介紹
隨著各行業尋求具有擴展範圍和設備支援的經濟解決方案, 滿足這些條件的連接已成為必需. 這樣的需求導致了LPWAN的出現 (低功耗廣域網) 和 LoRaWAN 技術. LoRaWAN是一種低功耗廣域網 (低功耗廣域網) 旨在允許設備遠距離無線連接到互聯網的協議. 其主要特點——長距離覆蓋和最低功耗——非常適合無線通訊的要求 物聯網設備 基本上都是電池供電的.
什麼是LoRaWAN?
LoRaWAN 是一種屬於 LPWAN 範疇的無線通訊技術 (低功耗廣域網). 這意味著它的設計旨在使用最小的功率,同時實現遠距離傳輸, 使其成為大規模物聯網應用的理想選擇. 本質上, LoRaWAN採用LoRa調變技術, 這是實現LPWAN的具體方式.
洛拉, 其核心, 是一種採用線性調頻擴頻的實體層調變技術 (CSS) 資訊編碼技術. 它指定各種通信設置, 包括頻寬, 傳輸頻率, 編碼率, 和擴頻因子. 基於 LoRa 構建, LoRaWAN技術定義了物聯網終端節點設備與網路之間通訊的協議 閘道, 幫助設備無縫連接到互聯網.
LoRaWAN 類
A級
A 類作為非同步系統運行,其中終端節點可以在必要時向網關廣播訊息,然後進入非活動狀態,直到下一次傳輸. 此設定有效地利用了多通道系統中的時隙
B級
一種向電池供電節點發送訊息的方法, 網關每隔一段時間就會發出一個信標 128 秒. 此信標使所有 LoRaWAN 基地台能夠使用 GPS 衛星訊號同步時間.
C級
使節點能夠隨時持續監聽並傳輸下行訊息. 此類通常用於交流供電應用,因為它需要大量能量來保持節點完全活動並且接收器始終運行.
LoRaWAN 的工作原理
LoRa 調變使用一種稱為線性調頻擴頻的技術將資料編碼為無線訊號. 透過提高線性調頻速率, 訊號分佈在多個頻率範圍, 允許它在沒有太多幹擾的情況下行駛更遠的距離. LoRa 採用基於這種線性調頻技術的專有擴頻調製. 例如, 靠近網關的設備由於鄰近而使用較低的擴頻因子來快速傳輸數據, 而距離較遠的設備則使用較高的擴頻因子來擴展訊號範圍, 即使這會減慢傳輸速度.
物聯網設備 (例如 感應器) 在 LoRaWAN 網路中定期或按需收集數據. 這些設備使用內建的LoRa模組和LoRa調製技術將收集到的數據無線傳輸到附近的LoRaWAN網關, 然後將數據上傳到 LoRaWAN 網路伺服器. 資料去重和驗證後, 設備入網驗證、身份認證等功能的處理, 資料將轉送至應用程式伺服器, 這通常是用戶自訂的系統, 以便於分析和儲存接收到的數據, 並進行發動警報、產生報告等相應處理.
LoRaWAN 的主要特性和優點
長距離和 覆蓋範圍:
LoRaWAN下的LoRa調變技術允許傳輸範圍達數公里, 長達數十公里. 大多數情況下, LoRaWAN 實現了約 2-5 城市中的公里範圍,但在空曠的鄉村地區可以超過15公里.
低功耗:
使用LoRaWAN系統伴隨著低能耗, 因此,這些系統更適合低功耗或電池供電的設備. 這意味著這些設備多年來不需要每隔幾個月更換電池, 對於位於難以存取區域的遠端監控感測器和資產追蹤器來說,這項功能非常重要.
可擴展性:
單一 LoRaWAN 網關能夠同時處理數千個設備, 從而支持廣泛的連接. 透過使用自適應數據速率 (美國存託憑證) 功能, LoRaWAN網路也稱為低功耗廣域網路資源管理,旨在以更有效的方式在設備之間進行通訊.
經濟高效的硬體:
啟動 LoRaWAN 網路成本較低,因為不需要太多設施. 開源基礎設施和軟體資源使其採用更加經濟.
全球連結性:
正如 LoRaWAN 聯盟所述,LoRaWAN 對所有使用者開放. 設備和網路可以協調運行,無需共同的提供者, 從而提供更好的跨品牌和跨產業整合, 以及應用它們的更多可能性.
