إنترنت الأشياء (إنترنت الأشياء) يقود الطلب على الاتصال اللاسلكي عبر الصناعات. تريد الشركات العاملة في الصناعات من سلسلة التوريد إلى البنية التحتية مراقبة الأصول البعيدة لاسلكيًا, تتبع الشحنات, رقمنة المعدات, و اكثر. لكن العديد من التقنيات اللاسلكية مثل WiFi و Bluetooth وحدها لا يمكنها قطعها لحالات الاستخدام طويلة المدى هذه. أدخل LoRa - معيار لاسلكي ناشئ يشبه البلوتوث على المنشطات. يبدو مناسبًا تمامًا لعمليات نشر شبكات إنترنت الأشياء على نطاق واسع بفضل إمكانياتها طويلة المدى ومنخفضة الطاقة. في هذه المدونة, سأقدم لمحة عامة عن ما هو LoRa, كيف تعمل, فوائدها الرئيسية, التطبيقات, ونصائح لتجربتها بنفسك.
تعريف تقنية LoRa
LoRa تعني راديو طويل المدى ويستهدف بشكل أساسي إنترنت الأشياء (إنترنت الأشياء) وشبكات M2M. إنه نوع من نهج التعديل اللاسلكي الجديد المصمم بدقة للاتصال بعيد المدى والاتصالات منخفضة الطاقة. ستسمح هذه التقنية للشبكات متعددة المستأجرين أو الشبكات العامة بتوصيل عدد من التطبيقات التي تعمل على نفس الشبكة.
يتضمن بروتوكول LoRa عددًا من الطبقات المختلفة بما في ذلك التطبيق ومستوى الجهاز للاتصالات الآمنة, التشفير على الشبكة. كل بوابة LoRa فردية لديها القدرة على التعامل مع ما يصل إلى ملايين العقد. يمكن أن تمتد الإشارات لمسافة كبيرة, مما يعني أن هناك بنية أقل مطلوبة, مما يجعل بناء شبكة أسرع وأرخص في التنفيذ.
تم تطويره في البداية بواسطة Cycleo of Grenoble, فرنسا التي استحوذت عليها شركة Semtech في 2012. لاحقا, تحالف غير ربحي موحد LoRaWAN – بروتوكول اتصال مبني على تعديل LoRa. يحدد LoRaWAN بنية النظام بينما يوفر LoRa اتصالًا ماديًا طويل المدى.
بنية شبكة LoRa
تتكون بنية LoRaWAN من العقد النهائية, بوابات, خادم الشبكة وخادم التطبيق. من حيث البنية الأصيلة لشبكة LoRa, عادة ما تكون العقد في طوبولوجيا نجمة النجوم مع بوابات تشكل جسرًا شفافًا. رسائل الترحيل هذه بين خادم الشبكة المركزي والأجهزة الطرفية في الواجهة الخلفية. عادة ما يكون الاتصال بعقد نقطة النهاية ثنائي الاتجاه, ولكن من الممكن أيضًا دعم عملية الإرسال المتعدد, وهذا مفيد لميزات مثل ما شابه ذلك أو رسائل التوزيع الجماعي الأخرى أو ترقيات البرامج.
- مستشعر لورا: نقاط النهاية هي عناصر شبكة LoRa حيث يتم التحكم أو الاستشعار. تقع عادة عن بعد.
- بوابة LoRa: تستقبل البوابة البنية التحتية من نقاط نهاية LoRa ثم تنقلها إلى نظام التوصيل. يمكن أن يكون هذا الجزء من شبكة LoRa خلويًا, إيثرنت, أو أي وصلة اتصالات سلكية أو سلكية أخرى. تتصل البوابات بخادم الشبكة باستخدام اتصالات IP النموذجية. في هذا الطريق, تستخدم البيانات بروتوكولًا نموذجيًا ولكن يمكن توصيلها بأي شبكة اتصالات, سواء كانت خاصة أو عامة. في ضوء تشابه شبكة LoRa مع تلك الخلوية, غالبًا ما تكون بوابات LoRaWAN في نفس الموقع مع محطة قاعدة خلوية. في هذا الطريق, يمكنهم استخدام سعة إضافية على شبكة التوصيل.
- خادم شبكة LoRa: ينجح خادم شبكة LoRa في الشبكة وكجزء من وظيفته, يعمل على إزالة الحزم المكررة, تتكيف مع معدلات البيانات, وجداول الإقرار. إن تقييم الطريقة التي يمكن بها نشرها وتوصيلها يجعل من السهل جدًا نشر شبكة LoRa.
- خادم التطبيق: ثم, يمكن لجهاز كمبيوتر بعيد التحكم في إجراءات نقاط النهاية أو جمع البيانات من نقاط النهاية - أصبحت شبكة LoRa شبه شفافة.
