Якщо ви працюєте з мережевими пристроями, Можливо, ви колись чули про випадки використання LoRaWAN. Це мережевий протокол великої дії. Це дозволяє об’єднувати речі в Інтернет навіть на великій відстані з низьким енергоспоживанням. Це вирішує одну з великих проблем, з якими досі стикалися програми в Інтернеті речей. Термін служби батареї до п’яти років і низькі витрати на технічне обслуговування сенсорної мережі, LoRaWAN можна використовувати для широкого спектру нових програм.
Це дає вам короткий огляд можливостей рішень LoRaWAN. У цій статті, дивимося на архітектуру, ключові особливості базової технології, і останні випадки використання LoRaWAN, де він використовується.
Що таке технологія LoRaWAN?
Чудова особливість цієї технології полягає в тому, що вона заснована на відкритому стандарті. Він використовує неліцензований спектр як частину частотного діапазону ISM (“Промислові, Науковий, та мед”, Німецька: Промисловість, Наука і медицина). В Європі, LoRaWAN використовує 868 діапазон частот МГц, тоді як у США 915 Смуга частот МГц звільняється. Використовуючи неліцензійний спектр, дуже легко налаштувати та використовувати власну мережу. Багато телекомунікаційних операторів вже отримують переваги від використання LoRaWAN або пропонують цю технологію як частину своїх послуг у багатьох країнах світу.. Comcast, KPN, Помаранчевий, SK Telecom і багато інших провайдерів активно впроваджують масштабні запуски на своїх ринках. Це робить LoRaWAN ще більш цікавою технологією, оскільки вона сумісна з мережами різних операторів – великі і маленькі.
Стандарт LoRaWAN контролюється LoRa Alliance, яка в свою чергу складається з над 500 учасників, які підтримують протокол і узгоджують багато його компонентів, продукти, і послуги з LoRaWAN. До них відносяться такі компанії, як МОКОСМАРТ, ARM, Cisco, Мікрочіп, і СТ.
Що відрізняє LoRa від LoRaWAN?
Почнемо з визначення LoRa – що це таке і чим воно відрізняється від LoRaWAN? LoRa — це бездротова технологія, подібна до більш поширених технологій, таких як Wi-Fi або WLAN, Bluetooth, LTE, і Zigbee. Однак, технологія часто не покриває всіх вимог, це означає, що користувачі повинні йти на компроміси. LoRa задовольняє попит на недорогі, пристрої, що працюють від батарейок і можуть передавати дані на великі відстані. Однак, LoRa не є правильним рішенням для передачі даних через велику пропускну здатність. LoRa — це технологія, яка перетворює дані для передачі в електромагнітні хвилі. Ця техніка також відома як розширений спектр з чирпованим сигналом， він десятиліттями використовувався у військовому та космічному зв'язку. Це пов'язано з великою дальністю зв'язку і низькою сприйнятливістю до перешкод.
LoRaWAN, з іншої сторони, це протокол MAC для мережі високопродуктивних вузлів LoRa на основі Інтернету речей, які покривають великі відстані та мають низькі потреби в енергії. Він використовує описані вище переваги LoRa та оптимізує термін служби батареї та якість обслуговування для вузлів LoRa. Протокол повністю двонаправлений, що забезпечує надійну передачу повідомлень (підтвердження). Наскрізне шифрування надається з метою безпеки та захисту даних, бездротова реєстрація кінцевих приміток і функції багатоадресної передачі. Стандарт також забезпечує сумісність з мережами LoRaWAN по всьому світу.
Архітектура LoRaWAN
Архітектура LoRaWAN в основному складається з чотирьох елементів:
• Кінцеві вузли
• Шлюз (базові станції/маршрутизатор)
• Мережевий сервер
• Сервер додатків
Кінцеві вузли
Кінцеві вузли – це фізичні апаратні пристрої, оснащені сенсорними функціями, певну обчислювальну потужність і радіомодуль для перетворення даних у радіосигнал. Ці кінцеві пристрої можуть передавати дані на шлюз, а також отримувати їх. Навіть з маленькою батареєю, вони можуть працювати кілька років, якщо їх перевести в режим глибокого сну для оптимізації споживання енергії.
