Интеграция базовой станции LoRa Вега БС 1.2 в IоT-систему с использованием протокола MQTT

DOI:

В настоящее время наблюдается устойчивый рост количества IoT-устройств, подключенных к сети. Анализ имеющихся тенденций свидетельствует о росте количества подключений IoT-устройств, при этом количество подключений не-IoT-устройств остается довольно статичным (рис. 1).

Современным системам интернета вещей (IoT) требуются надежные и эффективные протоколы связи для взаимодействия узлов. Одними из распространенных стандартов, на сегодняшний день, являются LoRaWAN и MQTT. Они получили широкое распространение в сфере IoT благодаря дальности связи и энергоэффективности. Наличие протоколов, способных эффективно работать в условиях ограниченной пропускной способности и низкого энергопотребления, создает задачу интеграции их функциональных возможностей для обеспечения скорости передачи данных и качества обслуживания.

Актуальность данного исследования заключается в том, что интеграция базовой станции, работающей на технологии LoRaWAN, в системы, использующие протокол MQTT, позволит совместить преимущества обеих технологий для увеличения масштабируемости, гибкости и облегчения разработки IoT-решений.

Спецификация LoRaWAN (Long Range WAN) представляет собой сетевой протокол LPWA (Low Power, Wide Area) с низким энергопотреблением, предназначенный для беспроводного подключения устройств, работающих c преимущественно использованием автономных источников питания (батарей), к Интернету в региональных, национальных или глобальных сетях и ориентированный на ключевые требования интернета вещей (IoT), такие как двунаправленная связь, сквозная безопасность, услуги по мобильности и локализации [3].

Сетевая архитектура LoRaWAN представляется в виде топологии «звезда из звезд», в которой шлюзы ретранслируют сообщения между конечными устройствами и центральным сетевым сервером. Шлюзы подключены к сетевому серверу через стандартные IP-соединения и действуют как прозрачный мост, просто преобразуя RF-пакеты в IP-пакеты и наоборот. Беспроводная связь использует преимущества характеристик большого радиуса действия физического уровня LoRaO, обеспечивая связь в один переход между конечным устройством и одним или несколькими шлюзами. Все режимы поддерживают двунаправленную связь, и существует поддержка групп многоадресной адресации для эффективного использования спектра во время таких, например, задач, как обновление встроенного ПО воздуху (FOTA) или другие виды массовых рассылок сообщений [4].

Стандартная архитектура LoRaWAN состоит из следующих элементов, представленных на рисунке 2: конечные устройства (датчики, актуаторы и др.), шлюз, сетевой сервер, сервер приложений (может удаленно контролировать работу оконечных узлов и собирать необходимые данные с них.

Рис. 1. Количество активных IoT-подключений на 2010–2025 гг.

Конечным устройством LoRaWAN может быть датчик и/или исполнительный механизм. Часто они работают от аккумулятора. Предназначены для осуществления управляющих и измерительных функций. Эти конечные устройства подключаются к сети LoRaWAN по беспроводной сети через шлюзы с использованием радиочастотной модуляции LoRa [5].

Шлюз – это устройство, которое принимает данные от оконечных устройств с помощью радиоканала и передает их в транзитную сеть, в качестве которой могут выступать Ethernet, WiFi, сотовые сети и любые другие телекоммуникационные каналы. Каждый шлюз зарегистрирован (с использованием настроек конфигурации) на сетевом сервере LoRaWAN. Шлюз и оконечные устройства образуют топологию типа «Звезда».

Сетевой сервер управляет шлюзами, конечными устройствами, приложениями и пользователями во всей сети LoRaWAN.

Сервер приложений обрабатывает сообщения данных, относящиеся к конкретному приложению, полученные от конечных устройств. Он также генерирует все полезные данные нисходящего канала прикладного уровня и отправляет их подключенным конечным устройствам через сетевой сервер. В сети LoRaWAN может быть более одного сервера приложений. Собранные данные можно интерпретировать, применяя такие методы, как машинное обучение и искусственный интеллект, для решения биз-нес-задач.

Типовая архитектура сети LoRAWAN представлена на рисунке 3.

Оконечный узлы сети LoRaWAN

Базовые станции LoRa (шлюзы, концентраторы)

Рис. 3. Типовая архитектура сети LoRaWAN

MQTT – это транспортный протокол передачи сообщений, работающий по принципу подписчик / издатель основан на архитектуре клиент-сервер. Используется в ситуациях, когда среда распространения ограничена, объем передаваемых данных небольшой и необходима высокая пропускная способность сети.