كيف تعمل تقنية LoRa
تستخدم LoRa اللاسلكية تعديل الطيف المنتشر, الذي ينشر إشارة ضيقة النطاق عبر عرض نطاق قناة أوسع. يأتي سحرها اللاسلكي بعيد المدى من بعض التحسينات الذكية:
طيف انتشار النرد (CSS)
هذه هي تقنية تعديل الطبقة المادية التي يستخدمها راديو LoRa. يعمل CSS عن طريق أخذ إشارة جيبية وتغيير ترددها خطيًا بمرور الوقت, خلق إشارة غرد. ثم يتم تشكيل هذه الإشارة على تردد الموجة الحاملة.
عن طريق النقيق الإشارة على نطاق ترددي أوسع, ينشر LoRa الطاقة على نطاق تردد أكبر. هذا يزيد من مقاومة التداخل والضوضاء, مع تحسين استقبال الإشارة عند البوابة.
معدل البيانات التكيفية (ADR)
هذه هي طريقة LoRa لتحسين معدلات البيانات ديناميكيًا بين أجهزة العقد النهائية والبوابات. باستخدام ADR, يمكن أن تتحول العقد إلى معدلات بيانات أسرع عندما يكون التداخل منخفضًا وتتحول إلى معدلات بيانات أكثر قوة عندما يزداد التداخل.
يضمن هذا التحسين أفضل معدلات البيانات في ظل ظروف القناة المتغيرة, زيادة عمر بطارية العقد وسعة الشبكة الإجمالية.
يمنح CSS و ADR معًا LoRa نطاقًا مذهلاً ومرونة مع استخدام الحد الأدنى من الطاقة. تبدو الإشارات مثل الضوضاء للأنظمة الأخرى, تعزيز الأمن.
الميزات والفوائد الرئيسية لتكنولوجيا LoRa
دعونا نلقي نظرة أعمق على بعض الفوائد البارزة لتكنولوجيا راديو LoRa:
- اتصال بعيد المدى– نطاقات التمكين من 15+ كم في المناطق الريفية و 5+ كم في المناطق الحضرية. تصاريح التغطية على نطاق المدينة, ويتم تحقيق اختراق جيد للمباني.
- طاقة منخفضة– ما بين 10 أماه و 100 غير متوفر في وضع السكون. حسب التطبيق, عمر البطارية 2 إلى 15 سنوات. يقلل بشكل كبير من تكاليف الصيانة.
- عمليات النقل الآمنة– تشفير AES-128 بت يؤمن البيانات ويمنع العبث بها.
- دقة تحديد الموقع الجغرافي– يمكن للإشارات تحديد الموقع في حدود عشرات الأمتار بدون نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). مفيدة لتتبع الأصول.
- نطاقات الطيف العالمية – 868 ميغاهيرتز (863–870 ميغا هيرتز, مقسمة إلى عدة نطاقات فرعية) في أوروبا و 915 ميغاهيرتز في الولايات المتحدة. فترة استخدام القناة محدودة باللوائح في العديد من البلدان (دورة العمل).
- اتصال ثنائي الاتجاه– أرسل البيانات لأعلى وادفع التهيئة لأسفل. أجهزة الاتصالات LoRa nable التحكم عن بعد.
- سعة عالية– يمكن لبوابة LoRa واحدة التعامل مع ملايين الرسائل يوميًا من آلاف الأجهزة.
- معيار مفتوح– LoRaWAN هي مواصفات مفتوحة يشرف عليها تحالف LoRa غير الربحي. اعتماد محركات الأقراص وقابلية التشغيل البيني.
أساسيات تقنية LoRa
هناك العديد من العناصر الرئيسية لتكنولوجيا LoRa. تتضمن بعض ميزاته الرئيسية ما يلي:
- ما يصل إلى ملايين العقد
- عمر بطارية طويل; لمدة عشر سنوات
- بعيد المدى; 15-20 كم.
هناك العديد من عناصر تقنية LoRa التي توفر الاتصال والوظائف الشاملة.
مكدس بروتوكول LoRa: عرّف LoRa Alliance أيضًا مجموعة بروتوكولات مفتوحة. لقد سمح إنشاء هذا المكدس مفتوح المصدر لمفهوم LoRa بالارتقاء لأن جميع الأنواع المختلفة من الشركات المشاركة في تطوير LoRa, تعيين, وتمكنا من التوفيق بين المستخدمين لإنشاء حل منخفض التكلفة وسهل الاستخدام للاتصال بجميع طرق أجهزة إنترنت الأشياء المتصلة.
تصميم شبكة LoRa: إلى جانب عناصر التردد اللاسلكي لنظام LoRa اللاسلكي, هناك بعض العناصر الأخرى لبنية الشبكة, بما في ذلك وجود بنية النظام الشاملة, الخادم, ناقل, وأجهزة الكمبيوتر التطبيقية. غالبًا ما يتم ذكر الهندسة المعمارية الشاملة باسم LoRaWAN.
