مقدمه
شهرهای هوشمند نیاز به داده های در تمام جنبه های زندگی شهری دارند. برای دستیابی به این هدف، شهرهای هوشمند معمولاً از شبکه‌های بیسیم گسترده استفاده می‌کنند تا اتصال بین شبکه وسیعی از دستگاههای IoT، حسگرها و مترهای هوشمند تولیدکننده داده‌های متفاوت را امکان‌پذیر کنند. فناوری بی سیم LoRaWAN بهترین راه حل IoT برای کاربرد در محدوده شهرهای هوشمند است.
اینترنت اشیا (IoT) شبکه ای از میلیون ها دستگاه را در سراسر جهان توصیف می کند که به اینترنت متصل هستند و داده های غنی را اندازه گیری، نظارت و ارائه می کنند. امروزه اینترنت اشیا شامل بسیاری از شبکه‌های متصل به هم است که هر کدام مشکلات خاص خود را حل می‌کنند. به عنوان مثال، در یک ساختمان اداری، چندین راه حل IoT مبتنی بر LoRaWAN را می توان به طور همزمان به کار برد. یکی برای کنترل تهویه مطبوع، دیگری برای سیستم های گرمایش، روشنایی، امنیت و سایر کاربردهای اینترنت اشیا.
شبکه‌های اینترنت اشیا می‌توانند بر اساس استانداردهای مختلف کار کنند ولی ترکیب آنها در یک شبکه، یک کار پیش پا افتاده نیست. فناوری‌های شبکه های گسترده کم مصرف (LPWAN) می‌توانند تعداد زیادی از موارد استفاده از اینترنت اشیاء را پشتیبانی کنند. در حالی که چندین فناوری LPWAN وجود دارد، ولی Long Range (فناوری LoRa) و معماری شبکه آن LoRaWAN، در حال حاضر محبوب ترین فناوری است. LoRa طیف وسیعی از تنظیمات ارتباطی لایه فیزیکی مانند پهنای باند، ضریب گسترش، نرخ کدگذاری و فرکانس انتقال را فراهم می کند. این تنظیمات بر توان عملیاتی، قابلیت اطمینان و دامنه ارتباط تأثیر می گذارد.
تفاوت بین شبکه های LoRa و LoRaWAN® چیست؟
LPWAN (شبکه وسیع کم مصرف) یک فناوری شبکه گسترده بیسیم است که دستگاههای اینترنت اشیا با پهنای باند و نرخ بیت کم و توان مصرفی پایین در بردهای طولانی به هم متصل میکند. گزینه‌های مختلفی برای ساخت شبکه LPWAN وجود دارد، اما فناوری‌های LoRaWAN و NB-IoT بیشترین پویایی را نشان داده‌اند و در سال‌های آینده بیشترین سهم بازار LPWAN را دریافت خواهند کرد.
LoRaWAN پروتکل ارتباطی و معماری سیستم را برای شبکه تعریف می کند در حالی که لایه فیزیکی LoRa پیوند ارتباطی دوربرد را فعال می کند. پروتکل و معماری شبکه بیشترین تأثیر را بر طول عمر باتری، ظرفیت شبکه، کیفیت خدمات، امنیت و تنوع برنامه های کاربردی شبکه دارد.
LoRa یک پروتکل انتقال سیگنال رادیویی است که از یک فرمت چیپ شده و چند نماد برای انتقال داده استفاده می کند. در اصل، این تراشه‌ها، تراشه‌های رادیویی باند ISM معمولی هستند که می‌توانند فرکانس رادیویی را با استفاده از LoRa (یا سایر انواع مدولاسیون مانند FSK) بدون نوشتن کد به بیت تبدیل کنند. خارج از ارتباطات گسترده، فناوری LoRa یک فناوری لایه فیزیکی سطح پایین تر است که در کاربردهای مختلف به کار می رود.
