LoRa: Daleki zasięg, niski koszt
LoRa to technologia modulacji radiowej zapewniająca daleki zasięg i niski pobór mocy, działająca na poziomie warstwy fizycznej, podczas gdy LoRaWAN to protokół sieciowy i architektura (utrzymywana przez LoRa Alliance), która wykorzystuje technologię LoRa do zarządzania komunikacją między urządzeniami Internetu Rzeczy (IoT), definiując strukturę sieci, szyfrowanie i zasady komunikacji dla zapewnienia standardowej, bezpiecznej komunikacji dalekiego zasięgu (LPWAN). W skrócie: LoRa to radiowa nośna (sygnał), a LoRaWAN to system (protokół i architektura) wykorzystujący ten sygnał do budowy sieci IoT.
LoRa w Polsce to rozwijająca się technologia łączności dalekiego zasięgu, niskiego poboru mocy (LPWA), stosowana głównie w Internet of Things (IoT) do zdalnego odczytu liczników (np. wody), monitorowania jakości powietrza, oświetlenia, a także do niezależnej komunikacji awaryjnej (MeshCore/Meshtastic), z pionierskimi wdrożeniami we Wrocławiu (Espotel), Gdyni, Piekarach Śląskich (liczniki) i rosnącą społecznością amatorską skupioną wokół projektów takich jak LoRa-APRS.pl, LoRa.waw.pl i lorameshcore.pl. Sieci LoRaWAN, działające na nielicencjonowanych pasmach (433/868 MHz), oferują zasięg na kilometry i długą żywotność baterii urządzeń, co czyni je idealnymi dla inteligentnych miast i przemysłu.
Zastosowania komercyjne i miejskie
Inteligentne miasta: Zdalne odczyty liczników (Piekary Śląskie, Wrocław), monitoring jakości powietrza, zarządzanie oświetleniem ulicznym, czujniki parkingowe.
Logistyka i przemysł: Monitorowanie zasobów, inteligentne zarządzanie łańcuchem dostaw (jak w przykładach holenderskich).
Operatorzy: Dostępne są komercyjne bramy LoRaWAN, które budują pokrycie sieciowe w wybranych miastach.
Protokół sieciowy LoRa dla inteligentnego oświetlenia ulicznego
Technologia LoRaWAN/LoRa w Polsce jest wykorzystywana dla inteligentnego oświetlenia miejscowości, umożliwiając zdalne sterowanie, monitorowanie zużycia energii i awarii, co obniża koszty i zwiększa efektywność, choć często w połączeniu z innymi sensorami i systemami Smart City (np. liczniki, parkingi), z przykładami wdrożeń i zainteresowaniem gmin w całym kraju. Firmy oferują gotowe rozwiązania, łącząc oprawy LED z modułami LoRaWAN do zarządzania oświetleniem ulicznym.
Jak działa LoRa dla oświetlenia ulicznego:
Czujniki i sterowniki: Każda latarnia wyposażona jest w moduł sterujący i czujniki (ruchu, natężenia światła).
Sieć LoRaWAN: Dane z tych modułów przesyłane są bezprzewodowo, na duże odległości i przy niskim poborze mocy, do bram sieciowych.
Centralne zarządzanie: Gmina lub operator zarządza systemem z jednego centrum, analizując dane i zdalnie kontrolując natężenie światła w zależności od potrzeb (np. po zmroku, przy ruchu).
Korzyści dla miejscowości:
Oszczędność energii: Automatyczne przyciemnianie, gdy nikogo nie ma.
Szybka reakcja: Automatyczne powiadomienia o awariach.
Obniżenie kosztów: Mniejsze zużycie energii i niższe koszty utrzymania.
Integracja z innymi systemami: LoRaWAN to platforma dla wielu usług Smart City (odpady, parkingi).
Ważny element dla sieci LoRa czyli LoRa Gateway
Bramka LoRa działa jako przezroczysty most w sieci LoRaWAN, odbierając małe pakiety danych o niskim poborze mocy od urządzeń końcowych (czujników) za pomocą modulacji LoRa, a następnie przesyłając je do chmury (serwera sieciowego) przez Internet (Ethernet, Wi-Fi, komórka), konwertując je na pakiety IP, i na odwrót, umożliwiając komunikację na duże odległości.