LoRaWAN 的常見用例
1. 智慧城市
LoRaWAN 技術可以幫助連接不同的物聯網設備, 感應器, 透過提供廣域網,智慧電錶和其他設備出現在智慧城市中. 物聯網設備和網路可以整合到城市現有的基礎設施中,從而促進流程自動化以及系統監督和控制,從而降低營運成本. 以下是一些可以在智慧城市中實施的想法:
- 智慧路燈: 控制, 透過廣泛的 LoRaWAN 網路管理和監控城市路燈,能夠根據交通流量和外部照明調節亮度,以降低能源成本.
- 停車管理: LoRaWAN 感測器追蹤停車位的佔用情況並通知駕駛員停車位的可用性, 從而緩解停車問題和交通流量.
- 空氣品質監測: 採用LoRaWAN感測器監測全市大氣中各種污染物濃度,達到控制污染的目的.
2. 智慧農業及其現代工具
農業營運正在智慧農業的特定領域採用物聯網和戶外 LoRaWAN 應用. 使用 LoRaWAN 網路, 即時傳輸涉及作物的所有數據的傳感器, 畜牧業, 裝置, 物理環境等, 使農民能夠適當地改變生產水平,從而提高生產質量.
3. 工業物聯網
LoRaWAN 技術也有效地融入工業營運環境中. 自動監控, 安全, 和資產管理使營運商能夠更快地做出回應. 以物流和智慧倉儲領域為例, LoRaWAN 網路比以前更好,提供更廣泛的覆蓋範圍和更少的干擾連接.
4. 公用事業和智慧計量
智慧電錶 (用於電力, 水, ETC。) 實現遠端即時監控, 減少錯誤並提高效率.
5. 醫療保健和穿戴式設備
基於 LoRaWAN 的醫療保健穿戴式裝置旨在持續可靠地監測醫院患者, 老年護理居民, 或任何需要即時監測生命徵象的人.
LoRaWAN網路架構
1. 公有和私有 LoRaWAN 網絡
公共 LoRaWAN 網路是第三方擁有的 LoRaWAN 網絡, 主要是電信業者或網路服務供應商, 將裝置連接到網路的用戶需要付費. 私有LoRaWAN網路是個人和/或企業建構和營運的網絡,主要, 受他們控制, 並且往往受到地理區域的限制. 這種連接通常具有更好的資料安全和隱私規定.
2. 混合動力車型
私有和公有LoRaWAN的原則可以結合在一起,這樣使用者對私有網路的舒適度和覆蓋範圍的需求可以透過公共網路得到滿足,但更安全. 用戶可依情況選擇公網或私網,甚至同時選擇兩者.
3. 網路部署
評估區域覆蓋範圍, LoRaWAN 網路可實現的數據速率和消耗的電力, 根據專案要求確定的範圍. 確定覆蓋區域和部署站點內所需的網關數量後, 建構網路拓撲 (通常是星形拓撲). 選擇並安裝合適的 LoRaWAN 存取點和其他設備. 硬體部署完成後, 設定網關參數, 設定網路伺服器, 並開始測試和驗證. 專案部署完成後, 定期對設備進行監控和維護.
LoRaWAN 安全特性
端對端加密
端對端加密保護從裝置到應用程式伺服器的整個傳輸. 通常有兩層加密機制, LoRaWAN的網路層加密與應用層加密. 上述兩種加密技術產生兩個不同的金鑰NwkSKey和AppSKey. 這意味著從設備發送資料的那一刻起直到資料到達應用程式伺服器,所有資訊在傳輸過程中都將加密. 所以, 即使網關或中間網路服務供應商收到資料包, 他們將無法查看或更改數據.
設備認證
LoRaWAN 利用非常嚴格的設備身份驗證機制,不允許任何未經授權的設備進入網絡. 加入LoRaWAN網路有兩種主要方法.
奧塔阿 (無線啟用)
此選項對於所有攻擊都是最安全的. 每當, 設備連接到 LoRaWAN 網路, 新的密鑰對 (網路會話金鑰 NwkSKey 和應用程式會話金鑰 AppSKey) 被制定. 這些密鑰是根據裝置的 DevEUI 和 AppKey 建立的. 使用OTAA, 每次裝置連接網路時, 設備的身份已驗證, 並以這種方式, 已確認網路上不允許有任何惡意設備.
動態血壓 (個性化激活)
在該技術中, 在部署設備之前,設備的密鑰已準備好. ABP 不需要重新產生金鑰,但所提供的安全性限制是固定且無法更改的,這使得它不如 OTAA.
OTAA還是ABP沒關係, LoRaWAN 的設備身份驗證機制可防止未經身份驗證的設備與網路進行任何不必要的通訊.
密鑰管理
設備和伺服器之間的所有互動都採用加密,而這種加密過程是使用不同的密鑰來實現的. LoRaWAN 網路主要採用三個關鍵管理功能.