پروتکل LoRaWAN مبتنی بر روش مدولاسیون رادیویی LoRa است و یک پروتکل شبکه گسترده کم مصرف است. ارتباط بین دستگاههای IoT (سنسورها) و GATEWAY شبکه را مدیریت کرده و دستگاه‌ها را از طریق اتصالات بیسیم به اینترنت متصل میکند. LoRaWAN یک پروتکل شبکه نقطه به چند نقطه (توپولوژی STAR) است. این فقط در مورد امواج رادیویی نیست. این در مورد نحوه تعامل آنها با GATEWAY های LoRaWAN برای ارائه عملکردهایی مانند رمزگذاری و شناسایی است.
LoRaWAN چگونه کار می کند؟
در اساسی‌ترین سطح، فناوری‌های رادیویی مانند LoRaWAN ساده هستند. بهترین قیاس برای شبکه LoRaWAN یک شبکه سلولی است. دستگاه های مبتنی بر LoRa دارای یک ماژول هستند که به یک GATEWAY متصل می شوند و یک مکان مرکزی محلی است. به عنوان مثال در نظر بگیرید که تلفن شما چگونه داده ها را از طریق دکل تلفن همراه ارسال و دریافت می کند.
GATEWAY به عنوان مجرای بین دستگاه ها و سرور عمل می کند. سرور شبکه از اینترنت برای ارتباط با GATEWAY استفاده می کند و به آن دستور می دهد تا با دستگاه های اینترنت اشیا تعامل داشته باشد. به عبارت دیگر، سرور شبکه وظیفه حذف بسته های داده تکراری، تایید یکپارچگی داده ها و اجرای بررسی های امنیتی را بر عهده دارد. علاوه بر این، گره‌ها در معماری ستاره نیازی به گوش دادن به پیام‌های سایر گره‌ها در تمام مدت ندارند. بنابراین، آنها ممکن است برای اکثر اوقات در حالت SLEEP بوده و مصرف انرژی خود را کاهش دهند.
مزایای یک شبکه LoRaWAN
در زیر برخی از مزایای این شبکه در فناوری IoT آورده شده است:
- برد طولانی و پوشش سطح وسیع : برد آن، ممکن است تا 15 کیلومتر در LOS برسد، هیچ پروتکل ارتباطی دیگری چنین امکان ویژه ایی ندارد.
- کم مصرف: فناوری LoRa، ارتباط رادیویی بسیار کم توان را ارائه می دهد و برای دستگاه هایی که نیاز به شارژ دهی عالی می باشند، ایده آل است.
- سخت افزار کم هزینه: زیرساخت LoRaWAN در مقایسه با سایر شبکه ها بسیار کم هزینه است. علاوه بر این، نسخه‌های منبع باز مختلفی از زیرساخت‌ها مانند GATEWAY در حال ایجاد هستند که هزینه‌ها را بیشتر کاهش می‌دهند.
- ظرفیت بالا: یک گیت وی LoRa ممکن است هزاران دستگاه IoT نقطه پایانی را به هم متصل کند.
کلاس های LoRaWAN
کلاس A
کلاس A یک سیستم ALOHA ساده است زیرا کاملاً ناهمزمان است. این بدان معناست که گره‌های انتهایی نیازی به صبر کردن برای برقراری ارتباط با دروازه برای زمان خاصی ندارند. درعوض، آنها هر زمان که نیاز داشته باشند پخش می کنند و سپس تا دفعه بعدی که به آنها نیاز است غیرفعال می شوند. اگر سیستم هشت کانالی داشتید، می‌توانید هر شکاف زمانی را با یک پیام پر کنید تا به‌طور بی‌عیب و نقصی همگام‌سازی شود.
کلاس B
پیام‌ها ممکن است با استفاده از کلاس B به گره‌های باتری‌دار منتقل شوند. هر 128 ثانیه، GATEWAY یک پیام ارسال میکند. از آنجایی که تمام ایستگاه‌های پایه LoRaWAN تابع یک ساعت تک پالس در ثانیه هستند، همه آنها پیام‌های beacon را به طور همزمان منتشر می‌کنند (1PPS). این بدان معناست که در شروع هر ثانیه. هر ماهواره جی‌پی‌اس در مدار، پیامی را ارسال میکند و امکان همگام‌سازی زمان در سراسر جهان را فراهم میکند.
