cosa non è destinato LoRaWAN?
LoRaWAN è progettato per trasmettere piccole quantità di dati: una temperatura, uno stato, un indice o un allarme. Non è adatto all’invio di:
- di un video
- di un suono continuo
- di file di grandi dimensioni
- centinaia di misurazioni al secondo.
Un sensore che invia un dato di temperatura ogni dieci minuti si adatta perfettamente all'uso di LoRaWAN. Una telecamera che trasmette un video in diretta, invece no.
Qual è la differenza tra LoRa e LoRaWAN?
I termini LoRa e LoRaWAN vengono spesso utilizzati come se indicassero la stessa cosa. In realtà, corrispondono a due concetti diversi.
LoRa: il segnale radio
LoRa indica la tecnologia di modulazione utilizzata per trasmettere un messaggio via etere. Si tratta della parte “radio” della comunicazione. Consente in particolare di ottenere una buona portata con un consumo energetico limitato.
LoRaWAN: le regole della rete
LoRaWAN è il protocollo che regola le comunicazioni. In particolare, definisce:
- come un oggetto entra a far parte della rete
- quando può inviare un messaggio
- quando può ricevere un ordine
- Come vengono protetti gli scambi
- come la rete gestisce i diversi oggetti.
Si può fare un semplice paragone: LoRa è la strada percorsa dal messaggio. LoRaWAN corrisponde al codice della strada, ai cartelli e alle norme di circolazione. I due sono complementari. LoRa trasporta il segnale, mentre LoRaWAN organizza la rete.
Come funziona una rete LoRaWAN?
Una rete LoRaWAN può sembrare complessa quando si osserva uno schema tecnico. Tuttavia, la sua architettura si basa su quattro elementi facilmente identificabili:
- il sensore o l'oggetto connesso
- il gateway LoRaWAN
- il LoRa Network Server
- l'applicazione aziendale o il BMS
1. Il sensore LoRaWAN misura e invia
Il sensore è il punto di partenza dei dati. Misura, ad esempio, una temperatura di 21,4 °C, quindi trasforma tale misurazione in un breve messaggio digitale. Successivamente invia questo messaggio via radio.
2. Il gateway LoRaWAN riceve il messaggio
Il gateway LoRaWAN, noto anche come passerella LoRaWAN, rileva i messaggi inviati dai sensori presenti nella sua area di copertura. Riceve i frame radio e li inoltra al server incaricato di gestire la rete. Il gateway funge quindi da ripetitore. Non decide autonomamente il significato dei dati.
3. L'LNS gestisce la rete
Il LoRa Network Server, spesso abbreviato in LNS, è il cervello della rete LoRaWAN.
In particolare, gestisce:
- i sensori autorizzati a collegarsi alla rete
- l'autenticazione dei sensori
- alcuni parametri radio
- l'invio di messaggi ai sensori
- l'eliminazione dei messaggi ricevuti più volte
L'LNS può essere:
- integrato direttamente in un gateway
- installato su un server locale
- ospitato nel cloud
4. L'applicazione utilizza i dati
Una volta elaborato il messaggio, i dati devono essere resi comprensibili e utilizzabili. Possono essere inviati a:
- un sistema di gestione della batteria ( BMS)
- un robot
- una supervisione
- una piattaforma IoT
- un software di monitoraggio energetico
- un'applicazione aziendale.
In un edificio, un gateway con LNS integrato può, ad esempio, mettere i dati a disposizione di un PLC tramite protocolli come Modbus o BACnet.
L'intero processo di una misurazione
Torniamo al nostro sensore di temperatura:
- il sensore rileva una temperatura di 21,4 °C
- invia un frame LoRaWAN
- un gateway riceve questo frame
- L'LNS verifica e organizza il messaggio
- il dato viene decodificato
Uplink e downlink: in quale direzione circolano i dati?
In una rete LoRaWAN, i messaggi possono circolare in entrambe le direzioni. Si parla quindi diuplink e downlink.
Che cos’è un uplink LoRaWAN?
Un uplink è un messaggio inviato dal sensore alla rete. Si tratta di un messaggio “in salita”. Un uplink può contenere informazioni quali:
- una temperatura
- un livello di CO₂
- un indicatore del contatore
- un allarme
- lo stato di un ingresso
- il livello di carica della batteria del sensore.
Il percorso è il seguente:
Sensore → Gateway → LNS → Applicazione o BMS
Per ricordare questo termine, pensate semplicemente alla parola inglese “up”, che significa “verso l’alto”.
Che cos’è un downlink LoRaWAN?
