Jednym z głównych wyzwań stojących przed samorządami i burmistrzami miast w Polsce jest wprowadzenie ich aglomeracji w erę cyfrową. Połączenie wielu kilometrów kwadratowych powierzchni w jedną spójną sieć Internetu Rzeczy bez ponoszenia gigantycznych wydatków na infrastrukturę jest zadaniem bardzo trudnym. Rozwiązanie tego problemu proponuje polski operator radiodyfuzyjny BCAST, który przyszłość miejskiego IoT widzi w sieci LPWAN.

Domowe urządzenia, które działają w ramach IoT, takie jak lodówka czy termostat, najczęściej łączą się między sobą przy pomocy sieci Wi-Fi bądź Bluetooth. Takie rozwiązanie sprawdza się, kiedy mamy do czynienia z niewielkim obszarem (np. dom) oraz, ze względu na relatywnie duże zapotrzebowanie na prąd, tylko w przypadku urządzeń na stałe podłączonych do źródła zasilania. Naturalnym jest więc pytanie – co z sieciami IoT na dużych obszarach jak np. fabryki czy miasta, gdzie potrzeba wielu autonomicznych czujników, do których doprowadzenie kabli jest trudne i kosztowne? Jak się okazuje, na potrzeby właśnie takich zastosowań (nazwanych Industrial IoT) stworzony został specjalny rodzaj sieci – LPWAN.

Czym jest LPWAN?

LPWAN to skrót od Low Power Wide Area Network, czyli specjalnej sieci połączonych ze sobą urządzeń, które charakteryzują się niskim zapotrzebowaniem na energię elektryczną. Sieć została zaprojektowana, by w prosty i efektywny kosztowo sposób móc na dużym obszarze (np. w mieście) umożliwić funkcjonowanie systemu IoT.

Z racji tego, że wymiana wszystkich elementów infrastruktury miasta na inteligentne jest na obecnym etapie skrajnie nieopłacalna, dużo lepszym rozwiązaniem jest wyposażenie istniejących przedmiotów jak np. latarnie w sensory i układy sterujące, dzięki którym zyskają one funkcje „smart”. Informacje zbierane i wysyłane przez takie czujniki to zazwyczaj tylko kilka-kilkanaście kilobajtów danych, a do zapewnienia komunikacji można wykorzystać istniejące w każdej miejscowości maszty radiowo-telewizyjne, maszty operatorów komórkowych, bądź inne wysokie obiekty. Dzięki pracy na małych paczkach danych, nie trzeba martwić się o zaopatrzenie czujników w energię, ponieważ czas pracy na zasilaniu bateryjnym dla urządzeń pracujących w LPWAN liczony jest w latach – Maciej Lipiński z firmy BCAST.

Tak jak w każdym innym rodzaju technologii, tak i w przypadku LPWAN niezbędny jest wspólny standard gwarantujący kompatybilność. Najczęściej wykorzystywanym jest obecnie ten o nazwie LoRa, dlatego też bardzo często mówi się o tworzeniu sieci IoT w oparciu o LoRaWAN. Dla tego standardu pojedyncza bramka z profesjonalną anteną generuje pokrycie sygnałem obszaru w promieniu od 5 do 15 km od niej, a przeszkody takie jak ściany nie stanowią problemu. LoRaWAN w Europie pracuje w tzw. „paśmie nielicencjonowanym” 868 MHz, co oznacza, że za jego użytkowanie nie trzeba ponosić dodatkowych opłat. W ramach tego standardu, każde urządzenie może przekazać do 5,5 kilobitów danych na sekundę, co dla czujników jest wartością wystarczającą. Komunikacja LoRaWAN odbywa się dwukierunkowo, więc istnieje możliwość, by oprócz odbierania sygnału, również zdalnie wydawać urządzeniom polecenia. LoRa wspierany jest obecnie przez szereg firm, czyli tzw. „LoRa Alliance”, do którego należą m.in. takie korporacje jak Orange, IBM czy Cisco.