Коли пристрій надсилає повідомлення на шлюз, це відомо як an “висхідна лінія”. Відповідь, яку термінал отримує від шлюзу, називається “низхідний зв'язок”. На цій основі, розрізняють три типи кінцевих пристроїв:
• Клас А
• Клас Б
• Клас С
Пристрої класу А мають найнижче енергоспоживання порівняно з двома іншими класами. Однак, вони можуть отримати низхідний канал, лише якщо вони надіслали висхідний канал. Пристрої класу А підходять для передачі даних через часові інтервали (напр. кожен 15 хвилин) або для пристроїв, які надсилають дані на основі подій (напр. якщо температура піднімається вище 21 градусів або падає нижче 19 ступенів).
Кінцеві вузли класу B дозволяють більше слотів для повідомлень для низхідних каналів, ніж клас A. Це зменшує затримку повідомлення, але також менш енергоефективно.
Захист також важливий від маніпуляцій, щоб запобігти отриманню користувачем неправдивої інформації про стан поштової скриньки, клас C має постійне вікно отримання, яке закривається лише тоді, коли пристрій надсилає повідомлення висхідної лінії зв’язку. Тому, це найменш енергоефективний варіант, для роботи якої часто потрібне джерело постійного струму.
Шлюзи
Шлюзи також відомі як модеми або точки доступу. Шлюз також є апаратним пристроєм, який отримує всі повідомлення LoRaWAN від кінцевих пристроїв. Потім ці повідомлення перетворюються на масив бітів, який можна передавати через звичайні IP-мережі. Шлюз пов'язаний з мережевим сервером, який передає всі повідомлення.
Шлюзи прозорі та мають обмежену обчислювальну потужність. Більш складні завдання виконуються на сервері мережі. Залежно від використання та типу, шлюзи доступні в двох версіях:
Шлюзи для внутрішнього використання, напр. MKGW2-LW, МОКОСМАРТ.
Мережевий сервер
Усі повідомлення від шлюзів пересилаються на сервер мережі. Тут відбуваються більш складні процеси обробки даних. Сервер мережі відповідає за:
1. Маршрутизація/пересилання повідомлень до потрібної програми;
2. Вибір найкращого шлюзу для низхідних повідомлень. Зазвичай це рішення приймається на основі показника якості зв’язку, який, у свою чергу, обчислюється через RSSI (Індикація рівня отриманого сигналу) і SNR (Співвідношення сигнал/шум) пакетів, які були раніше отримані;
3. Видалення дублікатів повідомлень, отриманих кількома шлюзами;
4. Дешифрування повідомлень, надісланих із кінцевих вузлів, і шифрування повідомлень, надісланих назад до вузлів;
5. Зазвичай шлюзи підключаються до мережевого сервера за допомогою зашифрованого Інтернет-протоколу (IP) посилання. Мережа зазвичай включає введення в експлуатацію шлюзу та інтерфейс моніторингу, який дозволяє постачальнику мережі керувати шлюзами, усунення несправностей, монітор сигналізації, тощо. …
Сервер додатків
Сервер додатків – це місце, де розташовується додаток IoT – це особливо корисно для даних, отриманих за допомогою кінцевих пристроїв. В більшості випадків, сервери додатків працюють через приватну або публічну хмару, який підключений до мережевого сервера LoRaWAN і обробляє спеціальну обробку програми. Інтерфейс із сервером додатків контролюється мережевим сервером.
Функції LoRaWAN
- Двонаправлений зв'язок
Термінал може передавати дані на шлюз, а також отримувати їх відповідно до налаштувань. Ці налаштування також можна викликати в програмі.
- Локалізація
Цікавою функцією LoRaWAN є локалізація без необхідності GPS. Це особливо корисно для систем відстеження та датчиків, оскільки воно економічно витрачає акумулятор і може обслуговуватися дешевше, ніж звичайні методи.
- Масштабованість
LoRaWAN розроблено для великих розгортань IoT, у яких тисячі пристроїв об’єднані в мережу з керованою кількістю шлюзів. Ці шлюзи можуть контролювати кілька каналів і обробляти кілька повідомлень одночасно.
Ще однією важливою властивістю LoRaWAN є швидкість передачі даних. Існують різні швидкості передачі даних, які можна використовувати для передачі. Їх також називають факторами поширення (SF). Повільніша трансмісія забезпечує довший і надійніший діапазон.
Наприклад, уявіть, що ви розмовляєте з кимось, хто вам дуже близький. Ви можете говорити дуже швидко в цій ситуації, і ваш партнер розуміє все, що ви говорите. Коли ти розмовляєш з тим, хто далеко від тебе, вам потрібно говорити набагато повільніше, щоб вас зрозуміли. Цей принцип також стосується протоколу LoRaWAN.
- Адаптивна швидкість передачі даних
З LoRaWAN, мережа також може автоматично оптимізувати швидкість, з якою пристрій передає свої дані. Ця функція називається адаптивною швидкістю передачі даних (або ADR) і особливо важливий для збільшення пропускної здатності мережі LoRaWAN. ADR дозволяє нам легко масштабувати мережу, додавши ще один шлюз. Через цей шлюз, багато кінцевих пристроїв тепер автоматично регулюють свій коефіцієнт поширення. В результаті, окремі пристрої коротші “в ефірі”, що означає більшу пропускну здатність мережі.
Адаптивна швидкість передачі даних (абревіатура: ADR) це простий механізм, який регулює швидкість передачі даних відповідно до наступних правил:
Якщо потужність радіосигналу (також називається “бюджет посилання”) є високим, швидкість передачі даних можна збільшити;
Якщо бюджет посилання низький, швидкість передачі даних можна зменшити.
- Безпека
Для кожної LPWAN важливо використовувати комплексне рішення безпеки. LoRaWAN використовує два рівні безпеки: один для мережі та один для програми. Безпека мережі забезпечує автентичність кінцевого пристрою в мережі, тоді як прикладний рівень гарантує, що оператор мережі не має доступу до прикладних даних кінцевих користувачів. Для обміну ключами використовується шифрування AES.
Мережевий рівень відповідає за ідентифікацію вузла. Він перевіряє, чи дійсно повідомлення надходить із певного пристрою, а також вважається перевіркою цілісності. Він також може шифрувати команди MAC.
Прикладний рівень використовується для дешифрування та шифрування корисних даних.
Обидва ключі зашифровані за допомогою 128 біт AES у режимі ECB.
Сценарії для випадків використання LoRaWAN
LoRaWAN знайшов своє місце на ринку щодо додатків та сфер застосування. Завдяки своїм унікальним властивостям, LoRaWAN найкраще підходить для таких сценаріїв:
1. Доступ до електрики (електрика) обмежений або обмежений;
2. Місця фізично важкодоступні або дуже віддалені;
3. Кількість кінцевих пристроїв значно вища порівняно зі звичайними підключеннями мобільного телефону;
4. Кінцевим пристроям не потрібно постійно надсилати повідомлення.
Скільки існує випадків використання LoRaWAN
-
Відстеження активів
Багато галузей потребують відстеження розташування та стану цінного обладнання, щоб покращити планування та роботу. Датчики LoRaWAN вимірюють швидкість активів, навантаження, температура та вологість, положення, вібрації та інші дані, а також поєднувати дані в реальному часі та історичні дані, щоб рекомендувати технічне обслуговування до виникнення проблем. З доступом до даних про продуктивність активів, ви можете оптимізувати свій виробничий графік, а також отримувати сповіщення, коли актив викрадено або перевищує запланований обсяг.
-
Контроль запобігання зворотному потоку
Усі споживачі промислової води потребують запобігання зворотному потоку на входах водопостачання, які запобігають забрудненню, дозволяючи воді текти в одному напрямку, а не в іншому. Можливість відчути наявність зворотного потоку за допомогою лінійного монітора на базі LoRaWAN і негайно надіслати сповіщення SMS або електронною поштою менеджерам об’єктів є важливою для здоров’я та безпеки працівників і виробничих систем.
-
Моніторинг холодового ланцюга
LoRaWAN ідеально підходить для холодового ланцюга в секторах свіжої їжі та охорони здоров’я. Використання рішення холодового ланцюга LoRaWAN, ви можете відстежувати стан температури та вологості продукту та повідомляти систему про стан температури та вологості, якщо стан продукту є ненормальним, запобігаючи втраті функцій або навіть поломці продукту.
-
Моніторинг температури та вологості ґрунту
Для сільського господарства та озеленення, правильне зрошення є ключем до покращення врожаю. Грунти в різних регіонах потребують різної кількості води, і детектор температури та вологості LoRaWAN можна використовувати для прийняття більш обґрунтованих рішень на основі виміряної температури та вологості ґрунту, збільшення виробництва та зменшення витрат води.
-
Виявлення течі
Коли ресурси Землі, такі як вода, газ або хімікати, знаходяться в дефіциті, Ключ до вирішення цієї дилеми полягає в тому, щоб максимально уникнути витоку ресурсів. Вода всередині та зовні промислових об’єктів буде контролюватися LoRaWAN Water Leak Detection та датчиками занурення у воду. Система сповістить менеджера об’єкта, щоб він швидко відреагував і вирішив проблему, коли станеться збій або буде виявлено аномалію..
-
Логістика та транспорт
Технологія LoRaWAN дозволяє ланцюгам постачання та логістиці відстежувати активи, які необхідно транспортувати на великі відстані, у режимі реального часу. Транспортні засоби та вантаж можна легко контролювати в режимі реального часу на великих географічних територіях і в суворих умовах завдяки даній технології на великій відстані та низькому енергоспоживанні., а також геолокацію без GPS. Система відстеження автопарків, підключена до мережі LoRaWAN, може довше утримувати автопарки в полі, тим самим зменшуючи витрати, підвищення безпеки, забезпечення видимості проблем технічного обслуговування, і підвищення операційної ефективності за всіма напрямками.
-
Моніторинг паркування
Доведено, що пошук вільних місць для паркування збільшує викиди вуглекислого газу та збільшує затори. Встановлюючи датчики LoRaWAN на паркувальних місцях, можна забезпечити точний підрахунок транспортних засобів і виявлення на в’їздах і виїздах із паркувальних місць. Муніципальні та комерційні доходи будуть збільшені за рахунок збору даних про паркування в реальному часі, що покращить загальне використання паркувального простору.
-
Боротьба зі шкідниками
Необхідно захистити приміщення та людей від зараження, пошкодження, і гризунів. Однак, ручне обстеження займає багато часу і потребує багато матеріальних ресурсів і робочої сили. Підключене рішення LoRaWAN для боротьби зі шкідниками покращує видимість і дозволяє здійснювати моніторинг у реальному часі з будь-якого місця. Водонепроникний, міцні пастки є безпечним варіантом для родентицидів. Простий мобільний додаток і веб-пару, сповіщення в реальному часі, коли необхідне обслуговування, підвищити ефективність і зменшити витрати на програми боротьби з гризунами на вулиці та в приміщенні.
-
Моніторинг навколишнього середовища
Багато прибережних міст зазнають тривалих повеней під час помірних і високих припливів, як правило, залишають магістралі та прилеглі дороги у непрохідній воді. Ці проблеми можна вирішити шляхом моніторингу якості повітря, опади та інші фактори навколишнього середовища. Погодостійкі сонячні електростанції, встановлені на мостах і опорах освітлення, дистанційно вимірюють рівень води на землі або над водоймами за допомогою технології LoRaWAN і ультразвукових датчиків. Ці системи моніторингу навколишнього середовища в режимі реального часу вимірюють рівень погоди та якість повітря за межами місцевого значення, щоб передбачити повені та інформувати громадян про небезпечні умови.
-
Громадська безпека
Майже в усіх галузях промисловості потрібні інтегровані рішення безпеки. Рішення для громадської безпеки IoT надають службам екстреного реагування інноваційні технології, які допомагають зменшити ризик і підвищити особисту безпеку. Технологія LoRaWAN інтегрується в персональні носії, такі як ідентифікаційні мітки, і оснащена кнопкою екстреної допомоги для миттєвого надсилання SOS та інформації про місцезнаходження користувача.. Ці рішення, розгорнуті на підприємствах та в університетських містечках, призначені для вирішення 1-секундного інтервалу атаки та 7-секундного 911 інтервал дзвінків для рішень на основі мобільного телефону.
-
Використання простору
Співробітники стають все більш мобільними і швидко переходять на “будь-коли, де завгодно” філософія роботи. В результаті, офісні приміщення можуть простоювати або переповнені, в залежності від непередбачуваних потоків співробітників і відвідувачів. Максимально використовувати простір стало проблемою логістики для бізнесу. Дані про зайнятість, отримані від датчиків LoRaWAN, усувають здогадки та забезпечують команди дієвою інформацією для покращення практики на робочому місці, і підвищення продуктивності праці співробітників.