Un downlink viaggia in direzione opposta. Si tratta di un messaggio inviato dalla rete al sensore. Può servire a:
- modificare la frequenza di invio dei dati di un sensore
- modificare una soglia di allarme
- trasmettere una nuova istruzione
- aprire o chiudere un relè
- modificare la posizione di una valvola.
Il percorso diventa quindi:
Applicazione o BMS LNS → Gateway → Oggetto
Esempio con una valvola termostatica
Una valvola misura la temperatura di un locale e la trasmette tramite uplink. Il BMS la misura e decide di ridurre il riscaldamento. Invia quindi un nuovo valore di riferimento tramite downlink. La valvola riceve tale valore di riferimento e chiude leggermente il proprio motore.
LoRaWAN consente quindi sia di raccogliere dati sia di controllare determinate apparecchiature.
I downlink rimangono tuttavia più limitati rispetto agli uplink. Un dispositivo alimentato a batteria non è necessariamente sempre in ascolto della rete. Il momento in cui può ricevere un comando dipende, in particolare, dalla sua classe LoRaWAN.
Le classi LoRaWAN A, B e C spiegate in modo semplice
La classe di un sensore LoRaWAN ne definisce il comportamento radio.
Risponde a tre domande:
- Quando l'oggetto invia i propri dati?
- Quando ascolta la rete?
- Quando può ricevere un ordine?
Esistono tre classi principali: A, B e C.
| Classe | Funzionamento | Consumo | Uso comune |
|---|---|---|---|
| A | Effettua un breve ascolto dopo aver inviato un dato | Molto basso | Sensori alimentati a batteria |
| B | Ascolto in orari prestabiliti | Intermedio | Applicazioni specifiche |
| C | Ascolta quasi sempre | Elevata | Attuatori alimentati |
Classe A: il sensore LoRaWAN rimane inattivo per la maggior parte del tempo
La classe A è quella più utilizzata.
Il suo funzionamento è semplice:
- il sensore si riattiva
- effettua una misurazione
- invia un uplink
- apre due brevi finestre di ricezione
- eventualmente riceve un downlink
- torna in stato di ibernazione.
Il sensore trascorre quindi la maggior parte del tempo in modalità di standby. È proprio questo che gli permette di funzionare per diversi anni con la batteria.
La classe A è particolarmente indicata per:
- sensori di temperatura
- sensori di umidità
- contatori
- sensori di apertura
- sensori di qualità dell'aria.
Il suo principale limite riguarda i comandi in downlink. Per inviare un downlink, la rete deve generalmente attendere che il sensore abbia trasmesso un uplink e abbia aperto le proprie finestre di ricezione.
La classe A favorisce quindi l'autonomia, ma non la reazione immediata.
Classe B: il sensore LoRaWAN si attiva a orari prestabiliti
Nella classe B, il sensore attiva finestre di ascolto programmate.
La rete e il dispositivo si sincronizzano tramite messaggi chiamati "beacon". In questo modo il sensore sa in quali momenti deve essere pronto a ricevere un eventuale comando.
Si può paragonare questo funzionamento a una persona che controlla la propria cassetta delle lettere a orari prestabiliti.
La classe B rappresenta un compromesso tra autonomia e disponibilità, ma rimane relativamente poco utilizzata nelle applicazioni comuni dei BMS.
Classe C: il dispositivo rimane sempre in ascolto
Nella classe C, l'oggetto è in ascolto quasi continuo sulla rete, tranne quando sta trasmettendo.
Può quindi ricevere un ordine praticamente in qualsiasi momento.
Questa classe è adatta alle apparecchiature che devono reagire rapidamente:
- relè
- attuatori
- valvole alimentate
- termostati
- sistemi di controllo.
Questo funzionamento in ascolto continuo consuma molta energia. Gli apparecchi di classe C sono quindi generalmente collegati a un alimentatore esterno.
Quali frequenze utilizza LoRaWAN?
Il protocollo LoRaWAN non utilizza esattamente la stessa banda radio in tutto il mondo.
Le frequenze dipendono dalle normative locali.
In Europa, e quindi anche in Francia, la rete LoRaWAN utilizza principalmente la banda EU868, intorno agli 868 MHz.
Negli Stati Uniti si utilizza principalmente la banda US915. In Australia, la banda utilizzata è denominata AU915.
Ciò significa che un sensore progettato per il mercato statunitense non è automaticamente compatibile con una rete europea.
Prima di un'implementazione, è necessario verificare che:
- il sensore utilizza la frequenza corretta
- Il gateway utilizza lo stesso piano di frequenza
- le attrezzature sono autorizzate nel Paese in questione.
