LoRaWAN è un protocollo di comunicazione wireless progettato per reti a lungo raggio (Long Range) e basso consumo energetico (Low Power Wide Area Network, LPWAN). È pensato specialmente per dispositivi IoT che devono inviare piccole quantità di dati, magari con poche trasmissioni al giorno, in zone dove la copertura può essere limitata, oppure dove le batterie devono durare anni.

Definizione

LoRaWAN è un protocollo di comunicazione wireless a bassa potenza e lungo raggio, ideale per l’Internet of Things. Consente la trasmissione di piccoli pacchetti dati tra dispositivi e gateway, ottimizzando consumi energetici e costi, mantenendo una copertura ampia in ambienti urbani e rurali.

In particolare, LoRaWAN opera sul livello di rete/livello MAC sopra LoRa, che è la parte fisica (modulazione, spettro, propagazione) che permette comunicazioni lunghe distanze ma con bassissima densità dati. Il protocollo LoRaWAN specifica come i dispositivi si collegano tramite gateway, come i messaggi vengono cifrati, come viene gestita la disponibilità, la latenza, le classi di dispositivo, ecc..

Come funziona?

Per capire LoRaWAN spiegato nei dettagli, ecco le componente fondamentali:

End–devices (nodi)

Sono i dispositivi remoti che raccolgono dati (sensori, monitoraggi, attuatori) o trasmettono informazioni. Funzionano con batteria, consumano pochissimo, in genere restano in “wake-sleep” per gran parte del tempo. Possono operare in varie classi (A, B, C) che determinano modalità di downlink/uplink, latenza e consumo.

Gateway LoRaWAN (LoRaWAN Gateway)

Questi dispositivi ricevono i segnali radio (uplink) dei nodi e li trasferiscono a un server di rete (Network Server) tramite connessione IP (Ethernet, WiFi, LTE, ecc.). Analogamente, ricevono messaggi dal server di rete che devono essere inviati ai nodi. Il gateway non “decide” come gestire i dati: passa tutto al network server. Il gateway è una parte cruciale perché collega il mondo radio “LoRa” con il resto della rete.

Network Server

È la parte centrale che gestisce le iscrizioni dei dispositivi, la sicurezza (autenticazione, cifratura), la deduplicazione dei messaggi se più gateway ricevono lo stesso pacchetto, decide quali gateway inviano downlink, gestisce la classe del dispositivo, la potenza trasmissiva, la frequenza, ecc..

Application Server/servizio applicativo

Qui arrivano i dati “utili”, che vengono elaborati: visualizzati, analizzati, conservati, usati per attivare allarmi o sistemi. Spesso questa parte può essere collegata a servizi cloud o sistemi locali.

Caratteristiche principali

Ecco cosa rende LoRaWAN particolarmente utile per molti usi IoT:

• copertura estesa (i segnali possono coprire distanze molto maggiori rispetto al WiFi o Bluetooth. In condizioni favorevoli, con line of sight, fino a chilometri, anche decine di km in aree rurali);
• consumo energetico molto basso (i nodi possono rimanere in standby buona parte del tempo, attivarsi solo per trasmettere, restare dormienti altrimenti. Durata di batteria che può arrivare a molti anni in scenari favorevoli);
• costo relativamente contenuto (dispositivi semplici, poca banda, hardware modesto, spettro non licenziato);
• reti facilmente scalabili (è possibile avere molti nodi collegati a pochi gateway, se ben distribuiti, grazie al fatto che il traffico è sparso nel tempo e in genere basso).

Limiti

Naturalmente LoRaWAN ha limiti che vanno considerati:

• velocità di trasferimento (non è fatto per dati pesanti, streaming o aggiornamenti frequenti. Payload limitato, trasmissioni sparse);
• latenza (la latenza può essere elevata);
• interferenze e congestione (se molti dispositivi fanno cose contemporanee, si possono avere collisioni, perdita di pacchetti, ritardi);
• regolamentazione dello spettro (anche se lo spettro è “non licenziato”, ci sono normative regionali che limitano potenza, tempo di trasmissione, uso delle frequenze. Queste variano da paese a paese);
• copertura urbana difficile (edifici, ostacoli fisici, multipath, attenuazione del segnale possono ridurre fortemente il range in città dense).

