Trådlösa nätverk med låg energiförbrukning öppnar upp helt nya möjligheter för IoT. Vedertagen teknik som Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi och mobiluppkoppling saknar en acceptabel kombination av mångsidighet och energisnålhet. För att hantera detta erbjuds nya smalbandsradio-lösningar, varav en är LoRa, eller LoRaWAN.

LoRa har redan testats för räckvidder motsvarande sträckan mellan Stockholm - Luleå*, men kan normalt anses uppnå en 15 km lång räckvidd i landsbygd och 10 km i tätbebyggelse. Detta görs med en strömförbrukning som är tillräckligt låg för att möjliggöra över 10-års batterilivslängd. Dessutom finns gott om utvecklingsmiljöer för att skapa nya applikationer och möjlighet att snabbt skapa en komplett LoRaWAN-lösning med minimal ansträngning.

Låt oss först gå igenom de begrepp som företkommer på denna sida. Vårt mål är att man ska kunna tillgodogöra sig tekniken utan någon speciellt teknisk bakgrund.

Internet-of-Things (förkortat IoT, "sakernas internet" på svenska)

Internet-of-Things är ett begrepp som används för uppkopplade saker som ger nya möjligheter till fjärrövervakning och fjärrstyrning av allt från hushållsmaskiner och TV-apparater till bilar och fastighetsförsörjning. Vid 2020 uppskattar experter* att det finns 50 miljarder enheter uppkopplade och att branschen omsätter 3 500 miljarder SEK. Mer kan läsas på Wikipedia.

LPWAN

Low-Power Wide Area Network (LPWAN) eller Low-Power Network (LPN) är en typ av trådlöst nätverk som är utformat för att möjliggöra kommunikation över långa sträckor med minimal energiförbrukning, även kallat smalbandsradio. Där inräknas LoRa men även tekniker såsom NB-IoT och Sigfox m.fl.

LoRa och LoRaWAN

LoRa är det fysiska lagret för kommunikationen (motsv. nätverkskablar eller RS-232) och LoRA-WAN motsvarar protokollet (motsv. TCP/IP eller Modbus). LoRa Alliance är även namnet på den ideella organisation som utvecklat systemet, definierar standarden och ägs av av över 500 medlemsföretag.

Länkbudget

Länkbudget är det som anger en radiokommunikations räckvidd. Att uttrycka detta i antal meter är ett dåligt mått eftersom det alltid finns objekt som påverkar en radiosignals räckvidd. LoRa har så lång räckvidd (151 dB) att inga två punkter på jorden ligger tillräckligt långt ifrån varann med fri sikt för att uppnå maximal räckvidd.

Enheten för länkbudget är dBm. Som jämförelse förbrukar 10cm betong 12 dBm.

Spridningsfaktor

I LoRa kan enheter ha olika kommunikationshastighet och därmed ges möjlighet att optimera sändningstider och räckvidd. Spridningsfaktor SF6 ger kortast sändningstid, kortast räckvidd och minst energiförbrukning. SF12 ger längst sändningstid, längst räckvidd och mest energiförbrukning.

SF6 är därför optimal för bäst kontakt med gateway och SF12 för att nå maximal räckvidd. LoRa anpassar spridningsfaktor automatiskt för att maximera möjligheterna i nätet.

Högfrekventa anslutningsmöjligheter ger höga datahastigheter men har begränsad räckvidd vid acceptabla effektnivåer (exempelvis WiFi och mobiltelefoni). För saker med begränsad energitillgång som behöver lång räckvidd är lågfrekvensdrift att föredra. Ju lägre frekvensen är, desto mindre kraft krävs för att upprätthålla en viss länkbudget.

Lägre frekvensöverföringar innebär lägre datahastigheter, men IoT-applikationer kräver inte stor bandbredd. Dessutom ger lägre datahastigheter en annan fördel i form av reducerade fel, vilket minskar mottagarens känslighetskrav. Nackdelen med långsam kommunikation är ökad energitförbrukning hos både sändaren och mottagaren.

