ما هو لوراوان? كل ما تحتاج لمعرفته حول LoRaWAN لحلول إنترنت الأشياء

مقدمة

بينما تبحث الصناعات عن حلول اقتصادية ذات وصول ممتد ودعم للأجهزة, لقد أصبح الاتصال الذي يستوفي هذه الشروط ضرورة. وقد أدى هذا الطلب إلى ظهور LPWAN (شبكة واسعة النطاق منخفضة الطاقة) وتقنية LoRaWAN. LoRaWAN هي شبكة واسعة النطاق منخفضة الطاقة (LPWAN) بروتوكول يهدف إلى السماح للأجهزة بالاتصال لاسلكيًا عبر مسافات كبيرة بالإنترنت. خصائصه الرئيسية - التغطية لمسافات طويلة والحد الأدنى من استخدام الطاقة - مناسبة تمامًا لمتطلبات الاتصالات اللاسلكية أجهزة إنترنت الأشياء والتي تعمل بشكل أساسي بالبطارية.

ما هو لوراوان?

LoRaWAN هو نوع من تكنولوجيا الاتصالات اللاسلكية التي تندرج تحت مظلة LPWAN (شبكة واسعة النطاق منخفضة الطاقة). وهذا يعني أنه مصمم لاستخدام الحد الأدنى من الطاقة مع تمكين الإرسال بعيد المدى, مما يجعلها مثالية لتطبيقات إنترنت الأشياء واسعة النطاق. بشكل أساسي, يستخدم LoRaWAN تقنية تعديل LoRa, وهي طريقة محددة لتنفيذ LPWAN.

لورا, في جوهرها, هي تقنية تعديل في الطبقة المادية تستخدم طيف انتشار الغرد (CSS) التكنولوجيا لتشفير المعلومات. وهو يحدد إعدادات الاتصال المختلفة, بما في ذلك عرض النطاق الترددي, تردد الإرسال, معدل الترميز, وعامل الانتشار. بناء على لورا, تحدد تقنية LoRaWAN بروتوكول الاتصال بين أجهزة العقدة النهائية لإنترنت الأشياء والشبكة بوابات, المساعدة على توصيل الأجهزة بالإنترنت بسلاسة.

دروس لوراوان

الفئة أ

تعمل الفئة A كنظام غير متزامن حيث يمكن للعقد النهائية بث الرسائل إلى البوابة كلما كان ذلك ضروريًا ثم الدخول في حالة غير نشطة حتى الإرسال التالي. يستخدم هذا الإعداد بكفاءة الفترات الزمنية في نظام متعدد القنوات

الفئة ب

طريقة لإرسال الرسائل إلى العقد التي تعمل بالبطارية, حيث تنبعث البوابة منارة كل 128 ثواني. تتيح هذه المنارة لجميع محطات LoRaWAN الأساسية مزامنة وقتها باستخدام إشارات الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS)..

الفئة ج

تمكن العقد من الاستماع باستمرار ونقل رسائل الوصلة الهابطة في أي وقت. يتم استخدام هذه الفئة عادة في التطبيقات التي تعمل بالتيار المتردد لأنها تتطلب طاقة كبيرة للحفاظ على العقدة نشطة بالكامل وجهاز الاستقبال يعمل دائمًا.

كيف يعمل لوراوان

يقوم تعديل LoRa بتشفير البيانات إلى إشارات لاسلكية باستخدام تقنية تسمى طيف انتشار الغرد. عن طريق زيادة معدل تعديل التردد الخطي, تنتشر الإشارة عبر نطاقات تردد متعددة, مما يسمح لها بالسفر لمسافات أطول دون تدخل كبير. تستخدم LoRa تعديلًا خاصًا للطيف المنتشر استنادًا إلى تقنية التغريد هذه. على سبيل المثال, تستخدم الأجهزة القريبة من البوابة عامل انتشار أقل لنقل البيانات بسرعة نظرًا لقربها, بينما تستخدم الأجهزة البعيدة عامل انتشار أعلى لتوسيع نطاق الإشارة, على الرغم من أن هذا يبطئ سرعة الإرسال.