کلاس C
کلاس C به گره‌ها این امکان را می‌دهد که در هر زمان به طور پیوسته به پیام‌های downlink گوش داده و ارسال کنند. از آنجایی که برای بیدار نگهداشتن یک گره و کارکرد گیرنده در همه زمان ها به انرژی زیادی نیاز دارد، معمولاً برایتغذیه های برق AC استفاده می شود.
رایج ترین برنامه های کاربردی LoRaWAN چیست؟
یک شبکه LoRaWAN با طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی اینترنت اشیا سازگار است و با موفقیت در موارد زیر استفاده شده است:
شهرهای هوشمند
شهرهای هوشمند نیاز به داده های در تمام جنبه های زندگی شهری دارند. برای دستیابی به این هدف، شهرهای هوشمند معمولاً از شبکه‌های بیسیم گسترده استفاده می‌کنند تا اتصال بین شبکه وسیعی از دستگاههای IoT، حسگرها و مترهای هوشمند تولیدکننده داده‌های متفاوت را امکان‌پذیر کنند. فناوری بی سیم LoRaWAN بهترین راه حل IoT برای کاربرد در محدوده شهرهای هوشمند است.
شهرها می توانند اینترنت اشیا را در زیرساخت های خود ادغام کرده تا وظایف را خودکار کنند. تجهیزات را نظارت و مدیریت کنند، و تعمیر و نگهداری پیش بینی شده را برای کاهش هزینه های عملیاتی انجام دهند. شهرهای سراسر جهان می توانند با ادغام خدمات شهری، اینترنت اشیا و LoRaWAN کیفیت خدمات خود را بهبود بخشند. که شامل موارد زیر می باشد:
- روشنایی خیابان ها
- پارکینگ هوشمند
- مدیریت پسماند
- مدیریت سطح آب و فاضلاب
- حمل و نقل عمومی هوشمند
- کنترل کیفیت هوا
- نظافت خیابان ها
- تدارکات / مدیریت حمل و نقل
به لطف راه حل های اینترنت اشیا مبتنی بر LoRaWAN، شرکت های زنجیره تامین و لجستیک با موفقیت دارایی های با ارزش بالا، از جمله دارایی های در حال حمل و نقل را ردیابی می کنند. وسایل نقلیه، کالاها و سایر پشتیبانی ها به راحتی در مناطق جغرافیایی وسیع و در شرایط سخت ردیابی می شوند.
زیرا این فناوری محدوده قابل توجه، مصرف انرژی کم و امکان ردیابی محلی بدون GPS را امکان پذیر می کند. راه‌حل‌های نظارت بر ناوگان اینترنت اشیا که از اتصال LoRaWAN استفاده می‌کنند، می‌توانند با اجازه دادن به ناوگان ها برای ماندن طولانی‌تر در جاده‌ها، بهبود مصرف سوخت، افزایش ایمنی، ارائه پیشگیرانه تعمیر و نگهداری و بهبود کارایی کلی، در هزینه‌ها صرفه‌جویی کنند.
ساختمان های هوشمند
با حداقل هزینه‌های زیرساختی و تعمیر و نگهداری، صاحبان خانه و مدیران املاک ممکن است با به کارگیری راه‌حل‌های ساختمان هوشمند IoT مبتنی بر LoRa، کارایی را افزایش داده و هزینه‌ها را به حداقل برسانند:
- مانیتورینگ دما و رطوبت
- اشغال اتاق
- تشخیص حرکت
- اندازه گیری هوشمند آب
- مانیتورینگ سطح آتش سوزی، سیل، CO/CO2
- مراقبت های بهداشتی هوشمند
توان کم، هزینه کم و عملکرد ثابت، شبکه های LoRaWAN را برای برنامه های کاربردی مراقبت های بهداشتی هوشمند ضروری می کند. راه‌حل‌های IoT مبتنی بر LoRaWAN می‌توانند به طور مداوم بیماران یا سیستم‌های پرخطر را زیر نظر بگیرند و تضمین کنند که سلامت و ایمنی پزشکی هرگز به خطر نمی‌افتد.