-
Моніторинг конденсатовідвідника
Пара широко використовується в різних галузях промисловості. Процеси парового опалення на заводах приводять у дію турбіни на електростанціях. Паровий уловлювач фільтрує неконденсовані гази та конденсовану пару, не даючи парі вийти. Конденсатори в середньому виходять з ладу 10 до 30 відсотків на рік, що призводить до марнотратної та дорогої неефективності. Випробування конденсатовідвідника – це трудомісткий процес, який зазвичай проводиться вручну раз на рік. Система моніторингу LoRaWAN Trap дозволяє компаніям часто запитувати кількість своїх пасток для виявлення несправностей. Дані безпечно передаються в онлайн-систему управління будівлею, надання звітів на інформаційній панелі, які показують, чи є пастки, які потрібно відремонтувати.
-
Моніторинг резервуарів
Важлива надійна система контролю рівня палива. Компанії з доставки палива є ключовими партнерами в інтелектуальному промисловому ланцюжку постачання, де виснаження палива може бути згубним. Без засобів дистанційного вимірювання рівня палива, вантажні поставки часто неефективні, підвищення операційних витрат і ускладнення обслуговування клієнтів. Рівень у резервуарі та інші цінні дані можуть надсилатися через мережу до системи моніторингу резервуарів, яку використовує компанія-постачальник. Більше того, промислові операції можуть точно передбачити використання палива. Таким чином, рулони вантажівок і їхній вуглецевий слід можна зменшити.
-
Контроль температури
Підтримка потрібної температури для цінних активів є важливою для охорони здоров’я, служба харчування, та інші галузі. Температурні зміни можуть призвести до катастрофічної втрати продукту. Окрім шкоди ресурсам, ці випадки також можуть спричинити бренд, репутація, публічний імідж та інші втрати компаній. З датчиками малої потужності, дистанційний моніторинг температури та вологості LoRaWAN надає підприємствам можливість знімати показання та реєструвати журнали для перевірки відповідності. Заходи безпеки та економічно ефективний захист забезпечуються кількома пороговими налаштуваннями.
-
Управління водними ресурсами
Комерційні будівлі, заводи з переробки харчових продуктів і напоїв, готелі, супермаркети, і всі автомийки виробляють відходи води через розливи, витоків, та пошкодження обладнання. Миттєве сповіщення та реакція є ключовими для зниження ризиків комплаєнсу при зниженні витрат. За допомогою розгортання вимірювальних систем LoRaWAN для заміни застарілих трудомістких процесів, рішення управління водними ресурсами, складається з датчиків LoRaWAN, надає муніципалітетам детальний загальний водний слід. Розумні лічильники води забезпечують віддалений доступ до даних про використання та платіжних рахунків, підвищення ефективності роботи та отримання додаткового доходу від послуг.
-
Моніторинг сміттєвого бака
Система автоматично визначає та контролює розташування, рівні наповнення бака, і частоти вилучення, дозволяючи операторам автопарків керувати статусом робочих нарядів у режимі реального часу, і зменшити витрати на оплату праці. Рішення для моніторингу відходів на основі LoRaWAN скорочують витрати та час на збір. Автоматичні сповіщення забезпечують інтелектуальне планування маршруту для постачальників послуг збору, коли контейнери досягають попередньо визначеного порогу, і усувають непотрібний доступ і переповнення контейнерів для кінцевих користувачів.
Переваги застосування варіантів використання LoRaWAN
- Наднизьке споживання енергії, Термін служби батареї може навіть досягати десяти років і більше
- У багатьох випадках використання LoRaWAN, дані та/або передача даних непостійні, тому низька пропускна здатність робить його ідеальним для практичного розгортання IoT
- Підключення мають низьку вартість, легко налаштувати та швидко розгорнути завдяки своїй простій структурі
- Рівень шифрування AES дозволяє людям безпечно використовувати LoRaWAN, не турбуючись про ризики безпеці мережі
- Відкритий технологічний альянс, відкритий і безкоштовний стандарт
- Віддалений зв’язок і діапазон покриття LoRaWAN є однією з великих відмінностей між ними та іншими технологіями.
- Шлюз LoRa може з’єднати тисячі кінцевих точок, через його високу місткість
Які варіанти використання LoRaWAN пропонує MOKOSmart
MOKOSmart фокусується на забезпеченні Рішення LoRaWAN з більш ніж десятирічним досвідом. Наші приклади використання LoRaWAN в основному включають наступне. Звичайно, є більше рішень, ви можете зв'язатися з нами для отримання додаткової інформації.
- Розташування Bluetooth
- Рішення для відстеження активів
- Рішення GPS для приміщень
- Носимий Інтернет речей для всіх галузей
- IoT Smart Meter
- Рішення холодної ланцюга