Odpowiednio do potrzeb

Dużą zaletą standaryzacji sygnału jest możliwość implementacji sensorów, które będą monitorować i przekazywać niemal dowolny rodzaj informacji. Dlatego LoRaWAN posiada wiele zastosowań, które warto podzielić na trzy główne obszary:

– przemysłowy – w przypadku zastosowań komercyjnych LPWAN sprawdzi się przede wszystkim w fabrykach, gdzie na bieżąco może przekazywać dowolne potrzebne informacje o stanie urządzeń oraz ich otoczeniu (np. aktualnie wykonywane zadanie, temperatura czy wypełnienie zbiorników), a także o ich położeniu (LPWAN umożliwia śledzenie nadajnika w przestrzeni bez wykorzystania GPS), co pozwala na kontrolę np. nad dystrybucją zasobów oraz przeciwdziałanie kradzieżom.

– publiczny – dzięki zastosowaniu systemu IoT w przestrzeni publicznej możliwe będzie bieżące zarządzanie takimi parametrami jak ruch uliczny czy odpady komunalne oraz błyskawiczne wykrywanie awarii układów – wodociągów, sieci przesyłowych czy sygnalizacji świetlnej. Systemy te mogą posłużyć także służbom ratunkowym na wczesne wykrywanie zdarzeń w miejscach przyległych do aglomeracji, jak np. pożary lasów. Ponadto, dzięki danym pochodzącym z urządzeń IoT należącym do mieszkańców, miasto otrzymuje cenne informacje odnośnie przemieszczania się i życia mieszkańców w podziale na takie kategorie jak płeć, wiek, klasa społeczna czy dochody, dzięki czemu możliwe jest lepsze zaplanowanie przyszłych inwestycji.

– prywatny – dzięki pracy w sieci LPWAN, użytkownicy domowi ponoszą znacznie niższe koszty przy budowie własnego smart-domu, zarówno podczas instalacji, jak i użytkowania (brak konieczności opłat, niższe zużycie energii). Ponadto, unifikacja w ramach standardu LoRa pozwala na odbieranie informacji także spoza domu. Dla przykładu, jeżeli czujniki miejskie prześlą informację o spadku temperatury, dom może automatycznie włączyć ogrzewanie. Analogicznie w przypadku detekcji dużego zanieczyszczenia powietrza, system może odradzić nam wychodzenie z domu.

Ważna rola infrastruktury

W tworzeniu sieci LPWAN/LoRaWAN najważniejsze jest odpowiednie połączenie pomiędzy sensorami, a odbiornikami, czyli tzw. bramkami LoRA, instalowanymi na dedykowanych masztach przesyłowych (obiekty nadawcze). Ponieważ działanie takiej infrastruktury obliczone jest na lata, jednym z największych wyzwań jest pełna kompatybilność elementów nawet po wielokrotnej aktualizacji oprogramowania każdego z nich. Dlatego też w innych krajach wdrożeniem LoRaWAN zajmują się przedsiębiorstwa, które jednocześnie odpowiadają za cały proces – tworzenie czujników, bramek oraz zapewnienie między nimi komunikacji dzięki infrastrukturze nadawczej (maszty). W Polsce takim przedsiębiorstwem jest BCAST

W chwili obecnej nasz wrocławski zespół zbudował własną bramkę LoRa oraz testowe czujniki. Na razie skupiliśmy się na funkcjonalnościach dla miast – nasze sensory odczytują i przesyłają już informacje o temperaturze i wilgotności powietrza. Obecnie pracujemy nad tym, aby urządzenia były pomocne w walce z jednym z najbardziej palących problemów polskich aglomeracji, czyli smogiem, i przekazywały dokładne informacje o jakości powietrza. Planujemy również wyposażyć sensor w odbiornik GPS i przygotować unikalny produkt do mobilnego pomiaru powietrza. Tworzenie wszystkiego samemu, a nie integrowanie rozwiązań już obecnych na rynku, jest naszą największą przewagą konkurencyjną – mówi Maciej Lipiński z BCAST.