أجهزة إنترنت الأشياء (مثل أجهزة الاستشعار) في شبكة LoRaWAN، نقوم بجمع البيانات بشكل دوري أو عند الطلب. تستخدم هذه الأجهزة وحدة LoRa المدمجة وتقنية تعديل LoRa لنقل البيانات المجمعة لاسلكيًا إلى بوابة LoRaWAN القريبة, والذي يقوم بعد ذلك بتحميل البيانات إلى خادم شبكة LoRaWAN. بعد إلغاء البيانات المكررة والتحقق منها, ومعالجة الوظائف مثل التحقق من الوصول إلى شبكة الجهاز ومصادقة الهوية, سيتم إرسال البيانات إلى خادم التطبيق, والذي عادة ما يكون نظامًا مخصصًا للمستخدم, لتسهيل تحليل وتخزين البيانات الواردة, وإجراء المعالجة المقابلة مثل بدء الإنذارات وإنشاء التقارير.

الميزات والفوائد الرئيسية لLoRaWAN

بعيدة المدى و تغطية:

تسمح تقنية تعديل LoRa ضمن LoRaWAN بنطاق نقل يصل إلى عدة كيلومترات, تصل إلى عشرات الكيلومترات. في معظم الحالات, يحقق LoRaWAN حوالي 2-5 يتراوح مدى الكيلومتر في المدينة ولكن في المنطقة الريفية المفتوحة يمكن أن يتجاوز 15 كم.

استهلاك منخفض للطاقة:

يترافق استخدام أنظمة LoRaWAN مع استهلاك منخفض للطاقة, مما يجعل هذه الأنظمة مفضلة للأجهزة منخفضة الطاقة أو التي تعمل بالبطارية. وهذا يعني أن هذه الأجهزة لا تحتاج إلى بطاريات بديلة بعد كل بضعة أشهر لسنوات, وهي ميزة مهمة لأجهزة استشعار المراقبة عن بعد وأجهزة تعقب الأصول الموجودة في المناطق التي يصعب الوصول إليها.

قابلية التوسع:

بوابة LoRaWAN واحدة قادرة على التعامل مع آلاف الأجهزة في وقت واحد, وبالتالي دعم اتصالات واسعة. باستخدام معدل البيانات التكيفي (ADR) وظيفة, تهدف شبكة LoRaWAN المعروفة أيضًا باسم إدارة موارد الشبكة واسعة النطاق منخفضة الطاقة إلى التواصل بين الأجهزة بطريقة أكثر كفاءة.

أجهزة فعالة من حيث التكلفة:

يعد بدء تشغيل شبكة LoRaWAN منخفض التكلفة لأنه لا يتطلب العديد من المرافق. البنية التحتية مفتوحة المصدر وموارد البرمجيات تجعل اعتمادها أكثر اقتصادية.

الاتصال العالمي:

LoRaWAN مفتوح لكل مستخدم كما ذكر تحالف LoRaWAN. قد تعمل الأجهزة والشبكات في انسجام دون الحاجة إلى مزود مشترك, وبالتالي تقديم تكامل أفضل بين العلامات التجارية والصناعة, والمزيد من الإمكانيات في تطبيقها.

حالات الاستخدام الشائعة لـ LoRaWAN

1. مدينة ذكية

يمكن أن تساعد تقنية LoRaWAN في توصيل أجهزة إنترنت الأشياء المختلفة, أجهزة الاستشعار, العدادات الذكية والأجهزة الأخرى الموجودة في المدن الذكية من خلال توفير شبكة واسعة النطاق. يمكن دمج أجهزة وشبكات إنترنت الأشياء في البنية التحتية الحالية للمدن بطريقة تسهل أتمتة العمليات والإشراف والتحكم في الأنظمة مما يؤدي بدوره إلى خفض تكاليف التشغيل. فيما يلي بعض الأفكار التي يمكن تنفيذها في المدن الذكية:

• إنارة الشوارع الذكية: يتحكم, إدارة ومراقبة أضواء شوارع المدينة من شبكة LoRaWAN واسعة مع القدرة على تنظيم السطوع بناءً على تدفق حركة المرور والإضاءة الخارجية لخفض تكاليف الطاقة.
• إدارة مواقف السيارات: تقوم أجهزة استشعار LoRaWAN بتتبع إشغال أماكن وقوف السيارات وإبلاغ السائقين بتوفر أماكن وقوف السيارات, وبالتالي تخفيف مشاكل وقوف السيارات وتدفق حركة المرور.
• مراقبة جودة الهواء: توظيف أجهزة استشعار LoRaWAN لرصد تركيز الملوثات المختلفة في الجو في جميع أنحاء المدينة بهدف السيطرة على التلوث.

2. الزراعة الذكية وأدواتها الحديثة

تعمل العمليات الزراعية على تكييف استخدام إنترنت الأشياء وتطبيقات LoRaWAN الخارجية في مجالات محددة للزراعة الذكية. باستخدام شبكة LoRaWAN, أجهزة الاستشعار التي تتصل في الوقت الحقيقي بجميع البيانات المتعلقة بالمحاصيل, تربية الحيوانات, معدات, البيئة المادية الخ, تمكين المزارع من إجراء التغييرات المناسبة في مستويات الإنتاج وبالتالي تحسين جودة الإنتاج.

3. إنترنت الأشياء الصناعية

تم أيضًا دمج تقنية LoRaWAN بشكل فعال في إعدادات التشغيل الصناعية. المراقبة الآلية, حماية, وتسمح إدارة الأصول باستجابات أسرع من المشغلين. مجال الخدمات اللوجستية والتخزين الذكي على سبيل المثال, أصبحت شبكات LoRaWAN أفضل من ذي قبل في توفير تغطية أوسع واتصالات أقل تداخلاً.

4. المرافق والقياس الذكي

العدادات الذكية (للكهرباء, ماء, إلخ.) تمكين المراقبة عن بعد وفي الوقت الحقيقي, تقليل الأخطاء وتحسين الكفاءة.

5. الرعاية الصحية والأجهزة القابلة للارتداء

تم تصميم أجهزة الرعاية الصحية القابلة للارتداء المستندة إلى LoRaWAN لمراقبة المرضى في المستشفيات بشكل مستمر وموثوق, المقيمين في رعاية المسنين, أو أي شخص يحتاج إلى مراقبة العلامات الحيوية في الوقت الحقيقي.

هندسة شبكة لوراوان

1. شبكات LoRaWAN العامة والخاصة

شبكة LoRaWAN العامة هي شبكة LoRaWAN مملوكة لطرف ثالث, في الغالب مشغل اتصالات أو مزود خدمة الشبكة, والتي تفرض رسومًا على المستخدمين الذين يقومون بتوصيل الأجهزة بالشبكة. شبكة LoRaWAN الخاصة هي شبكة يقوم فرد أو مؤسسة بإنشائها وتشغيلها بشكل أساسي, تسيطر عليها, وغالبًا ما تكون محدودة جغرافيًا في المنطقة. غالبًا ما يتمتع هذا النوع من الاتصال بأحكام أفضل لحماية البيانات والخصوصية.

2. نماذج هجينة

يمكن دمج مبادئ LoRaWAN الخاصة والعامة معًا بحيث يتم تلبية احتياجات المستخدم من الراحة في شبكة خاصة وتغطية من خلال شبكة عامة ولكن بشكل أكثر أمانًا. يمكن للمستخدمين اختيار إما الشبكة العامة أو الشبكة الخاصة وحتى كلاهما في نفس الوقت حسب الموقف.

3. نشر الشبكة

تقييم تغطية المنطقة, معدل البيانات الذي يمكن تحقيقه والطاقة الكهربائية التي تنفقها شبكات LoRaWAN, ضمن النطاق الذي تحدده متطلبات المشروع. بعد تحديد عدد البوابات اللازمة داخل منطقة التغطية ومواقع النشر, بناء طوبولوجيا الشبكة (عادة طوبولوجيا نجمة النجوم). اختر وقم بتركيب نقاط وصول LoRaWAN المناسبة والأجهزة الأخرى. بعد الانتهاء من نشر الأجهزة, ضبط معلمات البوابات, تكوين خادم الشبكة, والبدء في الاختبار والتحقق. بمجرد الانتهاء من نشر المشروع, إجراء مراقبة وصيانة المعدات على أساس منتظم.

ميزات الأمان لوراوان

التشفير من النهاية إلى النهاية

يحمي التشفير الشامل عملية النقل بالكامل من الجهاز إلى خادم التطبيقات. عادة ما تحتوي على طبقتين من آلية التشفير, تشفير طبقة الشبكة وتشفير طبقة التطبيق في LoRaWAN. تنتج تقنيات التشفير المذكورة أعلاه مفتاحين مختلفين NwkSKey وAppSKey. وهذا يعني أنه سيتم تشفير جميع المعلومات أثناء نقلها من لحظة إرسال الجهاز للبيانات حتى وصول البيانات إلى خادم التطبيقات. لذلك, حتى لو استقبلت البوابة أو موفر خدمة الشبكة الوسيطة حزمة البيانات, ولن يتمكنوا من رؤية البيانات أو تغييرها.

مصادقة الجهاز

تستفيد LoRaWAN من آلية مصادقة صارمة للغاية للجهاز حتى لا تسمح لأي أجهزة غير مصرح بها بالدخول إلى الشبكة. الانضمام إلى شبكة LoRaWAN له طريقتان رئيسيتان.

أوتا (التنشيط عبر الهواء)

هذا الخيار هو الأكثر أمانًا من جميع الهجمات. حينما, يتصل الجهاز بشبكة LoRaWAN, زوج مفاتيح جديد (مفتاح جلسة الشبكة NwkSKey ومفتاح جلسة التطبيق AppSKey) تمت صياغته. يتم إنشاء هذه المفاتيح بناءً على DevEUI الخاص بالجهاز وAppKey. باستخدام أوتا, في كل مرة يتصل فيها الجهاز بالشبكة, يتم التحقق من هوية الجهاز, وبهذه الطريقة, تم التأكيد على عدم السماح بوجود أي جهاز مارق على الشبكة.

برنامج الجسر الأكاديمي (التنشيط عن طريق التخصيص)

في هذه التقنية, مفاتيح الجهاز جاهزة قبل نشر الجهاز. لا يتطلب برنامج ABP إنشاء المفاتيح من جديد ولكنه ثابت وغير قادر على تغيير قيود الأمان المقدمة مما يجعله أقل شأناً من OTAA.

لا يهم إذا كان OTAA أو ABP, تمنع آليات مصادقة الجهاز في LoRaWAN أي اتصال غير مرغوب فيه داخل الشبكة من الأجهزة غير المصادق عليها.

إدارة المفاتيح

يتم استخدام التشفير في جميع التفاعلات بين الأجهزة والخوادم ويتم تنفيذ عمليات التشفير هذه باستخدام مفاتيح مختلفة. هناك في المقام الأول ثلاث ميزات إدارية رئيسية تستخدمها شبكة LoRaWAN.

• يتم استخدام AppKey في إنشاء مفاتيح الجلسة في عملية OTAA. عندما ينضم جهاز المستخدم لأول مرة إلى الشبكة, يساعد هذا المفتاح في إنشاء مفتاح جلسة الشبكة ومفتاح جلسة التطبيق.
• NwkSKey هو المفتاح الذي يساعد على تشفير بيانات الاتصال بين الأجهزة وخوادم الشبكة.
• AppSKey هو المفتاح الذي يقوم بتشفير بيانات التطبيق بين الأجهزة وخوادم التطبيقات.

تجدر الإشارة إلى أن الإدارة الرئيسية في LoRaWAN يجب أن تحقق المتطلبات التالية:

• التفرد: يحتوي كل جهاز على مفتاح خاص به وهو ليس هو نفسه مع الأجهزة الأخرى، وبالتالي لن يتم التدخل في اتصال الجهاز بواسطة أجهزة أخرى.
• التحديث الرئيسي: تساعد آلية OTAA الأجهزة على إنشاء مفاتيح جديدة كلما انضمت إلى شبكة جديدة وهذا يقلل من المخاطر التي يشكلها استخدام المفاتيح الثابتة لفترات طويلة.
• أمن تخزين المفاتيح: الأجهزة, يجب على البوابات والخوادم حماية هذه المفاتيح بشكل فعال لأن المهاجم قد يرغب في الحصول على هذه المفاتيح لفك تشفير المعلومات التي يتم إرسالها.

لوراوان ضد. بروتوكولات إنترنت الأشياء الأخرى

لوراوان ضد. إنترنت الأشياء (NB-IoT).

تغطية: تقدم LoRaWAN نطاق اتصالات ممتدًا, وبالتالي يكون أكثر فائدة في المناطق الريفية أو النائية حيث يمكن أن يصل النطاق إلى 15 كيلومترات. في المقابل, يتمتع NB-IoT بنطاق تغطية محدود يبلغ حوالي 10 كيلومترات ولكنها أكثر فعالية في المدن والبيئات التي تحتوي على العديد من الهياكل.

استهلاك الطاقة: استهلاك الطاقة في LoRaWAN منخفض جدًا وبالتالي يمكن أن تدوم بطاريات الأجهزة لعدد من السنوات وهو مثالي لوضع هذه الأجهزة لفترات طويلة. وتتميز تقنية NB-IoT أيضًا بكفاءة كبيرة في استخدام الطاقة، إلا أن عمر بطاريتها أقصر نظرًا لكمية البيانات التي يتم نقلها.

سيناريوهات التطبيق: بسبب المدى الطويل ونقل البيانات المنخفض, يناسب LoRaWAN بشكل جيد حالات استخدام التطبيقات مثل الزراعة الذكية, المراقبة البيئية وغيرها الكثير. من ناحية أخرى، يعد NB IoT أكثر قابلية للتطبيق في الحالات التي يكون فيها حجم البيانات مكثفًا ويكون اختراق الإشارة عميقًا مثل العدادات الذكية وحلول المدن الذكية.

لوراوان ضد. واي فاي / بلوتوث

يتراوح: يمكن أن تصل مسافة الاتصال عبر LoRaWAN إلى عدة كيلومترات بينما تتراوح مسافة الاتصال عبر Wi-Fi والبلوتوث بين بضعة أمتار إلى حوالي مائة متر على الأكثر.

متانة البطارية: بسبب قوة النقل المنخفضة والكمية المنخفضة جدًا من البيانات التي يتم إرسالها بواسطة LoRaWAN, يمكن أن تكون بطارية جهاز العمل طويلة بما يكفي لتحمل عدة سنوات من الاستخدام النشط. على العكس تماما, تتطلب الأجهزة التي تستخدم تقنيات Wi-Fi وBluetooth استهلاكًا أكبر للطاقة وبالتالي يجب شحن الأجهزة أو استبدالها خلال فترة زمنية.

سرعة نقل البيانات: تم تصميم LoRaWAN لنقل معدل بيانات منخفض ويقتصر إنتاجيته على عدد قليل فقط من حزم البيانات حتى عندما لا يكون زمن الوصول مشكلة, بينما تحقق تقنيات Wi-Fi وBluetooth إنتاجية أعلى للبيانات وبالتالي يمكن تطبيقها في السياقات التي يتم فيها نقل كميات كبيرة من البيانات.

اختيار منتجات وحلول LoRaWAN المناسبة

فهم احتياجاتك:

من أجل جني أقصى الفوائد من نشر البنية التحتية لـ LoRaWAN, ويجب أن تؤخذ الاعتبارات التالية في الاعتبار.

