ما هي تقنية LoRaWAN وكيف تعمل؟

هل تفكر في دمج LoRaWAN في حل إنترنت الأشياء الخاص بك؟? في عالم تكنولوجيا إنترنت الأشياء سريعة التقدم, تبرز LoRaWAN كلاعب هائل في قطاع LPWAN. إذا كان اهتمامك يميل نحو حل شبكة LoRaWAN للتطبيقات الصناعية أو الخاصة بالمؤسسات, الخوض في تعقيدات هذا البروتوكول هو خطوة أولى حاسمة. في هذه المقالة, نحن نقدم نظرة عميقة على جميع الجوانب الرئيسية لتقنية LoRaWAN. انضم إلينا ونحن نتنقل عبر الأساسيات, مما يتيح لك الرؤى اللازمة لاتخاذ قرارات مستنيرة لمشاريع إنترنت الأشياء الخاصة بك.

ما هي تقنية LoRaWAN

LoRaWAN تعني شبكة واسعة النطاق طويلة المدى. إنه بروتوكول WAN منخفض الطاقة مصمم للأشياء والأصول اللاسلكية التي تعمل بالبطاريات. تستخدم شبكات LoRaWAN عادةً طيفًا غير مرخص مثل نطاقات 433 ميجا هرتز أو 900 ميجا هرتز لتوصيل الأجهزة بالإنترنت عبر مسافات طويلة لاسلكيًا.

تعتمد التكنولوجيا على طبقة مادية تسمى لورا, والذي يستخدم تعديل الطيف المنتشر. تعمل هذه الطريقة على توزيع الإشارة على نطاق ترددي أوسع, مما يجعلها قوية ضد التداخلات وتعطيها خاصية المدى البعيد. قامت Semtech في الأصل بتطوير تقنية تعديل LoRa وتحافظ عليها.

يضيف LoRaWAN بروتوكول طبقة الشبكة لتمكين الاتصال ثنائي الاتجاه بين الأجهزة الطرفية والبوابات. ثم تتصل البوابات بخوادم الشبكة المركزية عبر IP. تتيح هذه البنية ميزات مثل معدلات البيانات التكيفية, عنونة الجهاز, الأمان, التجوال الخ. مما يجعل عمليات النشر واسعة النطاق ممكنة.

تحالف LoRa, هي جمعية مفتوحة غير ربحية تشرف على معايير لوراوان ويحفز التبني العالمي. لقد انتهى 500 أعضاء عالميًا عبر صانعي الأجهزة, العاملين, مقدمو الحلول يتقدمون بالنشر.

الفرق بين LoRa و LoRaWAN

ببساطة, يشير LoRa إلى تقنية التعديل المادي أو نظام تشفير الإشارة الذي يتيح الاتصال بعيد المدى فقط. يستخدم مفهوم تعديل طيف انتشار الغرد وتصحيح الخطأ الأمامي لتحقيق نطاق تغطية يزيد عن ذلك 10 أميال في المناطق الريفية و 3 أميال في المدن.

يعمل بروتوكول LoRaWAN أعلى تعديل LoRa لإدارة اتصالات البيانات, تمكين التبادلات ثنائية الاتجاه وتنفيذ وظائف أمان الشبكة. يتضمن ذلك إمكانات مثل تحسين معدل البيانات, مخططات معالجة, تنفيذ تشفير AES-128 وإدارة تبادل البيانات بين الأجهزة والبوابات.

لذا فإن LoRa هو مخطط تعديل الطبقة المادية الذي يسمح بإشارات طويلة المدى, بينما تحدد LoRaWAN بروتوكول الاتصال ومعاييره. فكر في LoRa باعتباره الطريق السريع الذي يمكّن المركبات من تغطية مسافات طويلة بسرعة, بينما LoRaWAN هي إشارات المرور والضوابط التي تحكم النقل المنظم والآمن عبر هذا الطريق السريع.

كيف تعمل تقنية LoRaWAN

تتضمن بنية LoRaWAN أجهزة/عقدًا نهائية مزودة بأجهزة استشعار, بوابات, خادم الشبكة, وخادم التطبيقات.

تتصل نقاط النهاية عبر روابط LoRa مع البوابات المنتشرة في الهواء الطلق مثل المباني, أبراج, إلخ. اتصال الواجهة الخلفية للبوابات مثل WiFi, إيثرنت أو الخلوية. يمكنها تغطية أميال طويلة بمعدلات بيانات تتكيف بين 0.3 كيلوبت في الثانية إلى 50 كيلوبت في الثانية.

تقوم البوابات بإعادة توجيه الرسائل من ملايين الأجهزة المحتملة إلى خادم شبكة مركزي. يدير الوظائف الأساسية مثل الأمن, معالجة, ملفات تعريف الجهاز, الانضمام إلى الاتفاقية والتخطيط المتبادل للتبني العالمي لإنترنت الأشياء, التكيف مع معدل البيانات وما إلى ذلك. كما أنه يعمل على إلغاء تكرار الرسائل ويتحكم في التسليم المؤكد بين التطبيقات والأجهزة.

يقوم خادم الشبكة بتسليم البيانات من خلال اتصالات IP إلى خادم التطبيقات. هذا هو المكان الذي يوجد فيه تطبيق إنترنت الأشياء ومنطق الأعمال, لفك تشفير بيانات المستشعر وربطها بلوحات المعلومات, التحليلات, الخدمات السحابية الخ.

فئات أجهزة LoRaWAN أ, ب, & ج

يحتوي LoRaWAN على ثلاثة أنواع مختلفة من الأجهزة النهائية لتلبية الاحتياجات المختلفة التي تنشأ في مجموعة واسعة من التطبيقات:

فئة أ: أدنى قوة, وجهاز نهاية ثنائي الاتجاه

هذه هي الفئة الافتراضية التي تتيح لنقاط النهاية إرسال الوصلة الصاعدة في أي وقت, متبوعة بنوافذ استقبال قصيرة للوصلة الهابطة. نظرًا لأن اتصال الوصلة الصاعدة غير متزامن ويتبع الوصلة الهابطة توقيت الوصلة الصاعدة, يمكن للأجهزة أن تنام مما يزيد من عمر البطارية. يتم تخزين رسائل الوصلة الهابطة مؤقتًا على الخادم.

الصف ب: جهاز طرفي ثنائي الاتجاه مع تأخير محدد للوصلة الهابطة

تفتح أجهزة الفئة ب نوافذ استقبال إضافية على فترات زمنية مجدولة متزامنة مع الشبكة. وهذا يسمح بتأخير أقل للوصلة الهابطة على حساب استهلاك أعلى للطاقة. التأخير الحتمي قابل للبرمجة 128 ثانية مما يجعلها مناسبة لتشغيل البطارية.

فئة ج: الحد الأدنى من التأخير, المعدات الطرفية ثنائية الاتجاه

البناء على الفئة أ, تحافظ الفئة C على جهاز الاستقبال مفتوحًا بشكل مستمر ما لم يتم الإرسال. وهذا يسمح للخادم بالارتباط الهابط في أي وقت مع تأخير قريب من الصفر. ومع ذلك, يمكن أن يستهلك الاستماع المستمر أكثر من 50 ميجاوات, لذا فإن الفئة C تناسب التطبيقات التي تعمل بالتيار الكهربائي. التبديل المؤقت ممكن.

مقارنة لوراوان مقابل. تقنيات LPWAN الأخرى

مساحة LPWAN, جزء سريع النمو من سوق اتصال إنترنت الأشياء, يتضمن سيج فوكس, LoRaWAN, ملحوظة: إنترنت الأشياء, LTE-M, مختبرات الارتباط, وانعدام الوزن. بروتوكولات أخرى مثل LTE-CAT M, إيي بي 802.11AH, ويلعب Dash7 أيضًا أدوارًا حيوية في النظام البيئي LPWAN. في هذا القسم, سنتعمق بشكل أساسي في التقنيات السابقة المذكورة.

• LoRaWAN

LoRaWAN, يحكمها تحالف LoRa, تتميز بطبقة شبكتها القياسية المفتوحة بدعم من تحالف صناعي متنوع. تعمل على شريحة LoRa, فهو يتفوق في تطبيقات الوصلة الصاعدة فقط من خلال التوزيع الفعال للحزم المشفرة, الحد من الاصطدام والتداخل. على الرغم من كونها مفتوحة القياسية, يضيف اعتماد LoRaWAN على شرائح Semtech لتنفيذ المكدس الكامل طبقة من التفرد.

• سيجفوكس

سيج فوكس, شركة فرنسية تأسست في 2009, يميز نفسه بنطاق ممتد يتم تحقيقه من خلال معدلات التعديل البطيئة. كتقنية خاصة, يعد SigFox خيارًا جيدًا للتطبيقات التي تتطلب دفعات بيانات صغيرة وغير متكررة, مثل صناديق القمامة الذكية وأجهزة استشعار وقوف السيارات. ومع ذلك, تشكل القيود المفروضة على قدرة الوصلة الهابطة وقابلية التعرض لتداخل الإشارة تحديات بالنسبة لحالات استخدام معينة.

• NB-IoT وLTE-M

تظهر تقنية NB-IoT وLTE-M في مجال LPWAN, الاستفادة من اتصال LTE القياسي. تتفوق NB-IoT في كفاءة استخدام الطاقة وفعالية التكلفة, مما يجعلها مثالية لتطبيقات المدن الذكية, بينما يوفر LTE-M معدل بيانات أعلى. الاختيار بين الاثنين يعتمد على تطبيقات محددة; إن NB-IoT مناسب تمامًا للعدادات الذكية, بينما قد يكون LTE-M أكثر فائدة للطائرات بدون طيار أو المركبات.

• مختبرات الارتباط

تستخدم Link Labs شريحة LoRa ولكنها تقدم طبقة MAC خاصة تسمى Symphony Link. يضيف Symphony Link بعض ميزات الاتصال المهمة عبر LoRaWAN, بما في ذلك ترقيات البرامج الثابتة اللاسلكية المضمونة, استقبال الرسالة, قدرات مكرر, وإزالة النطاق الديناميكي وحدود دورة العمل.

• عديم الوزن

تتمثل مهمة شركة Weightless SIG في توحيد تقنية LPWAN. باعتباره المعيار الوحيد المفتوح حقًا, يعمل نظام انعدام الوزن على نطاق غير مرخص بتردد أقل من 1 جيجاهرتز. 3 يمكن استخدام إصدارات Weightless لأغراض مختلفة:

انعدام الوزن ث: الاستفادة من المسافة البيضاء (الطيف المحلي غير المستخدم في النطاق التلفزيوني المرخص)

انعدام الوزن-ن: بروتوكول نطاق ضيق غير مرخص مشتق من تقنية NWave

انعدام الوزن ص: بروتوكول ثنائي الاتجاه مشتق من تقنية Platanus الخاصة بـ M2COMM

يعد Weightless N وP من الخيارات الأكثر شيوعًا لأن عمر بطارية Weightless W أقصر.

مميزات تقنية LoRaWAN

فيما يلي بعض المزايا البارزة التي تقدمها تقنية LoRaWAN:

• طاقة منخفضة للغاية: يمكن لأجهزة LoRaWAN العمل في وضع الطاقة المنخفضة ويمكن أن تدوم بطاريتها لعدة سنوات.
• نطاق استثنائي: تغطية طويلة المدى تصل إلى 10 أميال في المناطق الريفية و 1-3 أميال في البيئات الحضرية
• اختراق داخلي عميق: يمكن لشبكات LoRaWAN أن توفر تغطية داخلية عميقة, وتغطية المباني متعددة الطوابق بسهولة.
• ترخيص الطيف الحر: تعمل تقنية LoRaWAN مجانًا (غير مرخصة) الترددات, بدون رسوم ترخيص الطيف الإضافية.
• سعة عالية: قدرة الشبكة على دعم أكثر من مليون جهاز لكل تغطية بوابة.
• النشر العام والخاص: من السهل نشر شبكات LoRaWAN الخاصة والعامة بنفس البرامج والأجهزة (الأجهزة النهائية, بوابات, هوائيات).
• الأمن الشامل: قوي 128 تشفير bit AES من طرف إلى طرف لتوفير أمان قوي.
• تكلفة منخفضة: تكلفة منخفضة جدًا للأجهزة والتشغيل مما يجعلها مثالية لعمليات نشر الأجهزة الكبيرة
• النظام البيئي: تمتلك LoRaWAN نظامًا بيئيًا كبيرًا جدًا من الشركات المصنعة للأجهزة, مطوري التطبيقات, مقدمي خدمات الشبكة, وبائعي الحلول.

حالات استخدام تقنية LoRaWAN

فيما يلي بعض فئات حالات الاستخدام الواعدة المثالية لـ LoRaWAN:

المدن الذكية & خدمات

يمكن للمدن توصيل البنية التحتية المدنية بكفاءة مثل العدادات, سلات القمامة, أضواء الشوارع, مراقبي التلوث. حتى أن تتبع المركبات والحافلات يعد أمرًا قابلاً للتطبيق مما يتيح النقل الذكي. لشركات المرافق, يعد القياس الذكي على نطاق واسع أمرًا ممكنًا للغاية عبر تمديد الغاز, عدادات الكهرباء والمياه.

الموردين & الخدمات اللوجستية

يمكن لشركات الخدمات اللوجستية تتبع الموقع, حالة وحركة الحاويات, المنصات عبر مستودعات متعددة وفي العبور. سلسلة التبريد يمكن أن تضمن سلامة البضائع القابلة للتلف. يمكن لعمليات الميناء تتبع الرافعات, مركبات, البضائع الخ.

الزراعة الذكية & الزراعة

يمكن أن تنتشر أجهزة استشعار LoRaWAN عبر المزارع, البساتين وكروم العنب مراقبة رطوبة التربة, بيئة المحاصيل, ظروف التخزين على مدار السنة عن طريق أجهزة استشعار البطارية. كما تظهر أيضًا الأجهزة القابلة للارتداء الخاصة بصحة الحيوان والموقع.

إدارة الأصول & تتبع

الأصول القيمة مثل المعدات, يمكن مراقبة الأجهزة عبر المواقع لمعلمات مثل درجة الحرارة, الصدمات, الحركة الخ. تحسين السلامة, الاستخدام والعمر. المنصات التي تحمل علامة LoRaWAN, صناديق تبسيط المستودعات.

إنترنت الأشياء الصناعي & مراقبة المستشعر

يمكن للمصانع نشر موثوقة, أجهزة استشعار طويلة المدى لتتبع الأصول, مقاييس السلامة ومؤشرات جودة المنتج عبر الأرضيات بدون أسلاك أو تغييرات في البطارية. حتى المواقع النائية مثل خطوط الأنابيب, منصات الخ. ويمكن قياس.

الرعاية الصحية الذكية & طبي

يمكن للمستشفيات توصيل الأجهزة والأصول الطبية بكفاءة مثل الكراسي المتحركة باستخدام LoRaWAN لتحسين التتبع والاستخدام. تستفيد أساور معصم المريض أثناء العلاج في المستشفى من خلال مراقبة الحركة. تستفيد مرافق المعيشة المدعومة أيضًا من الموقع وقدرات الكشف عن السقوط مما يؤدي إلى تحسين السلامة.

أجهزة استشعار MOKOSmart LoRaWAN لتطبيقك

تقدم MOKOSmart مجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار التي تدعم LoRaWAN والتي تعتبر مثالية للعديد من تطبيقات إنترنت الأشياء طويلة المدى ومنخفضة الطاقة. تتضمن بعض أجهزة استشعار MOKOSmart LoRaWAN التي قد تكون مفيدة:

مستشعر الحركة LoRaWAN PIR: يكتشف الحركة ويمكن استخدامه لمراقبة الإشغال, تنبيهات الدخيل, مشغلات الأتمتة, و اكثر.

LoRaWAN GPS Tracker: يتتبع الموقع في الوقت الفعلي للأصول ويمكنه أيضًا مراقبة درجة الحرارة والحركة. مفيدة لإدارة الأسطول, تتبع الأصول, ومنع السرقة.

LoRaWAN مستشعر درجة الحرارة والرطوبة: يراقب مستويات درجة الحرارة والرطوبة المحيطة. رائعة للخدمات اللوجستية لسلسلة التبريد, مراقبة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء, تتبع وحدة التخزين, والتحليلات البيئية.

زر الذعر LoRaWAN: زر تنبيه للطوارئ يمكنه إخطار الموظفين بالمشكلات أو تنشيط أنظمة الاستجابة للطوارئ عند الضغط عليه.

مستشعر وقوف السيارات لوراوان: يكتشف وجود السيارة في مكان لوقوف السيارات. تمكين تطبيقات مواقف السيارات الذكية والتحليلات.

شارة لوراوان الذكية: يتتبع الموقع الفعلي للموظفين ويمكنه أيضًا العمل كزر ذعر لإرسال التنبيهات. عظيم لإدارة القوى العاملة, صلاحية التحكم صلاحية الدخول, وتطبيقات السلامة.

كيف تبدأ مع تقنية LoRaWAN

لنشر حلول لوراوان من إثبات المفهوم إلى عمليات النشر واسعة النطاق, تتضمن الخطوات الرئيسية عادة:

• ابحث عما إذا كانت LoRaWAN تلبي الموثوقية, النطاق وعمر البطارية
• فهم خيارات التغطية عبر الشبكات العامة, شبكات المجتمع أو عمليات النشر الخاصة
• حدد أجهزة مثل وحدات LoRa وأجهزة استشعار LoRaWAN
• تحقق من توفر مزود خدمة الشبكة المحلية أو قم بنشر البوابات الخاصة
• قم بتوصيل أجهزة الجهاز النهائي عبر بوابات بخادم شبكة LoRaWAN
• تطوير تطبيقات الأجهزة وتكامل تطبيقات إنترنت الأشياء مع الخدمات السحابية
• تغطية الاختبار بالإضافة إلى أداء المستشعر عبر ظروف النشر المتوقعة

مع توسع خيارات تغطية LoRaWAN والأجهزة بسرعة, الآن هو الوقت المناسب لاستكشاف حالات استخدام LoRaWAN المبتكرة الخاصة بك.