راه حل IoT مبتنی بر LoRaWAN می تواند به گونه ای طراحی شود که به طور مداوم و قابل اعتماد مهمترین علائم حیاتی بیماران بیمارستانی، دستیاران مراقبت از سالمندان، ورزشکاران با عملکرد بالا، یا هر فرد دیگری را که نیاز به بینش در زمان واقعی و همیشه در مورد سلامت تنفسی خود دارد، طراحی کند. راه حل های سلامت هوشمند IoT LoRaWAN می تواند به موارد زیر کمک کند:
- بیماران بیمارستانی
- رزیدنت های مراقبت از سالمندان
- ورزشکاران با عملکرد بالا
- امنیت عمومی
نیاز به راه حل های ایمنی و امنیت همه جانبه در حال افزایش است. راه‌حل‌های ایمنی عمومی مبتنی بر شبکه اینترنت اشیا، فناوری پیشرفته‌ای را به اولین پاسخ‌دهندگان ارائه می‌دهند که ممکن است خطر را کاهش داده و ایمنی فردی را بهبود بخشد. گجت‌های پوشیدنی شخصی اینترنت اشیا، مانند نشان‌های ID، مجهز به فناوری LoRaWAN هستند، از جمله یک دکمه پانیک که اطلاعات موقعیت مکانی کاربر را فوری ارسال میکند.
استفاده از فضا
نیروی کار شرکتی متحرک‌تر شده است . در نتیجه جریان غیرقابل پیش بینی کارمندان و مهمانان، فضای اداری ممکن است برای مدت طولانی استفاده نشود یا بیش از حد رزرو شود. برای شرکت ها، استفاده صحیح و چیدمان فضای موجود به یک دردسر لجستیکی تبدیل شده است.
محیط هوشمند
ثبت و انتشار شاخص های محیطی برای تجزیه و تحلیل داده ها به صورت real time با استقرار شبکه ای از دستگاه ها و GATEWAY مجهز به شبکه های LoRaWAN در یک منطقه امکان پذیر است. آنها قبل از اینکه به فاجعه تبدیل شوند، مشکلات را شناسایی می کنند. راه‌حل‌های IoT مبتنی بر LoRaWAN برای محیط‌زیست به محافظت از جمعیت در برابر تهدیدات محیطی، از نظارت بر کیفیت هوا گرفته تا تشخیص نشت تشعشع کمک میکند.
کشاورزی هوشمند
مفهوم استفاده از راه‌حل‌های اینترنت اشیاء مبتنی بر LoRaWAN برای شیوه‌های کشاورزی هوشمند در حال گسترش است. زیرا کشاورزان اکنون می‌توانند به راحتی تجسم، تجزیه و تحلیل و تصمیم‌گیری آگاهانه‌تری در مورد محصولات، دام، تجهیزات، زیرساخت‌ها، محیط‌زیست و سایر مؤلفه‌هایی که باید به طور مداوم نظارت کنند، اتخاذ کنند.
حسگرهای کشاورزی اینترنت اشیا دارای اندازه جمع و جور هستند و پارامترهای زیادی را تعیین می کنند که درک جنبه های زیست محیطی را ارائه می دهد. حسگرهای اینترنت اشیا را می توان برای جمع آوری داده ها در مورد قرار گرفتن در معرض نور خورشید مستقر کرد، که می تواند برای تصمیم گیری بهتر در مورد قرار دادن محصول استفاده شود و به تعیین اینکه آیا یکپارچه سازی خورشیدی گزینه مناسبی برای مزرعه است یا خیر.
معماری شبکه LoRaWAN
به جای اینکه هر دستگاه پایانی تقریباً دائماً روشن باشد، دستگاههای پایانی در شبکه LoRaWAN مستقیماً با GATEWAY تعامل دارند و تنها زمانی روشن هستند که نیاز به برقراری ارتباط با GATEWAY داشته باشند. یک رادیو LoRa دارای چند ویژگی است که آن را قادر می‌سازد به قدرت برد طولانی و هزینه کم دست یابد. برخی از این ویژگی ها عبارتند از:
تکنیک مدولاسیون
رادیوهای LoRa از فناوری مدولاسیون طیف گسترده استفاده می‌کنند تا محدوده ارتباطی افزایش‌یافته‌ای را ایجاد کنند و در عین حال ویژگی توان کم قابل مقایسه با رادیوهای لایه فیزیکی مدولاسیون FSK را حفظ کنند. در حالی که برای مدتی طولانی در ارتباطات نظامی و فضایی به طور گسترده استفاده می شود، LoRa اولین پیاده سازی تجاری کم هزینه این روش است.
فرکانس
در حالی که فناوری LoRa فرکانس تشخیصی است، رادیوهای LoRa از طریق باندهای فرکانس رادیویی بدون مجوز زیر گیگاهرتز که به طور گسترده در سراسر جهان قابل دسترسی هستند، ارتباط برقرار می کنند. این فرکانس ها از ناحیه ای به منطقه دیگر و در بسیاری از موارد از کشوری به کشور دیگر در نوسان هستند.
نرخ داده تطبیقی
LoRa ترکیبی از پهنای باند متغیر و فاکتورهای پخش (SF7-SF12) برای تغییر نرخ داده استفاده میکند، که با محدوده انتقال تطابق دارد. ضریب پخش بالاتر پوشش گسترده تری را به قیمت نرخ داده کمتر فراهم می کند و بالعکس. ترکیب پهنای باند و فاکتور پخش بر اساس شرایط شبکه و میزان داده ارسالی تنظیم می شود.
سطح توان تطبیقی
رادیوهای LoRa دارای سطح توان قابل انطباق هستند. عناصری مانند نرخ داده و کیفیت شبکه بر رادیوهای LoRa تأثیر می‌گذارند. زمانی که انتقال سریع ضروری باشد، توان ارسالی افزایش می یابد و بالعکس. در نتیجه عمر باتری افزایش یافته و ظرفیت شبکه حفظ می شود. عوامل مختلفی، از جمله کلاس دستگاه، بر مصرف برق تأثیر می گذارد.
پشتیبانی LoRa Alliance از LoRaWAN
شبکه‌های جهانی، ملی و منطقه‌ای ما باید در آینده از میلیاردها یا حتی تریلیون‌ها دستگاه هوشمند اینترنت اشیا در سراسر جهان پشتیبانی کنند. راه‌حل‌های اینترنت اشیا مبتنی بر LoRaWAN و فناوری LoRaWAN نقش بسیار مهمی در ارائه یک شبکه نوآورانه، کم‌هزینه و بسیار کارآمد برای برنامه‌های کاربردی آینده خواهند داشت. یک انجمن Lora Alliance وجود دارد که بیش از 400 شرکت را در سراسر جهان برای مشارکت، بهبود و اجرای یک شبکه هوشمند LoRaWAN برای نیازهای آینده متحد می کند.
اتحاد LoRa یک انجمن باز و غیرانتفاعی متشکل از اعضا است که معتقد است عصر اینترنت اشیا اکنون است. اتحاد LoRa توسط رهبران صنعت با مأموریت استانداردسازی شبکه های کم مصرف گسترده (LPWAN) که در سراسر جهان برای فعال کردن اینترنت اشیاء (IoT)، ماشین به ماشین (M2M) و شهر هوشمند و صنعتی راه اندازی شده است.
مطالب پیشنهادی
4 پاسخ
لطفا در مورد پروتکل lora بیشتر مقاله بزارید
چشم حتما