Conheça a tecnologia LoRa® e o protocolo LoRaWAN™

LoRa

LoRa é uma tecnologia de radio frequência que permite comunicação a longas distâncias (em áreas urbanas 3-4 Km de alcance, e em áreas rurais, até 12 Km ou mais),  com consumo mínimo de energia.

Suas principais aplicações são sistema de IoT (internet das coisas) como sensores e  monitores remotos (pressão, luz, on-off, temperatura,, …) , sobretudo aqueles operados a bateria, de mensagens curtas e em alguns casos em locais de difícil acesso.

LoRaWAN

LoRaWAN™ é o nome dado ao protocolo que define a arquitetura do sistema bem como os parâmetros de comunicação usando a tecnologia LoRa®.

O protocolo LoRaWAN™ implementa os detalhes de funcionamento, segurança, qualidade do serviço, ajustes de potência visando maximizar a duração da bateria dos módulos, e os tipos de aplicações tanto do lado do módulo quanto do servidor.

Arquitetura da rede

1- Módulos (end-points ou end-devices)

São os elementos básicos da rede, como:

• sensores de temperatura, movimento, on-off, …
• leitores de consumo de energia, de água, gás,…

2- Gateways

São os elementos de conexão entre os módulos e os servidores de rede.

Um só gateway pode receber os dados de milhares de dispositivos e encaminha-los para o servidor de rede. Dependendo das condições de topologia do local, um único gateway pode cobrir um raio desde 2Km até 15 Km.

3- Servidores de rede

Os servidores de rede são os responsáveis pelo gerenciamento das informações enviadas pelos gateways.

4- Servidores de aplicações

Os servidores de aplicações são programas específicos que recebem os pacotes dos servidores de rede e de acordo com a informação executam uma ou mais ações específicas.

Classes de dispositivos

Para atender as mais diversas necessidades no protocolo LoRaWAN™ foram definidas três classes de dispositivos (módulos):

• Classe A – Sensores
  • Comunicação bi-direcional, recepção após transmissão. (Os módulos so podem receber dados em janelas de tempo pré determinadas e imediatamente após realizarem uma transmissão)

• Classe B – Atuadores
  • Comunicação bi-direcional, com janelas de recepção agendadas

• Classe C – Bidirecional, recepção de dados praticamente sem atraso
  • Nesta classe o módulo sempre esta apto a receber dados do gateway

Importante: Todos os módulos devem obrigatoriamente funcionar em classe A

Segurança dos dados

Para garantir a privacidade dos dados enviados temos dois níveis de segurança:

• Segurança para a informação
• Segurança na transmissão dos dados

A) Segurança para a informação

Neste caso os dados a serem transmitidos (payload) são criptografados usando o algoritmo AES de 128 bits, com uma chave conhecida por “Application Session Key”.

O servidor de rede não tem como fazer este processo.

B) Segurança na transmissão dos dados

O número ‘MIC’ é gerado usando a mesma técnica de criptografia (AES de 128 bits), mas com uma outra chave, conhecida por “Network Session Key”.

Esta chave serve para que o servidor de rede possa garantir que o pacote recebido não foi alterado por erros ou propositalmente.

Observe que o servidor de rede pode apenas checar a integridade do pacote e nunca ‘abrir’ os dados, pois não tem a ‘Application session key’.

Frequências de operação

Para os EUA e Américas, a faixa de frequência vai de 902 MHz a 928 MHz, conforme figura a seguir:

Gateways

Para a implementação da rede existem atualmente vários gateways comercias e inclusive gateways experimentais.

• Alguns gateways comerciais

Kerlink	Link-Labs	Multitech

• Gateways para estudos e redes menores

Microchip	Link-Labs para Raspberry

Módulos Microchip certificados LoraWAN

Para a frequência americana, temos o módulo RN2903, cujos detalhes podem ser vistos em:    https://www.microchip.com/wwwproducts/en/RN2903

Kits para desenvolvimento

Para estudo temos os seguintes ítens:

A) Extensão Arduino / Raspberry Pi (Modelo 2 / Modelo 3 / Zero)

B) BB_LoRa

Breakout board LoRa com Pic 16F1619, com footprint para encaixe na placa Curiosity: