كيف يساعد LoRaWAN في بناء إنترنت عصري للأشياء

LoRaWAN هي تقنية تكتسب شعبية بسرعة في مجال حلول إنترنت الأشياء. في الوقت نفسه ، بالنسبة للعديد من العملاء ، يظل هذا المفهوم ضعيفًا وغير مألوف ، حيث توجد العديد من الأساطير والمفاهيم الخاطئة حوله. في عام 2018 ، تم اعتماد التعديلات على التشريعات المتعلقة باستخدام ترددات LoRaWAN في روسيا ، مما يوسع من إمكانيات استخدام هذه التكنولوجيا دون ترخيص. نحن نعتقد أن الآن هو أفضل وقت للبدء في استخدام هذه التكنولوجيا في حل مشاكل العمل الحقيقية.

في هذه المقالة ، سننظر في المبادئ الأساسية لـ LoRaWAN ، وخيارات إنشاء شبكتك الخاصة واستخدام مزودي الطرف الثالث ، ونتحدث أيضًا عن منتجاتنا التي تدعم LoRaWAN.

ما هو لوراوان

LoRaWAN هي عبارة عن مجموعة من البروتوكولات التي تحدد طبقات نقل البيانات المادية وشبكة للأجهزة منخفضة الطاقة ، وأجهزة منخفضة الطاقة ، تعمل على مسافات طويلة. يشير الاختصار LoRa إلى Long Range ، أي مسافات نقل البيانات الكبيرة ، وتعني شبكة WAN (الشبكة الواسعة) أن البروتوكول يصف أيضًا طبقة الشبكة.

على عكس المعايير اللاسلكية المعروفة GSM / 3G / LTE / WiFi ، تم تصميم LoRaWAN في الأصل لخدمة عدد كبير من أجهزة المشتركين منخفضة الطاقة في وقت واحد. لذلك ، ينصب التركيز الرئيسي على مناعة التدخل وكفاءة الطاقة والمدى. في الوقت نفسه ، تقتصر معدلات نقل البيانات القصوى على بضعة كيلوبت في الثانية فقط.

مثل الشبكة الخلوية ، لدى LoRaWAN أجهزة مشترك ومحطات أساسية. يمكن أن يصل مدى اتصال وحدة المشتركين مع المحطة الأساسية إلى مسافة 10 كم. في الوقت نفسه ، عادة ما يكون لدى أجهزة المشترك طاقة البطارية المستقلة ومعظم الوقت في وضع توفير الطاقة ، والاستيقاظ من حين لآخر لتبادل البيانات على المدى القصير مع الخادم. لذلك ، على سبيل المثال ، يمكن أن تستيقظ عدادات المياه كل بضعة أيام وتنقل القيمة الحالية لحجم المياه المستهلكة إلى الخادم ، وبقية الوقت الذي تكون فيه في وضع السكون. يتيح لك هذا النهج الحصول على أجهزة تعمل حتى عدة سنوات دون الحاجة إلى استبدال البطاريات. تتمثل مهمة أجهزة LoRaWAN في نقل / استقبال البيانات الضرورية في أسرع وقت ممكن من المحطة الأساسية وإخلاء الهواء للأجهزة الأخرى ، وبالتالي ، هناك قواعد صارمة على الشبكة للوقت المستغرق على الهواء. تقوم الأجهزة بنقل البيانات فقط بعد تلقي التأكيد من المحطة الأساسية ، مما يتيح لك التحكم في الحمل على الهواء من الخادم وتوزيع جلسات تبادل البيانات بالتساوي في الوقت المناسب.

يصف معيار LoRa الطبقة المادية وتشكيل الإشارة في نطاقات التردد MHz 433 و MHz 868 في أوروبا و MHz 915 في أستراليا وأمريكا و MHz 923 في آسيا. في روسيا ، يتم استخدام النطاق Lo685 MHz من أجل LoRaWAN.

كيف يعمل لوراوان

نظرًا لأن LoRaWAN تعمل في النطاق غير المرخص ، فإن هذا يبسط إلى حد كبير نشر شبكتها الخاصة مع المحطات الأساسية ، وفي هذه الحالة لا تحتاج إلى الاعتماد على مشغلي الاتصالات. بالإضافة إلى نشر شبكتك الخاصة ، يمكنك استخدام شبكات المشغلين الحاليين. يوجد بالفعل مزودي LoRaWAN في جميع أنحاء العالم وقد بدأوا في الظهور مؤخرًا في روسيا ، على سبيل المثال ، يقدم المشغل Er-Telecom بالفعل اتصالاً بشبكة LoRaWAN الخاصة به في العديد من المدن.

في روسيا ، تعمل LoRaWAN عادة في المدى من 866 إلى 869 ميجاهرتز ، ويبلغ الحد الأقصى لعرض القناة التي تشغلها وحدة مشترك واحدة kHz 125. هذه هي الطريقة التي يبدو من خلالها تبادل البيانات باستخدام بروتوكول LoRaWAN على الطيفية التي سجلها المستخدم محور Ruslan ElectricFromUfa Nadyrshin بمساعدة SDR.



منذ عام 2018 ، اعتمدت روسيا تعديلات على القوانين التي تقلل بشكل كبير من القيود المفروضة على استخدام ترددات 868 ميغاهيرتز. يمكن الاطلاع على تفاصيل حول اللوائح التشريعية الجديدة التي تحكم ترددات LoRaWAN في روسيا في هذه المقالة .

المحطة الأساسية - في مصطلحات معايير LoRaWAN ، تُسمى البوابة أو المحور. حسب الغرض ، يشبه هذا الجهاز المحطات الأساسية للشبكات الخلوية المتنقلة التقليدية: يتم توصيل الأجهزة الطرفية به واتبع الإرشادات الخاصة به لتحديد القنوات والطاقة وفواصل زمنية لنقل البيانات. تتصل المحطات الأساسية بخادم برنامج مركزي يمكنه الوصول إلى حالة الشبكة بالكامل ككل ، ويشارك في تخطيط الترددات ، إلخ.
عادةً ما تكون محطات LoRaWAN الأساسية متصلة بالطاقة الثابتة وتتمتع بإمكانية وصول مستقرة إلى الإنترنت. تقدم Advantech عدة نماذج من محطات LoRaWAN الأساسية لسلسلة WISE-6610 بسعة 100 و 500 وحدة مشترك ، والقدرة على الاتصال بالإنترنت عبر Ethernet و LTE.

جهاز المشترك - جهاز عميل منخفض الطاقة ، وعادة ما يكون مزودًا بالطاقة المستقلة. معظم الوقت في وضع السكون ، وضع توفير الطاقة. يتفاعل مع خادم تطبيق عن بعد لنقل / استقبال البيانات. يخزن مفاتيح التشفير للمصادقة على المحطة الأساسية وخادم التطبيقات. قد يكون في نطاق العديد من المحطات الأساسية. يتوافق بدقة مع قواعد العمل على الهواء المستلم من المحطة الأساسية. أجهزة Advantech WISE-4610 هي وحدات إدخال / إخراج معيارية ، مع واجهات I / O تناظرية ورقمية مختلفة و RS-485/232.


^{يمكن للعميل نشر محطات LoRaWAN الأساسية أو استخدام الشبكات الحالية لمشغلي الطرف الثالث}

شبكة لواروان العامة

في هذه البنية ، يتم توصيل الأجهزة بالشبكة العامة لمشغل طرف ثالث. يحتاج العميل إلى شراء أجهزة المشترك فقط وإبرام اتفاقية مع المزود ، والحصول على مفاتيح الوصول إلى الشبكة. علاوة على ذلك ، يعتمد العميل تمامًا على تغطية المشغل.
يجب أن يؤخذ في الاعتبار أنه في شبكة LoRaWAN العامة ، قد تكون هناك قيود صارمة على وقت البث الذي يمكن أن يشغله الجهاز ، وبالتالي بالنسبة للتطبيقات التي تحتاج إلى تبادل بيانات أكثر تكرارًا ، فقد لا تكون هذه الشبكات مناسبة.
قبل إرسال البيانات ، يطلب الجهاز إذنًا بالإرسال ، وفقط إذا كانت المحطة الأساسية ترد بتأكيد ، فسيحدث التبادل.


^{عند استخدام شبكة LoRaWAN لجهة خارجية ، يستخدم العميل البنية التحتية للمحطة الأساسية الخاصة بشخص آخر ويعتمد على تغطية المزود وقيود نقل البيانات الخاصة به}

هذا النهج مناسب ، على سبيل المثال ، عند استبدال أجهزة المشتركين في المناطق الحضرية ، حيث توجد البنية التحتية اللازمة بالفعل. على سبيل المثال ، لتثبيت أجهزة الاستشعار في المباني السكنية مع كمية صغيرة من البيانات المرسلة ، لجمع البيانات من الكهرباء أو عدادات المياه. يمكن لهذه الأجهزة نقل البيانات مرة واحدة كل بضعة أيام.

شبكة خاصة LoRaWAN

عند نشر شبكة خاصة ، يقوم العميل بتثبيت المحطات الأساسية وتخطيط التغطية بشكل مستقل. هذا النهج مناسب عندما تحتاج إلى تحكم كامل في الشبكة ، أو في المواقع التي لا توجد فيها تغطية للمشغل.


^{في شبكة خاصة ، يتحكم العميل بالكامل في البنية التحتية}

في هذا الهيكل ، يستثمر العميل مرة واحدة في المعدات اللازمة لنشر المحطات الأساسية ومن ثم لا يعتمد على الخدمات ومشغلي الطرف الثالث. هذا الخيار مناسب لبناء شبكة في المنشآت الزراعية البعيدة والإنتاج وما إلى ذلك. تسهّل الشبكة الخاصة توسيع نطاق البنية التحتية الحالية وزيادة التغطية وعدد أجهزة المشتركين وكمية البيانات المنقولة.

محطات إدخال / إخراج المشترك WISE-4610

المواصفات الفنية

• إصدارات لجميع ترددات العالم يتراوح LoRaWAN
• مدى التواصل مع قاعدة تصل إلى 5 كم
• وحدات التوسع لتوصيل الأجهزة الطرفية
• 4000 مللي أمبير بطارية مدمجة
• وحدة GPS (Galileo / BeiDou / GLONASS)
• حماية IP65
• برمجة USB

سلسلة WISE-4610 عبارة عن محطة طرفية لتوصيل مختلف الأجهزة الطرفية بشبكة LoRaWAN. من خلال مساعدتهم ، يمكنك جمع البيانات من أي أجهزة استشعار رقمية وتناظرية ، مثل مقاييس الحرارة ، ومقاييس الرطوبة ، والبارومترات ، ومقاييس التسارع ، وما إلى ذلك ، والتحكم في الأجهزة الأخرى عبر واجهات RS-232/485. يحتوي على بطارية 4000mA مدمجة ، والتي يمكن أن تعمل بشكل مستقل لمدة تصل إلى ستة أشهر. يتكامل مع الألواح الشمسية لشحن البطارية. يتيح لك جهاز الاستقبال GPS المدمج تحديد موقع الجهاز بدقة ، مما يبسط المحاسبة والتثبيت: يمكن تركيب الأجهزة دون إدخال قاعدة البيانات أولاً ، وبعد التثبيت ، يتم ربطها تلقائيًا بالكائن بناءً على الإحداثيات المستلمة.

