چگونه LoRaWAN به ساخت اینترنت اشیا مدرن کمک می کند

LoRaWAN فناوری است که به سرعت در حال محبوبیت در زمینه راه حل های اینترنت اشیا است. در همان زمان، برای بسیاری از مشتریان، آن را کمی مطالعه و عجیب و غریب باقی می ماند، به همین دلیل است که بسیاری از افسانه ها و تصورات غلط در اطراف آن وجود دارد. در سال 2018، روسیه اصلاحاتی را در قانون استفاده از فرکانس‌های LoRaWAN تصویب کرد که امکان استفاده از این فناوری را بدون مجوز گسترش می‌دهد. ما معتقدیم که اکنون بهترین زمان برای شروع استفاده از این فناوری برای حل مشکلات واقعی تجاری است.

در این مقاله به اصول اولیه LoRaWAN، گزینه هایی برای ایجاد شبکه خود و استفاده از ارائه دهندگان شخص ثالث نگاه می کنیم و همچنین در مورد محصولات خود که از LoRaWAN پشتیبانی می کنند صحبت خواهیم کرد.

LoRaWAN چیست

LoRaWAN مجموعه ای از پروتکل ها است که لایه های انتقال داده فیزیکی و شبکه ای را برای دستگاه های کم مصرف و کم مصرف که در فواصل طولانی کار می کنند تعریف می کند. مخفف LoRa به معنی Long Range یعنی فواصل طولانی انتقال داده و WAN (Wide Area Network) به این معنی است که پروتکل لایه شبکه را نیز توصیف می کند.

برخلاف استانداردهای معروف ارتباط بی سیم GSM/3G/LTE/WiFi، LoRaWAN در اصل برای سرویس دهی همزمان تعداد زیادی از دستگاه های کم مصرف طراحی شده بود. بنابراین، تاکید اصلی بر مصونیت در برابر تداخل، بهره وری انرژی و برد است. در عین حال، حداکثر سرعت انتقال داده تنها به چند کیلوبیت در ثانیه محدود می شود.

مانند یک شبکه تلفن همراه، LoRaWAN دارای دستگاه های مشترک و ایستگاه های پایه است. محدوده ارتباطی بین دستگاه مشترک و ایستگاه پایه می تواند به 10 کیلومتر برسد. در این حالت، دستگاه‌های مشترک معمولاً توسط باتری به‌صورت خودکار تغذیه می‌شوند و بیشتر اوقات در حالت صرفه‌جویی در مصرف انرژی هستند و گهگاه برای تبادل اطلاعات کوتاه‌مدت با سرور از خواب بیدار می‌شوند. به عنوان مثال، کنتورهای آب می توانند هر چند روز یک بار بیدار شوند و مقدار فعلی حجم آب مصرفی را به سرور منتقل کنند و بقیه زمان ها در حالت خواب باقی بمانند. این رویکرد امکان دستیابی به دستگاه هایی را فراهم می کند که تا چندین سال بدون نیاز به تعویض باتری کار کنند. وظیفه دستگاه‌های LoRaWAN انتقال/دریافت داده‌های لازم از ایستگاه پایه در سریع‌ترین زمان ممکن و آزاد کردن امواج رادیویی برای دستگاه‌های دیگر است، بنابراین شبکه قوانین سخت‌گیرانه‌ای برای زمان اشغال شده روی آنتن دارد. دستگاه ها تنها پس از دریافت تاییدیه از ایستگاه پایه، داده ها را منتقل می کنند، این به شما امکان می دهد بار امواج رادیویی را در سمت سرور کنترل کنید و جلسات تبادل داده را به طور مساوی در طول زمان توزیع کنید.

استاندارد LoRa لایه فیزیکی، مدولاسیون سیگنال را در محدوده فرکانس 433 مگاهرتز، 868 مگاهرتز در اروپا، 915 مگاهرتز استرالیا/آمریکا و 923 مگاهرتز آسیا توصیف می کند. در روسیه، LoRaWAN از باند 868 مگاهرتز استفاده می کند.

نحوه عملکرد LoRaWAN

از آنجایی که LoRaWAN در محدوده بدون مجوز کار می کند، استقرار شبکه خود را با ایستگاه های پایه بسیار ساده می کند، در این صورت نیازی به وابستگی به اپراتورهای مخابراتی نیست. علاوه بر راه اندازی شبکه خود، می توانید از شبکه های اپراتورهای موجود استفاده کنید. ارائه دهندگان LoRaWAN در حال حاضر در سراسر جهان وجود دارند و اخیراً در روسیه ظاهر شده اند، به عنوان مثال اپراتور Er-Telecom قبلاً اتصال را ارائه می دهد به شبکه LoRaWAN شما در بسیاری از شهرها.

در روسیه، LoRaWAN معمولاً در محدوده 866-869 مگاهرتز کار می کند، حداکثر عرض کانال اشغال شده توسط یک دستگاه مشترک 125 کیلوهرتز است. این همان چیزی است که تبادل داده از طریق پروتکل LoRaWAN در یک طیف نگاری ثبت شده توسط کاربر habra Ruslan به نظر می رسد. ElectricFromUfa نادرشین با کمک SDR.

در روسیه، از سال 2018، اصلاحاتی در قوانین به تصویب رسیده است که به طور قابل توجهی محدودیت های استفاده از فرکانس های 868 مگاهرتز را کاهش می دهد. می توانید با جزئیات در مورد هنجارهای قانونی جدید تنظیم کننده فرکانس های LoRaWAN در روسیه بخوانید. در این مقاله.

ایستگاه پایه — در اصطلاح استانداردهای LoRaWAN را gateway یا hub می گویند. از نظر هدف، این دستگاه شبیه به ایستگاه‌های پایه شبکه‌های تلفن همراه متعارف است: دستگاه‌های پایانی به آن متصل می‌شوند و دستورالعمل‌های آن را برای انتخاب کانال‌ها، توان و شکاف‌های زمانی برای انتقال داده دنبال می‌کنند. ایستگاه های پایه به یک سرور نرم افزاری متمرکز متصل هستند که به وضعیت کل شبکه به عنوان یک کل دسترسی دارد، با برنامه ریزی فرکانس و غیره سروکار دارد.
به طور معمول، ایستگاه های پایه LoRaWAN به برق ثابت متصل هستند و دسترسی پایدار به اینترنت دارند. Advantech چندین مدل از ایستگاه های پایه سری LoRaWAN را ارائه می دهد WISE-6610 با ظرفیت 100 و 500 دستگاه مشترک و قابلیت اتصال به اینترنت از طریق اترنت و LTE.

دستگاه مشترک - یک دستگاه مشتری کم مصرف، که معمولاً خود تغذیه می کند. بیشتر اوقات در حالت ذخیره انرژی در خواب است. برای انتقال/دریافت داده با سرور برنامه راه دور تعامل دارد. کلیدهای رمزگذاری را برای احراز هویت در ایستگاه پایه و سرور برنامه ذخیره می کند. ممکن است در محدوده پوشش چندین ایستگاه پایه باشد. به شدت به قوانین کار بر روی هوای دریافتی از ایستگاه پایه پایبند است. دستگاه ها ADVANTECH WISE-4610 ترمینال های ورودی/خروجی مدولار، با رابط های ورودی/خروجی آنالوگ و دیجیتال و رابط های سریال RS-485/232 هستند.

مشتری می تواند ایستگاه های پایه LoRaWAN خود را مستقر کند یا از شبکه های موجود اپراتورهای شخص ثالث استفاده کند

شبکه عمومی LoRaWAN

در این معماری، دستگاه ها به شبکه عمومی اپراتور شخص ثالث متصل می شوند. مشتری فقط باید دستگاه های مشترک را خریداری کند و با ارائه دهنده قرارداد منعقد کند و کلیدهای دسترسی به شبکه را دریافت کند. در عین حال، مشتری کاملاً به پوشش اپراتور وابسته است.
به خاطر داشته باشید که یک شبکه عمومی LoRaWAN ممکن است محدودیت های سختی در زمان پخش دستگاه داشته باشد، بنابراین برای برنامه هایی که نیاز به تبادل داده های مکرر دارند، چنین شبکه هایی ممکن است مناسب نباشند.
قبل از ارسال داده ها، دستگاه اجازه ارسال را درخواست می کند و تنها در صورتی که ایستگاه پایه با تایید پاسخ دهد، مبادله انجام می شود.

هنگام استفاده از یک شبکه LoRaWAN شخص ثالث، مشتری از زیرساخت ایستگاه پایه شخص دیگری استفاده می کند و به پوشش ارائه دهنده و محدودیت های انتقال داده آن بستگی دارد.

این رویکرد، برای مثال، هنگام تعویض دستگاه های مشترک در مناطق شهری که زیرساخت های لازم از قبل وجود دارد، راحت است. به عنوان مثال، برای نصب سنسور در ساختمان های مسکونی و با مقدار کمی داده های ارسالی، برای جمع آوری داده ها از کنتور برق یا مصرف آب. چنین دستگاه هایی می توانند هر چند روز یک بار داده ها را انتقال دهند.

شبکه خصوصی LoRaWAN

هنگام استقرار یک شبکه خصوصی، مشتری به طور مستقل ایستگاه های پایه را نصب می کند و پوشش را برنامه ریزی می کند. این رویکرد زمانی مناسب است که به کنترل کامل بر روی شبکه نیاز دارید یا در سایت هایی که پوشش اپراتور وجود ندارد.

در یک شبکه خصوصی، مشتری کنترل کاملی بر زیرساخت دارد

در این معماری، مشتری یک بار در تجهیزات استقرار ایستگاه های پایه سرمایه گذاری می کند و دیگر به خدمات و اپراتورهای شخص ثالث وابسته نیست. این گزینه برای ایجاد شبکه در سایت های کشاورزی دورافتاده، تاسیسات تولید و غیره مناسب است. داشتن شبکه اختصاصی شما مقیاس زیرساخت موجود، افزایش پوشش، تعداد دستگاه های مشترک و حجم داده های ارسالی را آسان تر می کند.

پایانه های ورودی/خروجی مشترک WISE-4610

характеристики Технические

• نسخه برای تمام باندهای فرکانسی جهانی LoRaWAN
• محدوده ارتباط با پایه تا 5 کیلومتر
• ماژول های توسعه برای اتصال دستگاه های جانبی
• ساخته شده در باتری 4000 میلی آمپری
• ماژول GPS (Galileo/BeiDou/GLONASS)
• حفاظت IP65
• برنامه نویسی USB

دستگاه های سری WISE-4610 پایانه های مدولار برای اتصال دستگاه های جانبی مختلف به شبکه LoRaWAN هستند. با کمک آنها می توانید داده ها را از هر سنسور دیجیتال و آنالوگ مانند دماسنج، رطوبت سنج، فشارسنج، شتاب سنج و غیره جمع آوری کنید و سایر دستگاه ها را از طریق رابط های RS-232/485 کنترل کنید. دارای یک باتری داخلی 4000 میلی آمپری است که می تواند تا شش ماه به طور مستقل کار کند. برای شارژ باتری با پنل های خورشیدی ادغام می شود. گیرنده GPS داخلی به شما امکان می دهد مکان دستگاه را دقیقاً تعیین کنید که حسابداری و نصب را ساده می کند: دستگاه ها را می توان بدون ورود به پایگاه داده نصب کرد و پس از نصب به طور خودکار بر اساس مختصات دریافتی به شی متصل می شوند.

برنامه نویسی و پیکربندی از طریق یک رابط USB معمولی انجام می شود و نیازی به کنترلر و برنامه نویس اضافی ندارد، بنابراین می توان آن را در محل با استفاده از لپ تاپ انجام داد.