Jak działa bramka LoRa krok po kroku:
Odbiór danych (LoRa): Czujniki i urządzenia IoT wysyłają małe, zakodowane pakiety danych na dalekie odległości (nawet kilka kilometrów) na nielicencjonowanych pasmach radiowych (np. 868 MHz, 915 MHz) za pomocą specjalnej modulacji Chirp Spread Spectrum (CSS), zwanej LoRa.
1. Agregacja danych: Jedna bramka może odbierać dane od wielu urządzeń końcowych, działając jak kolektor.
2. Konwersja do IP: Bramka odbiera pakiety radiowe (RF) i konwertuje je na standardowe pakiety IP (Internet Protocol).
3. Przesyłanie do serwera: Pakiety IP są następnie przesyłane przez Internet (przez Wi-Fi, Ethernet, 4G/5G) do centralnego serwera sieciowego (LNS).
4. Przetwarzanie w chmurze: Serwer sieciowy przetwarza te dane, kieruje je do serwera aplikacji, gdzie są interpretowane i dostępne dla użytkownika lub systemów IoT.
5. Komunikacja dwukierunkowa: Proces działa w obie strony – bramka może odbierać polecenia z serwera i przesyłać je do urządzeń końcowych, umożliwiając sterowanie nimi.
Kluczowe cechy:
• Duży zasięg: Kilka do kilkunastu kilometrów.
• Niski pobór mocy: Urządzenia mogą działać na bateriach przez lata.
• Niskie koszty: Korzysta z nielicencjonowanych pasm radiowych.
• Odporność: Modulacja CSS zapewnia odporność na zakłócenia.
• W skrócie, bramka LoRa to kluczowy element sieci LoRaWAN, łączący tanie, energooszczędne czujniki z globalną siecią IP, umożliwiając budowę Inteligentnych Miast i przemysłowych systemów IoT.
Podsumowując: LoRa to realne i opłacalne rozwiązanie dla modernizacji oświetlenia ulicznego w Polsce, wpisujące się w trend inteligentnych miast (Smart City).
Zigbee: Wielowęzłowy, Krótki dystans
Zigbee to popularny protokół sieciowy, idealny do komunikacji krótkodystansowej w kontrolowanych środowiskach, takich jak inteligentne oświetlenie uliczne.
Zigbee działa dla inteligentnych miast (smart city), wykorzystuje swoje zalety: niskie zużycie energii, niezawodność sieci mesh i skalowalność do obsługi dużej liczby urządzeń, takich jak czujniki, inteligentne oświetlenie i monitoring, co pozwala na budowanie efektywnych i bezpiecznych systemów miejskich. Choć popularny w smart home, jego cechy idealnie nadają się do zastosowań w bardziej złożonych, miejskich infrastrukturach.
Kluczowe zalety Zigbee dla smart city:
Energooszczędność: Niskie zużycie prądu sprawia, że urządzenia zasilane bateryjnie (np. czujniki) działają latami, co minimalizuje koszty utrzymania.
Sieć mesh (kratowa): Każde urządzenie wzmacnia sygnał, co zwiększa zasięg i niezawodność w dużych obszarach, jak miasto, tworząc stabilną komunikację.
Skalowalność i odciążenie WiFi: Odciąża sieć WiFi, obsługując tysiące punktów dostępu w dużych instalacjach i działając na oddzielnym paśmie radiowym, co jest kluczowe dla miasta.
Bezpieczeństwo: Zapewnia uwierzytelnianie danych, co chroni sieci miejskie przed nieautoryzowanym dostępem.
Szerokie wsparcie: Wspierany przez wielu producentów (jak Bosch, Schneider Electric) poprzez Zigbee Alliance i inne firmy, co zapewnia kompatybilność i rozwój standardu.
Przykłady zastosowań w smart city:
Inteligentne oświetlenie uliczne.
Czujniki jakości powietrza i monitorowanie środowiska.
Systemy zarządzania odpadami.
Inteligentne liczniki i monitoring zużycia mediów.