Le bande LoRaWAN sono generalmente cosiddette “bande libere”. Non è necessario acquistare una licenza radio per utilizzarle.
L'alleanza LoRa definisce in questo documento le frequenze utilizzabili per ciascun paese.
Fattore di diffusione, ADR e ciclo di lavoro: i tre concetti fondamentali da conoscere nel campo delle comunicazioni radio
Questi tre termini sembrano tecnici. Il loro principio è però piuttosto semplice.
Il fattore di diffusione: andare veloce o andare lontano
Lo Spreading Factor, abbreviato in SF, influisce sulla durata e sulla resistenza di un messaggio radio. Generalmente è compreso tra SF7 e SF12.
Immaginate di dover comunicare una frase a una persona che si trova lontana da voi. Quando è vicina, potete parlare velocemente. Quando è molto lontana, dovete parlare più lentamente e pronunciare chiaramente ogni parola per farvi capire. In LoRaWAN, il principio è simile.
Con un SF basso, come SF7
Il messaggio viene inviato rapidamente.
Ciò consente di:
- di consumare meno energia
- di occupare la frequenza per un periodo più breve
- aumentare la capacità complessiva della rete.
Questa modalità è particolarmente indicata quando il sensore si trova vicino al gateway e il collegamento radio è buono.
Con un SF elevato, come SF12
Il messaggio rimane in onda più a lungo. Diventa più facile da rilevare quando il segnale è debole, ma:
- la spedizione richiede più tempo
- il sensore consuma di più
- il canale radio rimane occupato più a lungo.
Un SF elevato non è quindi sempre la scelta migliore. L'obiettivo è utilizzare l'SF più basso che consenta di mantenere una comunicazione affidabile.
L’ADR: la regolazione automatica della rete
ADR sta per Adaptive Data Rate. Questa funzione consente alla rete di adattare automaticamente alcuni parametri radio del sensore. L'LNS analizza la qualità dei messaggi ricevuti.
Se un sensore utilizza SF12 pur avendo un'ottima ricezione, la rete può chiedergli di utilizzare un SF più basso. Il messaggio verrà inviato più rapidamente e la batteria sarà sottoposta a un minore carico. Al contrario, se il collegamento è difficile, la rete può optare per parametri più robusti.
L'ADR funge quindi da sistema di regolazione automatica che cerca il miglior equilibrio tra:
- portata
- affidabilità
- consumo
- tempo di occupazione della banda radio.
Questa funzione è particolarmente indicata per i sensori fissi installati all'interno di un edificio.
Il ciclo di lavoro: ognuno deve aspettare il proprio turno
Il Duty Cycle limita il tempo durante il quale un dispositivo può trasmettere. Perché esiste questa regola? Perché le frequenze radio sono condivise. Se tutti i sensori trasmettessero continuamente, la rete diventerebbe rapidamente inutilizzabile. Il Duty Cycle impone quindi un tempo massimo di trasmissione.
Ad esempio, un Duty Cycle dell'1% corrisponde, in termini semplificati, a un massimo di 36 secondi di trasmissione all'ora sulla sottobanda in questione.
Questa regola incoraggia l'invio di:
- messaggi brevi
- solo i dati utili
- con una frequenza adeguata alle esigenze.
Più alto è lo Spreading Factor, più a lungo il messaggio rimane in trasmissione e più rapidamente utilizza il tempo a disposizione. Ecco perché LoRaWAN non è progettato per l'invio continuo di dati.
In che modo vengono protette le comunicazioni LoRaWAN?
Una comunicazione radio può potenzialmente essere intercettata. La sicurezza è quindi integrata nel funzionamento del protocollo LoRaWAN.
Per comprendere l'attivazione di un oggetto, è necessario conoscere tre informazioni fondamentali.
| Informazioni | Ruolo | Confronto semplice |
|---|---|---|
| DevEUI | Identifica l'oggetto in modo univoco | Numero di serie |
| JoinEUI o AppEUI | Identifica il servizio di registrazione | Indirizzo dello sportello |
| AppKey | Segreto utilizzato per autenticare l'oggetto | Password riservata |
Il DevEUI
Il DevEUI è l'identificativo univoco del sensore.
Due dispositivi non devono avere lo stesso DevEUI. Questo permette alla rete di sapere con precisione quale dispositivo sta cercando di comunicare.
L’AppEUI
L’AppEUI indica a quale servizio di attivazione l’oggetto desidera rivolgersi.
Si può paragonare all'indirizzo dello sportello presso il quale il sensore deve registrarsi.
L'AppKey
L'AppKey è una chiave segreta.
È identificata dall’oggetto e dall’infrastruttura incaricata di autenticarla. Non deve mai essere pubblicata o comunicata senza protezione.