لورا فيز / واجهة RF: تعد طبقة LoRa المادية أو PHY مفتاح تشغيل النظام. يتحكم في جوانب إشارة التردد اللاسلكي التي يتم إرسالها بين العقد أو نقاط النهاية, بمعنى آخر. بوابة LoRa وأجهزة الاستشعار حيث يتم استقبال الإشارات. تتحكم الطبقة المادية أو السطح البيني الراديوي في جوانب الإشارة بما في ذلك نسق التشكيل, مستويات الطاقة, الترددات, التشوير بين عناصر الإرسال والاستقبال, والمواضيع الأخرى ذات الصلة.
تعديل لورا
تقنية LoRa هي التعديل اللاسلكي أو المادي (PHY) طبقة السيليكون, تستخدم لإنشاء رابط اتصال بعيد المدى.
تستخدم طبقة LoRa المادية شكلاً من أشكال تعديل طيف الانتشار. يستخدم نظام تعديل LoRa نبضات عريضة النطاق يتم التحكم فيها بالتردد. يتم استخدام مستوى زيادة أو نقصان التردد بمرور الوقت لتشفير البيانات المراد إرسالها, مثل; شكل من أشكال تعديل الغرد.
هذا النوع من التعديل يمكّن أنظمة LoRa اللاسلكية من إزالة الإشارات التي تكون أقل من الضوضاء بمقدار 20 ديسيبل عندما يتم دمج التشكيل مع تصحيح أخطاء إعادة التوجيه, FEC. بالمقارنة مع نظام FSK التقليدي; يمكن أن تحقق ميزانية الوصلة لنظام LoRa تحسينًا بأكثر من 25 ديسيبل.
نتيجة للنقطة التي ينتشر فيها الإرسال بطريقة عشوائية زائفة, قد يكون من الصعب على غير مستخدمي LoRa اكتشاف الضوضاء وظهورها. هذا يمكن أن يدعم أمن النظام.
ميزة أخرى للنظام هي أن تعديل الغرد والنظام, بشكل عام, تتسامح مع إزاحة التردد ونتيجة لذلك, من الممكن استخدام مذبذب بلوري اساسي مع 20-30 قبول جزء في المليون بدلاً من مذبذب دفع درجة الحرارة, TCXO. هذا يمكن أن يوفر بعض وفورات التكلفة الجيدة داخل الدوائر الإلكترونية العقدة.
أمن شبكة LoRa
أصبحت قضية أمن الشبكات ذات أهمية تدريجية. على هذا النحو ، تتطلب شبكات LoRa مستويات عالية من الأمان لمنع مشكلة أي أنظمة.
للوصول إلى مستويات الأمان المطلوبة لشبكات LoRa, تم استخدام عدة طبقات من التشفير:
مفتاح خاص بالجهاز (EUI128).
مفتاح الشبكة الفريد (EUI64) يضمن الأمن على مستوى الشبكة.
مفتاح التطبيق الفريد (EUI64) يشهد الأمن من النهاية إلى النهاية.
يضمن استخدام طبقات التشفير هذه أن تظل شبكة LoRa آمنة بشكل مناسب.
تطبيقات تقنية لورا
يفضل استخدام تقنية LoRa اللاسلكية لاستخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات. تعني الإمكانات طويلة المدى ومنخفضة الطاقة أنه يمكن نشر نقاط النهاية في مجموعة متنوعة من الأماكن, خارج المباني وداخلها ولا تزال لديها القدرة على التواصل مع البوابة. نظرًا لأنه من السهل نشر النظام ويمكن استخدامه لعدد كبير من إنترنت الأشياء, أشياء الإنترنت, ومن آلة إلى آلة, التطبيقات, M2M. فيما يلي بعض تطبيقات LoRa الشائعة:
المدن الذكية – قياس ذكي, المراقبة البيئية, وقوف السيارات الذكية, إنارة الشوارع, إدارة النفايات وأكثر.
سلسلة الإمداد اللوجستية – تتبع الأصول ومراقبتها, مراقبة سلسلة التبريد, إدارة الأسطول.
زراعة – مراقبة التربة, التحكم في الري, تتبع الماشية.
إنترنت الأشياء الصناعي – مراقبة المعدات, الصيانة الوقائية, التشغيل الآلي.
مراقبة البنية التحتية – مراقبة خطوط السكك الحديدية, الجسور, الأنفاق لأية تغييرات جسدية.
خدمات – الشبكة الذكية, قياس الغاز / الماء, كشف التسريب, توليد الطاقة الموزعة.