Ważny element, Zigbee Gateway
Bramka Zigbee działa jako centralny most (hub) łączący urządzenia z protokołem Zigbee (jak czujniki, oprawy LED) z dostepną siecią Wi-Fi bądź Internetem, umożliwiając sterowanie nimi z wybranej aplikacji menadżerskiej, jednocześnie odciążając routery Wi-Fi i tworząc stabilną sieć MESH, gdzie zasilane urządzenia wzmacniają sygnał, zapewniając zasięg, i pozwalając na automatyzacje działające nawet bez Internetu.
Jak działa w praktyce:
Połączenie z Wi-Fi: Bramka jest podłączana do dostępnego routera (przewodowo lub bezprzewodowo) i jest jedynym urządzeniem w tej sieci, które komunikuje się z chmurą i aplikacją.
Dedykowane aplikacje: Narzędzia do łatwej konfiguracji (np. Glamox) i zarządzania (np. Tuya, Homey, Gewiss). Oświetlenie uliczne: Aplikacje do zarządzania oświetleniem (np. Glamox Wireless), które mogą sterować natężeniem światła i detekcją światła dziennego, tworząc energooszczędne rozwiązania.
Tworzenie sieci MESH: Urządzenia Zigbee łączą się z bramką. Zasilane sieciowo urządzenia działają jednocześnie jak „wzmacniacze” (routery) sygnału dla innych, tworząc samo-naprawiającą się i rozszerzającą sieć MESH.
Sterowanie: Komendy z aplikacji (np. „włącz światło”) trafiają do bramki, która tłumaczy je na język Zigbee i wysyła do oprawy LED. Odpowiedź (np. status) wraca tą samą drogą.
Automatyzacje (logika): Scenariusze (np. „jeśli czujnik ruchu wykryje ruch, włącz światło”) są zapisywane w pamięci bramki, a nie w chmurze, dzięki czemu działają, nawet gdy Internet przestanie działać. To zwiększa niezawodność i szybkość reakcji.
Oszczędność energii: Niskie zużycie energii Zigbee sprawia, że czujniki bateryjne mogą działać miesiącami lub latami na jednej baterii, w przeciwieństwie do urządzeń Wi-Fi.
Bramka jest konwerterem protokołów między światem Zigbee (niskie zużycie, MESH) a światem Wi-Fi (internet, chmura), co pozwala na budowę rozbudowanego i energooszczędnego systemu inteligentnego
Rozważania na temat technologii Zigbee w inteligentnym oświetleniu ulicznym.
Dla optymalnego działania kluczowe jest zachowanie odległości 150 metrów lub mniejszej między bramką Zigbee a najbliższym węzłem, co zapewnia niezakłóconą komunikację. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu wydajnych anten zewnętrznych, zazwyczaj montowanych na grzbiecie oprawy, dobrym pomysłem jest tez montaż Zigbee Gateway na podobnej wysokości co użyte oprawy, co może pomóc w eliminacji możliwych interferencji z punktami dostępu dla Wi-Fi. Powyżej 150 metrowego zasięgu konieczne staje się zastosowanie dodatkowych węzłów Zigbee jako przekaźników, najlepiej rozmieszczonych w odległości około 35 metrów od siebie. To strategiczne rozmieszczenie pozwala bramce na efektywne pokrycie promienia 1,5 kilometra, dzięki czemu nadaje się ona do różnych zastosowań, takich jak małe miasta, osiedla czy parki przemysłowe, zwłaszcza w przypadku instalacji wzdłuż dobrze oświetlonych arterii komunikacyjnych.
Częstotliwość Zigbee
Zigbee działa w wielu pasmach częstotliwości, w zależności od regionu, w którym jest używany. Do najczęściej używanych pasm należą:
2,4 GHz
To pasmo częstotliwości oferuje akceptowalną prędkość transmisji danych i jest powszechnie dostępne, dlatego jest najczęściej używane w standardzie Zigbee na całym świecie. Niestety, jest współdzielone z Wi-Fi, Bluetooth i mikrofalami, co może powodować zakłócenia.
915 MHz
To pasmo częstotliwości jest używane głównie w obu Amerykach. Przenika ono ściany i obiekty lepiej niż pasmo 2,4 GHz i umożliwia komunikację na większe odległości. W porównaniu z 2,4 GHz może jednak charakteryzować się niższą szybkością transmisji danych.