• يتراوح: على الرغم من أن LoRaWAN يمكنه دعم التغطية اللاسلكية على مدى طويل, جودة الإشارة محدودة بالتضاريس الجغرافية والمباني. سيكون من المهم النظر في موقع النشر المحدد والتخطيط لترتيب البوابة.
• عمر البطارية: فكر في المدة التي تتوقع أن يعمل فيها جهاز LoRaWAN الخاص بك واختر جهازًا يبدو أن عمر البطارية واستهلاك الطاقة أثناء تشغيله على ما يرام.
• سرعة نقل البيانات: حدد ما إذا كنت مهتمًا بنقل البيانات البسيط وغير المتكرر أو العكس, الكثير من البيانات المنقولة بشكل متكرر. تم تصميم LoRaWAN للاستخدام في البيئات التي لا يكون فيها نقل البيانات عاليًا.
• نهج فعال من حيث التكلفة: هناك ميزة تكلفة كبيرة جدًا لشبكة LoRaWAN عندما يتم نشرها على منطقة جغرافية واسعة. على الجانب الآخر, بناءً على حجم المشروع ومدخلات المشروع مثل تكلفة المعدات, تكلفة البوابات وصيانة الشبكات, حدد الخيار الصحيح.
• قابلية التوسع: إذا كانت مبادرتك تتطلب مجموعة واسعة من وسائل اتصال الأجهزة, أو تفضل إمكانية توصيل الجهاز بسهولة في السنوات القادمة, فإن LoRaWAN هو الخيار الأنسب.

أنواع أجهزة LoRaWAN:

تأتي أجهزة LoRaWAN بأشكال مختلفة مثل البوابات, أجهزة الاستشعار, العلامات, وحدات, إلخ. الأحدث مستشعر درجة الحرارة والرطوبة MST01 LoRaWAN® بواسطة مينيو, يستخدم تقنية LoRaWAN لتجاوز القيود التي تفرضها منطقة التغطية مع أجهزة الاستشعار التقليدية وحتى تقليل استهلاك الطاقة للجهاز. يتمتع هذا المستشعر بأهمية كبيرة في إدارة أنظمة النقل واللوجستيات الذكية للمستودعات.

أعلى بائعي LoRaWAN:

المزيد من الموردين في صناعة إنترنت الأشياء يبتكرون منتجات وحلول LoRaWAN. مناجم هي واحدة من الشركات الرائدة في هذا المجال, متخصصة في حلول أجهزة إنترنت الأشياء وتفتخر 200 براءات الاختراع وشهادات الأصالة. يمكنك العمل مع Minew لإنشاء حل أجهزة إنترنت الأشياء المخصص لمتطلباتك.

مستقبل لوراوان

1. التطبيقات الناشئة: مع تعزيز الاتصالات عبر الأقمار الصناعية, يمكن لـ LoRaWAN استخدام مراقبة أجهزة الاستشعار في تطبيقات مثل اكتشاف الدخان في مناطق الغابات غير المرئية أو اكتشاف درجة الحرارة على عوامات المحيط وما إلى ذلك. البيانات الواردة من أجهزة استشعار LoRaWAN أثناء حدوث التفاعلات, ستكون المدن الذكية قادرة على تنفيذ استراتيجيات فعالة لإدارة النقل.

2. لوراوان و5G: تتضمن حلول الأتمتة الصناعية تقنية 5G لتمكين التشغيل عن بعد للمعدات باستخدام البيانات من أجهزة استشعار LoRaWAN.

3. LoRaWAN في النظام البيئي العالمي لإنترنت الأشياء: يُظهر سوق تطبيقات تقنية LoRaWAN نموًا هائلاً. ومن المتوقع أن بواسطة 2030 سوف يتوسع سوق LoRa وLoRaWAN IoT العالمي إلى 48.4 مليار دولار أمريكي, مع معدل نمو السوق 36.8% خلال فترة التوقعات. يقدر سوق إنترنت الأشياء هذه التكنولوجيا بالفعل نظرًا لمزاياها العديدة.

خاتمة: هل LoRaWAN مناسب لك؟?

فوائد تقنية LoRaWAN واضحة. لم يعد من الضروري نشر البوابات بكثافة لاستقبال الإشارات من الأجهزة البعيدة. LoRaWAN قادر على التعامل مع متطلبات مشروعك بسهولة وبتكلفة معقولة جدًا. مدعوم من شبكة LoRaWAN, يمكنك أيضًا الوصول بسهولة إلى البيانات لمساعدتك في اتخاذ القرارات الإستراتيجية التي من شأنها تعزيز الإنتاجية الإجمالية للمشروع والأعمال. في سوق إنترنت الأشياء, يتزايد حجم المنتجات والخدمات المتخصصة القائمة على تقنية LoRaWAN بشكل مطرد