ماژول های رابط

مجموعه ای از رابط ها برای اتصال دستگاه های خارجی به WISE-4610، با استفاده از ماژول های رابط که از پایین به هم متصل شده اند پیاده سازی می شود. به یک ترمینال WISE-4610 یک ماژول رابط را می توان متصل کرد. بسته به وظایف مشتری، اینها می توانند ورودی/خروجی های دیجیتال یا آنالوگ یا رابط های سریال باشند. کنتاکت های رابط توسط یک کانکتور مهر و موم شده با اتصال رشته ای M12 محافظت می شوند.

• WISE-S614-A - 4 ورودی آنالوگ و 4 ورودی دیجیتال
• WISE-S615-A - 6 کانال برای دماسنج RTD (ردیاب دمای مقاومتی)
• WISE-S617-A - 6 ورودی دیجیتال، 2 رابط سریال RS-232/485

حسگر سری Wzzard LRPv2

سنسورهای سری BB Wzzard LRPv2 اینها دستگاه های مشترک LoRaWAN هستند که برای جمع آوری داده ها در محیط های سخت طراحی شده و برای نصب سریع طراحی شده اند. آنها یک پایه مغناطیسی دارند و می توانند به طور ایمن به سطوح فلزی و بدون اتصال دهنده های اضافی متصل شوند، که به شما امکان می دهد شبکه ای از بسیاری از دستگاه ها را به سرعت مستقر کنید. کانکتور رابط مهر و موم شده، واقع در کنار، برای اتصال دستگاه های جانبی خارجی و سنسورها طراحی شده است.

характеристики Технические

• عملکرد در تمامی محدوده های فرکانس LoRaWAN 868/915/923MHz
• نصب مغناطیسی روی سطح فلزی
• رابط RS485 (Modbus)، 4 ورودی آنالوگ، 2 خروجی دیجیتال، 1 خروجی دیجیتال
• اتصال مهر و موم شده کابل رابط
• با 2 باتری لیتیوم AA، پنل های خورشیدی یا منبع تغذیه 9 تا 36 ولت تغذیه می شود
• کلاس حفاظت IP66
• عملکرد در دمای -40 تا 75 درجه سانتیگراد

ایستگاه های پایه LoRaWAN WISE-6610

Advantech طیف کاملی از دستگاه ها را برای استقرار یک شبکه خصوصی LoRaWAN ارائه می دهد. سری دروازه ها WISE-6610 برای اتصال دستگاه های مشترک استفاده می شود، مانند WISE-4610 и Wzzard LRPv2، و انتقال داده ها به سرور برنامه. این خط شامل مدل هایی است که از اتصال همزمان 100 و 500 دستگاه مشترک پشتیبانی می کند. این دروازه از طریق اترنت به اینترنت متصل می شود؛ نسخه هایی با مودم 4G داخلی نیز موجود است. از پروتکل های MQTT و Modbus برای انتقال داده ها به سرور برنامه پشتیبانی می کند.

характеристики Технические

• پشتیبانی از تمام باندهای LoRaWAN
• سرویس دهی همزمان 100 یا 500 دستگاه مشترک
• اتصال اترنت
• اختیاری: مودم LTE داخلی
• سرور/کلینت VPN داخلی

نتیجه

فناوری LoRaWAN به طور شایسته توجه بسیاری را در بین راه حل های صنعتی به خود جلب می کند و امروزه می تواند به طور موثر بسیاری از مشکلات تجاری را حل کند. اما برای اکثر مشتریان، LoRaWAN همچنان یک فناوری ناشناخته و غیرقابل درک است. ما بر این باوریم که در آینده نزدیک به اندازه شبکه های سلولی کلاسیک گسترده خواهد شد که به مشتریان ما امکان می دهد راه حل های اینترنت اشیاء مستقل را آسان تر پیاده سازی کنند.

منبع: www.habr.com