868 MHz
Pasmo to, występujące głównie w Europie, jest podobne do 915 MHz. Chociaż oferuje lepszą penetrację, jego przepustowość jest zazwyczaj niższa niż 2,4 GHz.
Podsumowując, Zigbee jest bardzo odpowiednią technologią do budowy systemów inteligentnego miasta ze względu na swoje fundamentalne cechy, i to pomimo wspomnianych zakłóceń, trzeba pamiętać ze urządzenia typu Wi-Fi czy Bluetooth muszą być blisko siebie, aby problem ten wystąpił, a oprawy uliczne zazwyczaj montowane są na znacznej wysokości, więc dla oświetlenia ulicznego jest to mało prawdopodobne.
NB-IoT/CAT1: Pojedynczy punkt, duża odległość
W Polsce NB-IoT i LTE Cat 1 to kluczowe technologie dla Internetu Rzeczy (IoT), oferujące energooszczędną i niezawodną komunikację dla miliardów urządzeń, przy czym NB-IoT (np. u T-Mobile) skupia się na ultra niskim poborze mocy i zasięgu (smart metering), a LTE Cat 1 (np. u Orange, Polkomtel – często w wariancie LTE-M) zapewnia lepszą przepustowość i mobilność, obie wykorzystując infrastrukturę 4G. Obie technologie działają na licencjonowanych pasmach, zapewniając bezpieczeństwo i stabilność, z zasięgiem w całym kraju.
NB-IoT (Narrowband Internet of Things)
Charakterystyka: Zoptymalizowany pod kątem urządzeń, które wysyłają niewielkie ilości danych, np. czujniki, liczniki. Działa w trybie półdupleks, ma bardzo długi czas życia baterii (lata) i wysoką penetrację sygnału (nawet w budynkach).
Dostawcy: Dostępny m.in. w sieci T-Mobile, budowany na infrastrukturze 4G.
Zastosowania: Inteligentne liczniki (woda, gaz, prąd), smart city, czujniki środowiskowe, pomiary.
LTE Cat 1 (Category 1) i LTE-M (Cat M1)
Charakterystyka: Oferuje wyższą prędkość transmisji niż NB-IoT (do 10/5 Mbps), ale zużywa więcej energii. LTE-M (Cat M1) to wariant dla IoT, oferujący balans między szybkością a efektywnością energetyczną, idealny dla aplikacji mobilnych.
Dostawcy: W Polsce oferowane przez operatorów jak Orange (LTE-M) i Polkomtel.
Zastosowania:v Monitorowanie zasobów (śledzenie), urządzenia medyczne, inteligentne urządzenia miejskie, telematyka.
Kluczowe różnice i wspólne cechy
Zastosowanie: NB-IoT dla stacjonarnych, energooszczędnych sensorów, LTE-M/Cat 1 dla mobilnych, wymagających szybszej transmisji.
Infrastruktura: Obie działają w ramach sieci 4G LTE operatorów komórkowych, korzystając z kart SIM.
Zasięg: Ogólnopolski, z silną penetracją w budynkach, co jest kluczowe w zastosowaniach IoT.
W Polsce operatorzy inwestują w rozwój tych technologii, aby wesprzeć rozwój inteligentnych miast i przemysłu 4.0, oferując dedykowane rozwiązania i karty SIM dla IoT.
Jak działa NB-IoT, jak i LTE Cat 1dla oświetlenia ulicznego:
W Polsce zarówno NB-IoT, jak i LTE Cat 1 (często razem z LTE-M) są wykorzystywane do inteligentnego oświetlenia ulicznego i miejskiego (Smart City) przez operatorów (np. T-Mobile), oferując niskie zużycie energii, długą żywotność baterii (NB-IoT) i dobrą penetrację sygnału, co pozwala na zdalne sterowanie, monitorowanie i optymalizację zużycia energii, choć Cat 1 zapewnia większą przepustowość niż NB-IoT, idealne do zarządzania czujnikami i sterownikami opartymi na standardach (np. Zhaga), ale dla bardziej mobilnych zastosowań lepszy jest LTE-M.