التشغيل الآلي للمبنى – HVAC والتحكم في الإضاءة, إدارة الطاقة, مراقبة إشغال الغرف.
الرعاىة الصحية – تتبع الأصول, مجسات الجهاز الطبي, مراقبة المريض.
التجزئه – إدارة المخزون في المستودعات, التسويق الجغرافي عبر منارات.
LoRa مقابل LoRaWAN – ماهو الفرق?
يصف LoRa الطبقة المادية الدنيا, كانت طبقات الشبكات العلوية غائبة. LoRaWAN هو أحد البروتوكولات العديدة التي تم تطويرها لوصف الطبقات العليا من الشبكة. LoRaWAN هو التحكم في الوصول إلى الوسائط المستندة إلى السحابة (ماك) بروتوكول الطبقة ولكنه يعمل بشكل أساسي كبروتوكول طبقة الشبكة لإدارة الاتصال بين أجهزة العقدة الطرفية وبوابات LPWAN, كبروتوكول توجيهي, التي يحتفظ بها تحالف LoRa. إصدار مواصفات LoRaWAN 1.0 صدر في يونيو 2015.
LoRaWAN يحدد بنية النظام وبروتوكول الاتصال للشبكة, بينما تسمح طبقة LoRa المادية بربط الاتصال بعيد المدى.
إذن باختصار:
LoRa = تعديل الطبقة المادية
LoRaWAN = بروتوكول الاتصال والهندسة المعمارية
يوفرون معًا الحل الكامل بما في ذلك الاتصال بعيد المدى وبنية اتصالات الشبكة المرنة.
ما هو تحالف لورا?
كما هو الحال مع العديد من الأنظمة الأخرى, تم إنشاء هيئة صناعية لتطوير ثم الترويج لنظام LoRa اللاسلكي عبر الصناعة يسمى تحالف لورا. تم إطلاقه في مارس 2015. كما يذكر التحالف, تم إعداده لتوفير معيار عالمي مفتوح للأمان, اتصال IoT LPWAN بمستوى الناقل.
على الرغم من أن LoRa قد تم تطويره بشكل أساسي بواسطة Semtech, أتاح فتح المعيار اعتماده من قبل عدد كبير من الشركات, وبالتالي ينمو النظام البيئي ويكسب مشاركة أكبر بكثير, مجموعة أوسع من المنتجات وزيادة شاملة في الاستخدام والقبول.
الأعضاء المؤسسون لتحالف لورا يشملون Actility, سيسكو, Eolane, آي بي إم, كيرلينك, IMST, MultiTech, Sagemcom, Semtech, وتكنولوجيا الرقائق, وكذلك شركات الاتصالات الرائدة: Bouygues Telecom, KPN, SingTel, بروكسيموس, سويس كوم, و FastNet (جزء من شركة Telkom في جنوب إفريقيا).
الشروع في استخدام تقنية LoRa
في الأساس, يمكن للجميع تشغيل اتصالات LoRa الخاصة بهم. نظرًا لأن LoRa يعمل في نطاق التردد غير المخصص, لا توجد تكاليف ترخيص ضرورية للترددات. إذا كان عليك فقط إعداد LoRaWAN في منطقة محدودة, يمكن أن يكون تشغيل البوابات والخوادم الخاصة بك منطقيًا. تتطلع إلى بناء حلول LoRa وLoRaWAN الخاصة بك? فيما يلي بعض الكيفية التي يمكن أن تساعدك بها MOKOSmart على البدء في استخدام تقنية LoRa:
– تقدم MOKOSmart مجموعة متنوعة من تحتاج إلى تحديد ميزانيتك ومساحة مكتبك لفهم حلول إنترنت الأشياء التي يمكنك تحمل تكاليفها لتتبع الأصول, المراقبة البيئية, كشف وقوف السيارات وأكثر.
– تحتوي بوابات LoRaWAN الخاصة بنا على حاويات IP66 وأداء LoRa و Bluetooth مدمجين.
– نحن نقدم بوابات Bluetooth LoRaWAN لتوصيل أجهزة Bluetooth.
– تأكد من إجراء عمليات نشر اختبارية صغيرة لتقييم الأداء والتغطية في العالم الحقيقي.
– خذ الوقت الكافي لتصميم بنية النظام الكاملة.
– انضم إلى تحالف LoRa للتعاون والوصول إلى الموارد.
– مع مجساتنا, بوابات, ووحدات LoRa, يمكنك بناء شبكات إنترنت الأشياء بعيدة المدى بسرعة.
مع أجهزة LoRa IoT سهلة الدمج من MOKOSmart, يمكنك إنشاء اتصال لاسلكي طويل المدى بسرعة في تطبيقات إنترنت الأشياء الخاصة بك. تواصل للحصول على المساعدة للبدء في استخدام تقنية LoRa.
اقرأ المزيد عن لورا
