Puertas de enlace (Gateways) LoRaWAN: una guía completa

Las puertas de enlace LoRaWAN o puertas de enlace LoRa son dispositivos de radio que proporcionan conectividad bidireccional entre los nodos finales, como sensores, dispositivos IoT e Internet. Funcionan utilizando la tecnología de redes inalámbricas de largo alcance (LoRa) y son un componente clave de las redes de área amplia de largo alcance (LoRaWAN).

La tecnología LoRa es propiedad de Semtech y está desarrollada y supervisada por LoRa Alliance, que incluye a las partes interesadas de la industria que utilizan los conjuntos de chips LoRa y el protocolo de red en una variedad de aplicaciones.

La puerta de enlace LoRaWAN es un componente de red inalámbrica crítico para conectar los nodos finales a las aplicaciones basadas en la nube que los controlan. Se ha demostrado que las puertas de enlace LoRa proporcionan una solución fiable y de bajo costo para la conectividad IoT con varias redes IoT propietarias que utilizan estos dispositivos. Los dispositivos IoT pueden utilizar LoRa más barato y de baja energía para transmitir sus datos hasta la puerta de enlace más cercana. Las puertas de enlace pueden recibir los datos y reenviarlos utilizando redes de mayor energía y ancho de banda como WiFi, celular y Ethernet.

Puerta de enlace LoRa: Puente y router para IoT

Las puertas de enlace LoRa pueden adquirir y concentrar señales LoRa que se transmiten desde dispositivos IoT, con una sola puerta de enlace LoRaWAN capaz de soportar miles de dispositivos. Actúan como un puente o enrutador para los dispositivos IoT basados en LoRa en su vecindad. Su cobertura es significativa, pudiendo captar transmisiones desde una distancia de más de 4,8 kilómetros (3 millas) en áreas urbanas y 16 kilómetros (10 millas) en áreas remotas o rurales que están libres de obstrucciones. La antena de las puertas de enlace se puede actualizar a una antena LoRa de largo alcance que puede recibir señales LoRa en una de las tres bandas de frecuencia sin licencia (dependiendo de la región), así como conectividad WiFi, celular o Ethernet para la transferencia posterior de los datos recibidos a la red más amplia. Cualquier mensaje recibido se reenvía con mensajes duplicados deduplicados por la red receptora.

Componente típico de puerta de enlace LoRaWAN

• Antena LoRa

La antena LoRa se utiliza para capturar pasivamente las señales de los nodos finales y transferir los datos a través de un cable SMA conectado al conector SMA-hembra de la placa de radio de las puertas de enlace. Las puertas de enlace LoRa para interiores suelen suministrarse con antenas dipolo articuladas con una ganancia de 3 dBi o menos. Estas antenas se pueden separar de la puerta de enlace a través del conector SMA y reemplazarse por antenas LoRa externas más potentes o un tramo corto de cable de antena coaxial a una antena exterior para una mayor cobertura.

• Conector SMA

Las puertas de enlace LoRa interiores suelen llevar un conector SMA (Nota: las puertas de enlace/mineros de helio suelen tener un conector RP-SMA, por lo que utilizaría un cable RP-SMA para conectarse a la antena). El conector SMA está montado en el borde de la placa de radio de las puertas de enlace. Las puertas de enlace LoRa para exteriores casi siempre llevan el conector N más grande y resistente. Conectores GPS, WiFi y RF celular (generalmente SMA) junto con el conector de antena LoRa.

• Tablero de radio

Esta placa de circuito impreso proporciona las rutas para las señales de RF que se reciben de la antena LoRa y se conducen a través del conector SMA. Las señales recibidas se mueven a través de un interruptor unipolar de doble tiro (SPDT) que crea dos salidas de RF que se filtran de acuerdo con la frecuencia y se conducen a los módulos transceptores Semtech SX1257.

• Transceptores Semtech SX1257

Para la conectividad LoRaWAN, las puertas de enlace llevarán chipsets LoRa de Semtech. Estos transceptores LoRa se encargan de demodular la señal recibida y concentrarla.

• Chip de banda base digital SX1301

A continuación, la señal concentrada se transfiere a un chip digital de banda base, el SX1301, para su posterior procesamiento de la señal y su transferencia a la placa central de la puerta de enlace LoRa.

• Placa central de puerta de enlace LoRa

Esta placa de circuito impreso contiene un microcontrolador de microchip y se ocupa de recibir los datos que se transfieren desde la placa de radio, reenviando información de paquetes para la transferencia Ethernet. La placa central es capaz de envolver los datos en una estructura JSON para transferirlos a los servidores de red a través del cableado Ethernet. Alternativamente, si el modelo de puerta de enlace lo permite, el paquete de datos reenviado se puede transferir mediante un módulo WiFi o un módem celular a bordo.

• Módulo GPS

Varios modelos de puerta de enlace LoRa también llevan un módulo GPS que puede proporcionar datos de posición y cronológicos para la unidad. Estos datos se adquieren a través de la placa de radio y se procesan, empaquetan y transmiten a través de la placa central.

• Módulo de potencia

La alimentación de bajo voltaje se puede suministrar a una puerta de enlace LoRaWAN a través de puertos micro-USB, USB, AC, DC o PoE integrados. La placa de radio y la placa central generalmente están protegidas con fusibles de montaje en superficie para protección contra sobrecorriente.

Los componentes de las puertas de enlace LoRa se alojan en gabinetes que son adecuados para el entorno donde se instalarán, con puertas de enlace LoRaWAN para exteriores alojadas en gabinetes duraderos y resistentes.