NB-IoT (Narrowband Internet of Things)
Zalety: Bardzo niski pobór mocy (do 10 lat na baterii), świetna penetracja sygnału (wnętrza budynków, podziemia), wysoka gęstość połączeń, idealne do małych pakietów danych (status, proste polecenia).
Zastosowanie: Czujniki, liczniki mediów (smart metering), inteligentne latarnie uliczne (zdalne włącz/wyłącz, ściemnianie, status).
Ograniczenia: Niska przepustowość (ok. 128 kbit/s), nie obsługuje płynnego handoveru (przekazywania) między stacjami bazowymi, co czyni go gorszym dla mobilnych obiektów.
LTE Cat 1 (Kategoria 1)
Zalety: Wyższa przepustowość niż NB-IoT (do 10-100 Mbit/s), obsługuje mobilność (handover), często występuje w pakietach z Cat-M1, dobry kompromis między wydajnością a energooszczędnością, szersze zastosowanie niż NB-IoT.
Zastosowanie: Inteligentne miasta, zarządzanie oświetleniem, śledzenie zasobów, gdy potrzebna jest większa przepustowość lub mobilność, często stosowany w bardziej zaawansowanych rozwiązaniach łączności.
W Polsce (Operatorzy & Rozwiązania)
Operatorzy: T-Mobile oferuje rozwiązania oparte na NB-IoT dla Smart City.
Producenci sprzętu (np. Tvilight): Wprowadzają sterowniki łączące się przez NB-IoT i LTE Cat-M1 (LTE-M) z kontrolerami Zhaga/NEMA, co pokazuje realne wdrożenia w Polsce.
Narzędzia: Dostępne są mierniki sygnału do instalacji i optymalizacji tych sieci (NB-IoT, Cat-M, Cat 1).
Dla prostych zadań w oświetleniu miejskim (włącz/wyłącz, status), NB-IoT jest efektywny energetycznie. Dla bardziej złożonych aplikacji lub gdy potrzebna jest mobilność, LTE Cat 1 (często w pakiecie z LTE-M) jest lepszym wyborem, oferując większą przepustowość i obsługę urządzeń mobilnych, co jest wspierane przez operatorów i wdrożenia w Polsce
Różnica między Zigbee, LoRA i NB-IoT/CAT1 (w założeniu używamy wszędzie sieci 4G, i standardowych ustawień dla powyższych systemów)
(Wymagania dotyczące lokalizacji wdrożenia bramy są wysokie i należy wziąć pod uwagę wiele czynników)
(poziom 100 m–2 km, dostępny przekaźnik sieciowy)
(Teoretycznie może osiągnąć zasięg ponad 10 km, w zależności od prędkości i zysku anteny, zazwyczaj 2–5 km)
(Do dziesięciu km, zazwyczaj powyżej 10 km)
(Do dziesięciu km, zazwyczaj powyżej 10 km)
(choć jest to bardziej założenie, pojemność w tym wypadku jest „płynna”, i zależna od wielu czynników)
(choć jest to bardziej założenie, pojemność w tym wypadku jest „płynna”, i zależna od wielu czynników)
LTE-TDD: B34/B38/B39/B40/B41
GSM: 900/1800 MHz
Poniżej: 5 Mb/s
Zastosowanie w sterowaniu lampami oświetleniowymi nie jest zbyt wymagające, a podane powyżej wartości są tak naprawdę przeznaczone dla obsługi telekomunikacji/internetu mobilnego
Szczegółowa ocena technologii komunikacyjnych dla oświetlenia ulicznego LED
Wybór technologii komunikacyjnej dla inteligentnych opraw ulicznych LED ma bezpośredni wpływ na niezawodność systemu, koszty eksploatacji oraz możliwości jego dalszego rozwoju. Poniżej omawiamy najczęściej rozważane rozwiązania z perspektywy praktycznych wdrożeń oświetlenia drogowego.
Zigbee – dobre rozwiązanie lokalne, ale z ograniczeniami w skali miasta
Technologia Zigbee od lat sprawdza się w automatyce budynkowej oraz w niewielkich instalacjach zlokalizowanych na ograniczonym obszarze. Oferuje niskie opóźnienia i relatywnie wysoką przepustowość, co czyni ją atrakcyjną w systemach wymagających szybkiej reakcji.