Протокол работает по поверх протокола TCP/IP, который обеспечивает упорядоченные двунаправленные соединения без потерь. Его функции включают:

• 1)    использование шаблона публикации / подписки сообщений, который обеспечивает распределение сообщений «один ко многим» и разделение приложений;

• 2)    транспорт обмена сообщениями, который не зависит от содержимого полезной нагрузки;

• 3)    обеспечение трех уровней качества обслуживания (QoS) для доставки сообщений:

• –    QoS 0 – «не более одного раза», когда сообщения доставляются в соответствии с максимальными усилиями операционной среды. Возможна потеря сообщений. Этот уровень может использоваться, например, с данными датчика окружающей среды, где не имеет значения, будет ли потеряно отдельное показание, поскольку следующее будет опубликовано вскоре после этого;

• –    QoS 1 – «по крайней мере один раз», когда сообщения обязательно будут приходить, но могут возникать дубликаты;

• –    QoS 2 – «ровно один раз», когда сообщения гарантированно поступают ровно один раз. Этот уровень может использоваться, например, в системах выставления счетов, где дублирование или потеря сообщений могут привести к неправильному начислению платежей;

• 4)    небольшие транспортные издержки и обмен протоколами, сведенные к минимуму для сокращения сетевого трафика;

• 5)    механизм уведомления заинтересованных сторон при возникновении аварийного отключения.

В протоколе MQTT данные представляются в виде битов, двухбайтовых, четырехбайтовых целых чисел и строк в кодировке UTF-8.

Базовая станция Вега БС 1.2 предназначена для развертывания сети LoRaWAN на частотах диапазона 863–870 МГц. Базовая станция – это центральный элемент построе- ния сети на основе технологии LoRaWAN и работает по принципу прозрачного шлюза между оконечными устройствами и сетевым сервером [2].

Питание базовой станции и сообщение с сервером осуществляется через канал Ethernet. Базовая станция Вега БС 1.2 имеет предустановленное встроенное ПО Packet forwarder, на основе операционной системы Linux [1].

Задачей данного исследования является интегрирование базовой станции LoRaWAN Вега БС 1.2 в IoT-систему на основе протокола MQTT. Архитектурная схема интеграции базовой станции в IoT-систему представлена на рисунке 4.

Задача интеграции реализована путем создания программного обеспечения (далее – ПО) на основе алгоритма, блок-схема которого представлена на рисунке 5.

ПО для преобразования данных было разработано с использованием библиотек Paho MQTT Python client library, а также СУБД SQlite3.

Для практической реализации схемы интеграции выполнены следующие задачи:

• 1.    Построение сети LoRaWAN : установка и настройка сервера IoT Vega Server на ПК, настройка и подключение базовой станции Вега БС 1.2 к серверу, подключение оконечных устройств к серверу.

• 2.    Настройка MQTT-брокера (публичный облачный брокер m6.wqtt.ru)

• 3.    Настройка MQTT-клиента (приложение MyMQTT для android) для связи с брокером.

Процесс интеграции состоит из следующих этапов:

• 1.    Запуск «IoT Vega Server».

• 2.    Включение базовой станции Вега БС 1.2.

• 3.    Включение счетчика импульсов СИ-12.

• 4.    Включение web-приложения «Admin Tool».

• 5.    Подача сигналов на Вега БС 1.2.

• 6.    Запуск MQTT-брокера (m6.wqtt.ru).

• 7.    Запуск ПО преобразования данных.

• 8.    Запуск MQTT-клиента MyMQTT для android, получение данных.

При выполнении пункта 4, необходимо произвести авторизацию. Во вкладках «Gateways» и «Devices» удостовериться, что базовая станция имеет статус «Активный», а Вега БС 1.2 отправляет пакеты на сервер.

Выполнение пункта 6 осуществляется авторизацией на сайте wqtt. ru, после чего MQTT-брокер будет автоматически запущен.

Выполнение пункта 7 осуществляется запуском ПО преобразования данных. В ходе работы ПО производится выборка строк таб- лицы «rawdata», подключение к MQTT-брокеру и отправка отобранных данных на MQTT-брокер.

Выполнение пункта 8 осуществляется авторизацией в приложении «MyMQTT». В результате выполненных действий, указанных

Вега БС 1.2

Рис. 4. Архитектурная схема интеграции

Подключение к базе данных

Выгрузка необходимых данных

Подключение к MQTT-брокеру

Отправка полученных данных на МОТТ-брокер

Рис. 5. Блок-схема алгоритма интеграции Вега БС 1.2 в IoT-систему на базе протокола MQTT выше, при запуске MQTT-клиента и выполненной авторизации, во вкладке Dashboard, представленной на рисунке 6, будут отображаться, отправленные ПО преобразования данных, сообщения.

Таким образом, была выполнена задача по интеграции базовой станции стандарта LoRaWAN в IoT-систему на основе протокола MQTT, что дает возможность построения IoT-систем с расширенными функциональными возможностями.