Las puertas de enlace LoRa funcionarán con un firmware mínimo con actualizaciones OTA para el software de reenvío de paquetes (más barato y conveniente) o, en modelos más caros, llevarán un sistema operativo integrado, que permite un mayor control del operador sobre la puerta de enlace.

Bandas de frecuencia de puerta de enlace LoRa.

Las puertas de enlace LoRa utilizan bandas de frecuencia sin licencia dentro del espectro radioeléctrico. Estos son:

Las antenas LoRaWAN están específicamente ajustadas para operar en bandas de frecuencia específicas que varían según la región o el país debido a restricciones regulatorias. Estas son algunas de las bandas de frecuencia clave para las antenas LoRaWAN en todo el mundo:

1. Banda de 868 MHz de la UE: Se utiliza en Europa para LoRaWAN, que opera entre 863-870 MHz.
2. Banda de 915 MHz de EE. UU.: Se utiliza principalmente en América del Norte, operando entre 902-928 MHz.
3. Banda AU 915-928 MHz: Adoptada por Australia y Nueva Zelandia.
4. Banda AS 923 MHz: Adoptada por varios países asiáticos, incluidos Singapur, Tailandia y Hong Kong. Las frecuencias exactas dentro de este rango pueden variar según el país.
5. EN la banda 865-867 MHz: Utilizada en la India.
6. Banda KR 920-923 MHz: Designada para Corea del Sur.
7. Banda RU 864-868 MHz: Adoptada por Rusia.

Consulte las notas a pie de página para obtener más detalles sobre las bandas de frecuencia para LoRa / LoRaWAN

Esto significa que puede instalar una puerta de enlace LoRa sin licencia, aunque puede haber problemas de zonificación para la instalación de antenas LoRa al aire libre.

Antenas para puertas de enlace LoRaWAN: conectores, tipos, aplicaciones

Protocolos y tecnologías inalámbricas compatibles

Las antenas LoRa son compatibles principalmente con el protocolo LoRa. Sin embargo, sus características inherentes también los hacen adecuados para otras tecnologías inalámbricas. Los principales entre ellos son:

• LoRaWAN: El protocolo de red de área amplia diseñado específicamente para LoRa.
• Sigfox: Otra tecnología de red de área amplia y baja potencia.
• GSM / Banda de frecuencia de 900MHz
• Bandas de radio ISM (Industrial, Científica y Médica): Frecuencias que se utilizan a menudo para la comunicación de baja velocidad de datos en diversas tecnologías.

Aplicaciones

1. Ciudades inteligentes: Desde la gestión del tráfico hasta los servicios públicos, las antenas LoRa ayudan a transmitir datos a través de vastos terrenos urbanos.
2. IoT en la agricultura: En la agricultura de precisión, estas antenas ayudan en la recopilación de datos de los sensores del suelo y las estaciones meteorológicas distribuidas en grandes granjas.
3. IoT industrial: La supervisión de la maquinaria, el estado de los equipos y las condiciones de la fábrica en zonas industriales expansivas se vuelve fluida.
4. IoT en la gestión de la cadena de suministro y la logística: seguimiento de mercancías en tiempo real en vastas geografías.
5. Conectividad de área remota: Puentear la comunicación en áreas donde las redes tradicionales fallan.

Características principales

• Largo alcance: Diseñado para transmitir datos a varios kilómetros, incluso en áreas urbanas densas.
• Baja potencia: garantiza que los dispositivos conectados consuman un mínimo de energía, lo que resulta ideal para dispositivos IoT que funcionan con baterías.
• Rendimiento robusto: Capaz de funcionar en entornos y terrenos desafiantes donde resistencia al clima/impermeable es fundamental para los componentes.
• Tipos direccionales y omnidireccionales: Atendiendo tanto a la comunicación de punto fijo a punto como a la cobertura de área amplia, respectivamente.

Conectores de antena típicos

Las antenas LoRa suelen venir con los siguientes tipos de conectores:

• SMA
• RP-SMA
• U.FL
• Tipo N

Valores de torque de los conectores de antena

Mantener el torque correcto es esencial para garantizar una conexión fiable y minimizar la pérdida de señal. Las clasificaciones de par típicas son:

• SMA Y RP-SMA: Alrededor de 3-5 pulgadas-libras para apretar a mano.
• Tipo N: Alrededor de 12-15 in-lbs cuando se usa una llave con medición de torque.

Tipos y composición típica de los materiales

1. Antenas de látigo: Hechas de un núcleo de acero flexible con una cubierta protectora de goma o plástico.
2. Antenas de PCB: Impresas en una placa de circuito. Por lo general, consisten en cobre.
3. Antenas Yagi: Hechas principalmente de elementos metálicos unidos a un brazo. Los materiales comunes incluyen aluminio, cobre y, a veces, acero inoxidable.
4. Antenas dipolo: Normalmente compuestas por dos varillas metálicas con un punto de conexión central.

Notas a pie de página: Detalles sobre las bandas de frecuencia de las antenas LoRa y LoRaWAN

Es crucial tener en cuenta que no todas las partes de estas bandas están siempre disponibles para LoRaWAN, y puede haber canales específicos dentro de estas bandas designados para el uso de LoRaWAN. Además, a medida que las regulaciones evolucionan y se adoptan o ajustan nuevas bandas, las frecuencias específicas para LoRaWAN pueden cambiar.

Antes de implementar dispositivos LoRaWAN en una región, es esencial asegurarse de que los dispositivos funcionen dentro de las bandas asignadas legalmente y cumplan con cualquier otro requisito regulatorio.