L'AppKey può essere paragonata alla password principale del sensore.
Come funziona l'attivazione OTAA?
Il metodo di attivazione più diffuso è denominato OTAA, acronimo di Over-the-Air Activation.
All'avvio:
- il sensore invia una richiesta di connessione denominata " Join Request"
- la rete verifica che il sensore sia autorizzato
- la rete restituisce un " Join Accept"
- vengono create le chiavi di sessione
- Il sensore può iniziare a trasmettere i propri dati.
LoRaWAN utilizza la crittografia AES-128 per proteggere le comunicazioni.
I dati rilevanti sono crittografati e i messaggi sono autenticati. Chiunque intercettasse un pacchetto radio non potrebbe quindi semplicemente leggerne il contenuto.
Rete LoRaWAN privata o rete pubblica: qual è la differenza?
Esistono due modi principali per implementare una rete LoRaWAN.
La rete LoRaWAN privata
In una rete privata, l'azienda implementa e gestisce la propria infrastruttura.
Installa:
- i suoi sensori
- uno o più gateway
- il proprio LNS, locale o remoto
- le interfacce con il sistema di gestione dell'edificio ( BMS l'applicazione aziendale.
In un edificio, un gateway può essere installato in un quadro elettrico. Riceve i dati dai sensori e può poi trasmetterli a un controllore tramite Modbus o BACnet.
I principali vantaggi sono:
- la gestione dell'infrastruttura
- la conservazione locale dei dati
- l'integrazione diretta con il sistema BMS dell BMS)
- l'assenza di un abbonamento con l'operatore per ciascun sensore, esclusi eventuali servizi
- una copertura realizzata su misura per l'edificio.
In cambio, il gestore deve installare, configurare e provvedere alla manutenzione della propria rete.
La rete LoRaWAN pubblica o gestita
In una rete pubblica, l'infrastruttura viene implementata da un operatore. L'utente può collegare i propri sensori alla rete esistente, a condizione che:
- che l'area sia coperta
- che i sensori siano compatibili
- sottoscrivere i servizi necessari (abbonamenti…)
I dati vengono generalmente inviati all'ambiente cloud dell'operatore e poi recuperati da un'applicazione aziendale tramite un'API o un connettore.
Questa soluzione è interessante quando gli oggetti sono distribuiti su più sedi o su un'area geografica estesa.
| Rete privata | Rete pubblica o gestita |
|---|---|
| Gateway installati dall'azienda | Gateway installati da un operatore |
| Copertura gestita a livello locale | Copertura dipendente dall'operatore |
| Dati facilmente integrabili in un BMS | Dati generalmente accessibili da una piattaforma remota |
| Nessun abbonamento all'operatore per sensore | Abbonamento o servizio generalmente necessario |
| Manutenzione a carico del gestore | Infrastruttura radio gestita dall'operatore |
Per un edificio dotato di un BMS , la rete privata è spesso particolarmente indicata. Per le apparecchiature distribuite in diverse città, una rete gestita da terzi può risultare più semplice da utilizzare.
Perché LoRaWAN è interoperabile?
LoRaWAN è un protocollo aperto definito dalla LoRa Alliance. La sua interoperabilità è paragonabile a quella del Bluetooth. Uno smartphone e un altoparlante di due marche diverse possono comunicare tra loro perché rispettano lo stesso standard.
Il principio è simile in LoRaWAN.
Una rete può includere:
- sensori di diverse marche
- diversi tipi di misure
- gateway di diversi produttori
- diverse applicazioni aziendali.
A condizione, ovviamente, che le apparecchiature rispettino le specifiche LoRaWAN e utilizzino lo stesso piano di frequenze. Questa flessibilità consente all’integratore di scegliere il prodotto più adatto a ogni esigenza, senza dover acquistare tutte le apparecchiature da un unico produttore.
Una precisazione importante: “compatibile” non significa automaticamente “decodificato”
Il gateway può ricevere il frame proveniente da un sensore senza conoscerne il significato.
Immaginiamo che un sensore invii il seguente valore: 00D6
Per sapere che questo valore corrisponde a una temperatura di 21,4 °C, l'applicazione deve applicare le regole di decodifica fornite dal produttore.
Per integrare completamente un nuovo sensore, è quindi necessario disporre di:
- delle sue credenziali e delle sue chiavi
- della sua documentazione
- del suo formato di dati
- del suo codec o della sua tabella di decodifica.
LoRaWAN garantisce l'interoperabilità a livello di radio e di rete. L'interpretazione dei dati in ambito aziendale richiede talvolta un'ulteriore integrazione.