W przypadku oświetlenia ulicznego jej głównym ograniczeniem jest zasięg pojedynczego węzła, który wymusza stosowanie topologii mesh. W środowisku miejskim, gdzie oprawy są rozmieszczone liniowo i często w znacznych odległościach, prowadzi to do wzrostu złożoności systemu oraz kosztów jego utrzymania.
Zigbee może być dobrym wyborem dla parkingów, kampusów czy osiedli prywatnych, natomiast w skali całego miasta jego zastosowanie bywa problematyczne.
LoRa / LoRaWAN – efektywne rozwiązanie dla monitoringu i podstawowego sterowania
LoRaWAN to technologia zaprojektowana z myślą o bardzo dużym zasięgu i minimalnym zużyciu energii. W kontekście oświetlenia ulicznego oznacza to możliwość objęcia dużych obszarów miejskich przy użyciu niewielkiej liczby bramek oraz obsługę tysięcy opraw w jednej sieci.
Rozwiązanie to doskonale sprawdza się w przypadku:
♦ raportowania stanu opraw,
♦ monitorowania zużycia energii,
♦ wykrywania awarii,
♦ harmonogramów włączania i ściemniania.
Należy jednak pamiętać, że LoRaWAN nie jest technologią czasu rzeczywistego. Ograniczona przepustowość oraz regulacje dotyczące czasu nadawania powodują, że dynamiczne sterowanie z natychmiastową reakcją może być utrudnione. Dlatego LoRaWAN najlepiej sprawdza się tam, gdzie kluczowe są prostota, niski koszt i skalowalność, a nie bardzo częsta komunikacja.
NB-IoT – stabilna podstawa dla miejskich systemów inteligentnego oświetlenia
NB-IoT to technologia komórkowa zaprojektowana specjalnie z myślą o urządzeniach IoT. W systemach oświetlenia ulicznego stanowi ona atrakcyjny kompromis pomiędzy energooszczędnością a niezawodnością komunikacji.
Dzięki pracy w sieci operatora, NB-IoT oferuje:
♦ brak kolizji transmisji,
♦ wysoką dostępność,
♦ dobrą penetrację w gęstej zabudowie,
♦ przewidywalne czasy dostarczania danych.
To rozwiązanie szczególnie dobrze sprawdza się w projektach miejskich, gdzie liczy się stabilność działania, centralne zarządzanie oraz możliwość rozbudowy systemu o kolejne funkcje, takie jak integracja z platformami smart city. Kosztem jest konieczność korzystania z infrastruktury operatora, jednak w wielu przypadkach upraszcza to wdrożenie i utrzymanie systemu.
LTE Cat.1 – gdy oprawa staje się elementem infrastruktury cyfrowej
LTE Cat.1 oferuje pełną komunikację IP i bardzo niskie opóźnienia, co otwiera zupełnie nowe możliwości dla inteligentnych opraw oświetleniowych. Technologia ta pozwala na:
♦ zaawansowane sterowanie w czasie zbliżonym do rzeczywistego,
♦ zdalne aktualizacje oprogramowania,
♦ rozbudowaną diagnostykę,
♦ integrację z innymi systemami miejskimi.
Z uwagi na wyższe koszty i większe zużycie energii, LTE Cat.1 jest zazwyczaj wybierane do najbardziej zaawansowanych projektów, gdzie oprawa pełni rolę węzła infrastruktury smart city, a nie tylko źródła światła.
Podsumowanie
Nie istnieje jedna uniwersalna technologia komunikacyjna idealna dla wszystkich projektów oświetlenia ulicznego. Wybór powinien być zawsze wynikiem analizy:
♦ skali instalacji,
♦ oczekiwanej funkcjonalności,
♦ częstotliwości komunikacji,
♦ budżetu inwestycyjnego i kosztów utrzymania.
W praktyce najczęściej spotykane są:
LoRaWAN – dla ekonomicznych, skalowalnych systemów monitoringu,
NB-IoT – dla miejskich systemów o podwyższonej niezawodności,
LTE Cat.1 – dla zaawansowanych rozwiązań smart city.