يتم إجراء البرمجة والتكوين عبر واجهة USB المعتادة ولا يتطلب وحدات تحكم ومبرمجين إضافيين ، بحيث يمكن القيام بذلك في الموقع باستخدام كمبيوتر محمول.

وحدات واجهة

يتم تطبيق مجموعة من الواجهات لتوصيل الأجهزة الخارجية بـ WISE-4610 باستخدام الوحدات النمطية للواجهة التي تتصل من الأسفل. يمكن لطرف WISE-4610 توصيل وحدة واجهة واحدة. حسب مهام العميل ، يمكن أن تكون هذه مدخلات / مخرجات رقمية أو تمثيلية أو واجهات تسلسلية. جهات اتصال الواجهة محمية بواسطة موصل محكم الإغلاق مع اتصال مترابطة M12.

• WISE-S614-A - 4 مدخلات تناظرية و 4 مدخلات رقمية
• WISE-S615-A - 6 قنوات لقياس درجة حرارة نوع RTD (كاشف درجة حرارة المقاومة)
• WISE-S617-A - 6 مدخلات رقمية ، واجهات تسلسلية RS-232/485

Wzzard LRPv2 Series Sensor

مستشعرات سلسلة BB Wzzard LRPv2 عبارة عن وحدات المشتركين في LoRaWAN المصممة لجمع البيانات في ظروف قاسية ومصممة للتثبيت السريع. لديهم قاعدة مغناطيسية ويمكن تثبيتها بشكل آمن على الأسطح المعدنية بدون مثبتات إضافية ، مما يسمح لك بنشر شبكة من الأجهزة المتعددة بسرعة. تم تصميم موصل واجهة مختوم ، على الجانب ، لتوصيل الأجهزة الطرفية الخارجية وأجهزة الاستشعار.



المواصفات الفنية

• العمل في جميع نطاقات تردد LoRaWAN 868/915 / 923MHz
• جبل المغناطيسي على سطح المعدن
• واجهات RS485 (Modbus) ، 4 المدخلات التناظرية ، 2 المخرجات الرقمية ، 1 الإخراج الرقمي
• ضيق اتصال كبل واجهة
• التشغيل من 2 بطاريات الليثيوم AA ، الألواح الشمسية أو 9 ~ 36V امدادات الطاقة
• الطبقة حماية IP66
• العملية في -40 ~ 75 درجة مئوية

المحطات الأساسية LoRaWAN WISE-6610

تقدم Advantech مجموعة كاملة من الأجهزة لنشر شبكة LoRaWAN الخاصة. تُستخدم بوابات سلسلة WISE-6610 لتوصيل أجهزة المشتركين ، مثل WISE-4610 و Wzzard LRPv2 ، ونقل البيانات إلى خادم التطبيق. تحتوي التشكيلة على طرز تدعم في نفس الوقت اتصال 100 و 500 جهاز مشترك. البوابة متصلة بالإنترنت عبر شبكة إيثرنت ؛ كما تتوفر إصدارات مزودة بمودم 4G مدمج. دعم لبروتوكولات MQTT و Modbus لنقل البيانات إلى خادم التطبيق.



المواصفات الفنية

• دعم لجميع نطاقات LoRaWAN
• خدمة في وقت واحد من 100 أو 500 وحدة المشترك
• اتصال إيثرنت
• اختياري: مودم LTE مدمج
• المدمج في خادم VPN / العميل

استنتاج

تجذب تقنية LoRaWAN بجدارة الكثير من الاهتمام في بيئة الحلول الصناعية ، واليوم أصبح من الممكن بالفعل حل العديد من مشكلات العمل بفعالية. ولكن بالنسبة لمعظم العملاء ، لا تزال LoRaWAN تقنية غير معروفة وغير معروفة. نعتقد أنه في المستقبل القريب سيكون واسع الانتشار مثل الشبكات الخلوية الكلاسيكية ، مما سيسهل على عملائنا تنفيذ حلول قائمة بذاتها لإنترنت الأشياء.