LoRaWAN Arduino

Per chi ama il mondo maker o la prototipazione, l’uso di LoRaWAN Arduino è uno degli approcci più accessibili:

• Arduino può essere usato come nodo LoRaWAN, usando shield radio LoRa / moduli come SX127x o nuovi moduli integrati. Così un sensore montato su Arduino può trasmettere dati (es. temperatura, umidità) tramite LoRaWAN a un gateway.
• esistono librerie che semplificano la configurazione (join, invio payload, settaggi spread factor, gestione classe dispositivo);
• anche per i gateway (Arduino-compatible gateway esistono, anche se per ingresso in rete stabile in aree sensibili conviene usare gateway professionali con più canali, alimentazione robusta, antenna adeguata. Un esempio concreto è il WisGate Edge Pro di Arduino, che è un gateway LoRaWAN adatto ad applicazioni commerciali);
• nei progetti maker, attenzione ad antenna, quota, orientamento, batteria, software. Questi elementi fanno una grande differenza in prestazioni.

Versioni, specifiche, sicurezza

LoRaWAN è definito dalla LoRa Alliance, che pubblica specifiche diverse versioni del protocollo (1.0.x, 1.1, ecc..). Queste versioni includono miglioramenti in autenticazione, sicurezza, efficienza, supporto per classi diverse di dispositivi.

I messaggi LoRaWAN vengono protetti da cifratura end-to-end. Ci sono chiavi: una chiave di rete (Network Session Key) e una di applicazione (Application Session Key). Le procedure di “join” (autenticazione) sono importanti: OTAA è più flessibile e sicuro rispetto ad ABP, ma richiede che i nodi siano predisposti per gestirlo.

Versioni del protocollo supportano classi diverse di dispositivi (A, B, C), ciascuna con compromessi tra latenza, possibilità di ricevere downlink e consumo di energia.

Scenari d’uso tipici

Dove e quando LoRaWAN è una scelta utile:

• monitoraggio ambientale: qualità dell’aria, livelli di umidità, temperatura, sensori distribuiti su un territorio ampio;
• agricoltura di precisione: monitoraggio del suolo, umidità, acqua, uso di fertilizzanti, condizioni climatiche, aiutare il processo decisionale;
• città intelligenti (smart city): illuminazione pubblica, parcheggi intelligenti, raccolta rifiuti, sensori nei tombini, controllo strade, traffico;
• contatori e infrastrutture: smart metering di acqua, gas, elettricità, monitoraggio di infrastrutture critiche, ponti, edifici, reti di distribuzione;
• IoT industriale leggero: dispositivi che inviano poco, spesso, in ambienti remoti o in siti con alimentazione limitata, ma che richiedono affidabilità.

Conclusioni

In sintesi, cos’è LoRaWAN: una tecnologia LPWAN (Low Power Wide Area Network) che offre comunicazioni a lunga distanza e basso consumo energetico, adatta a molti scenari IoT dove non è richiesta una banda elevata, ma sono fondamentali copertura, durata delle batterie e costi contenuti.

Con LoRaWAN Italia, la regolamentazione europea e le comunità locali stanno permettendo progetti concreti; con LoRaWAN Arduino, makers e progettisti possono sperimentare facilmente, costruendo nodi sensori, prototipi e progetti educativi.

LoRaWAN si distingue per la capacità di collegare dispositivi distribuiti anche in aree rurali o difficili da coprire con reti cellulari, rendendola ideale per applicazioni in agricoltura di precisione, monitoraggio ambientale, smart city, gestione dell’acqua e controllo industriale remoto. I dispositivi LoRa possono operare per anni con una singola batteria, trasmettendo piccoli pacchetti di dati a intervalli regolari, ottimizzando così l’efficienza energetica.

Un altro vantaggio importante è la scalabilità: grazie all’architettura “stellare”, i gateway LoRaWAN possono ricevere dati da migliaia di nodi, inoltrandoli poi a una rete centrale (Network Server) attraverso connessioni IP standard. Questo consente alle aziende e alle pubbliche amministrazioni di sviluppare soluzioni distribuite senza la necessità di una rete cellulare privata o licenze costose.

Inoltre, LoRaWAN integra meccanismi di sicurezza a livello di rete e applicazione, utilizzando chiavi AES128 per garantire la riservatezza e l’integrità dei dati scambiati. Questo è particolarmente rilevante in contesti dove la protezione dei dati è critica, come nel monitoraggio di infrastrutture o nella sanità.

Infine, la crescita di ecosistemi open-source e community come The Things Network (TTN) ha favorito la diffusione di LoRaWAN anche tra startup, enti locali e università, offrendo infrastrutture condivise, documentazione accessibile e supporto collaborativo per l’innovazione nel campo dell’Internet of Things.

Credits: Gorodenkoff/DepositPhotos.com