Smalbandsradio kan ändå hjälpa till att uppfylla kraven på intervall, energi och datahastighet som krävs av de flesta IoT-applikationer. Moduleringsmetoden i LoRa minskar även nackdelarna.

En styrka med LoRa-standarden är att den använder licensfria frekvenser. Det innebär 868MHz i Europa, 433MHz i Asien och 915MHz i Amerika. Licensfria frekvenser har fördelen att de är gratis att använda, men de ställer krav på saker såsom maxeffekt och hur ofta man sänder. LoRa är dock inte fast vid dessa, utan kan även användas vid andra registrerade frekvenser.

LoRa-teknikens unika moduleringsmetod är vad som gör den så väl lämpad för IoT-applikationer: Den kan fungera framgångsrikt över 15 km i landsort och mer än 10 km i stadsmiljö. Den kan uppnå över 10 års batterilivslängd och kan fungera i nätverk som omfattar upp till 1 000 000 noder. Vidare ger dess stöd för olika kommunikationshastigheter utvecklare flexibiliteten att optimera nätverksprestanda.

LoRaWAN följer en välkänd IoT-hierarki för uppkopplade saker - lokala mottagare och molnbaserade servrar (se bild nedan). I LoRaWAN-terminologi ansluts saker trådlöst i en stjärnopologi till en gateway, och gateways kopplas via IP-nätverk till en central nätverksserver

Givare och mätare sänder antingen med en förutbestämd periodicitet eller händelsestyrt. Alla gateways som tar emot signalen sänder detta vidare till nätverksservern. Nätverksservern dekrypterar information om till vilken applikationsserver datapaketet ska och skickar det dit. När applikationsservern mottagit datapaketet så dekrypteras det fullständigt och ett klartecken sänds åter till givare/mätare via nätverksserver och gateway.

Systemet är dubbelriktat och lika säkert som VPN.

Säkerheten har varit en av huvudfaktorerna vid utveckling av LoRa. Därför krypteras all trafik i två steg, för att försvåra avlyssning och oönskad påverkan på utrustning.

Mer om säkerheten kan man läsa i vår fördjupning i LoRa.

Faktum är att kommunikationskorten är väsentligt billigare än GPRS och driftskostnaderna blir försumbart små. Det är det mest prisvärda mätinsamlingssystemet som finns på marknaden.

Vi har redan utfört tester och kvalitetssäkrat LoRa med Metrima, One Nordic, Atea, Momentum, Powel m.fl. Vid behov av annan mjukvara så kan vi stå till tjänst med integration och eventuell leverans.

LoRa förbättrar en rad olika samhällsfunktioner och gör att vi kan spara tid, pengar och även minska utsläpp av växthusgaser. Här följer några exempel:

• Sophantering - Låt soptunnan säga till när den är full, istället för att behöva hämtas när den är halvfull eller riskera att sopor dumpas utanför kärlet.
• Energioptimering - Förbättra styrningen av energianvändning genom att få in mer data från temp-, vind-, CO²-, och solgivare.
• Skyltövervakning - när något händer i vägnätet såsom skadade vägskyltar eller signalljus kan larm skickas
• Äldrevård och hemtjänst - patientlarm med geolokalisering och planering av vård
• Spårning av cyklar och andra fordon - ta reda på var cyklar, husdjur, bilar och bussar befinner sig
• Parkeringshjälp - övervaka parkeringsplatser och hjälp bilister att hitta rätt
• Lantbruk - Håll koll på djuren och plotta sådd och besprutning.

Detta var bara ett axplock av de användningsområden som redan är utvecklade. Men bara fantasin sätter gränser och det återstår att se var detta tar oss i framtiden.

*) Källa: https://www.thethingsnetwork.org/article/lorawan-world-record-broken-twice-in-single-experiment-1