- AppKey用於在OTAA過程中產生會話金鑰. 當用戶設備首次加入網路時, 此密鑰有助於建立網路會話密鑰和應用程式會話密鑰.
- NwkSKey 是幫助加密設備和網路伺服器之間的通訊資料的金鑰.
- AppSKey是加密裝置和應用程式伺服器之間的應用資料的金鑰.
需要注意的是,LoRaWAN中的金鑰管理必須完成以下要求:
- 獨特性: 每個設備都有自己的金鑰,與其他設備不相同,因此設備通訊不會受到其他設備的干擾.
- 關鍵更新: OTAA 機制可協助裝置在加入新網路時建立新金鑰,從而最大限度地減少長期使用靜態金鑰所帶來的風險.
- 密鑰儲存安全: 裝置, 網關和伺服器應有效保護這些金鑰,因為攻擊者可能希望獲得這些金鑰來解密正在傳輸的訊息.
LoRaWAN 對比. 其他物聯網協議
LoRaWAN 對比. 窄頻物聯網
覆蓋範圍: LoRaWAN 提供擴展的通訊範圍, 因此在農村或內陸地區最為有利,其範圍可達 15 公里. 相比之下, NB-IoT 的覆蓋半徑有限,約為 10 公里,但在城市和具有許多建築物的環境中更有效.
耗電量: LoRaWAN的功耗相當低,因此設備的電池可持續使用數年,非常適合長期放置此類設備. NB-IoT 的能源效率也非常高,但由於傳輸的資料量較大,其電池壽命較短.
應用場景: 由於距離遠且數據傳輸量低, LoRaWAN 非常適合智慧農業等應用用例, 環境監測等. 另一方面,NB IoT更適用於資料量密集、訊號穿透深度較深的場景,例如智慧電錶、智慧城市解決方案.
LoRaWAN 對比. 無線網路/藍牙
範圍: LoRaWAN的通訊距離可達數千米,而Wi-Fi和藍牙的通訊距離最多在幾米到一百米左右.
電池耐用性: 由於 LoRaWAN 的傳輸功率較低且傳輸的資料量非常少, 工作設備的電池足夠長,可以承受數年的活躍使用. 相反, 採用Wi-Fi和藍牙技術的裝置功耗較高,因此必須在一段時間內對裝置進行充電或更換.
數據吞吐量: LoRaWAN 專為低資料速率傳輸而設計,即使延遲不是問題,其吞吐量也僅限於幾個資料包, 而Wi-Fi和藍牙技術可實現更高的資料吞吐量,因此可以應用於傳輸大量資料的環境.
選擇正確的 LoRaWAN 產品和解決方案
了解您的需求:
為了獲得部署 LoRaWAN 基礎架構的最大收益, 必須考慮以下因素.
- 範圍: 雖然LoRaWAN可以支援遠距離無線覆蓋, 訊號品質受地理地形和建築物限制. 網關的佈置需要考慮具體的部署地點和規劃.
- 電池壽命: 考慮一下您期望 LoRaWAN 設備工作多長時間,然後選擇電池壽命和功耗都不錯的設備.
- 數據吞吐量: 確定您是否對簡單且不頻繁的資料傳輸感興趣或相反, 頻繁傳輸大量數據. LoRaWAN 設計用於資料傳輸需求不高的環境.
- 具有成本效益的方法: LoRaWAN 網路在廣泛的地理區域部署時具有非常顯著的成本優勢. 另一方面, 基於專案規模和專案投入(例如設備成本), 網關和網路維護成本, 選擇正確的選項.
- 可擴展性: 如果您的計劃需要廣泛的設備連接, 或者您更喜歡在未來幾年輕鬆建立設備連接, 那麼 LoRaWAN 就是最適合的選擇.
LoRaWAN 設備的類型:
LoRaWAN 設備有多種形式,例如網關, 感應器, 標籤, 模組, ETC. 最新的 MST01 LoRaWAN® 溫濕度感測器 透過米紐, 利用LoRaWAN技術超越傳統感測器的覆蓋範圍限制,甚至降低設備功耗. 此感測器對於管理智慧倉庫物流和運輸系統非常重要.
LoRaWAN 頂級供應商:
更多物聯網產業供應商推出LoRaWAN產品與解決方案. 地雷 是該領域的領先公司之一, 專注於物聯網硬體解決方案並擁有超過 200 專利和原創證書. 您可以與 Minew 合作,根據您的要求創建客製化的物聯網硬體解決方案.
LoRaWAN 的未來
1. 新興應用: 隨著衛星通訊的增強, LoRaWAN 可以在不可見森林區域的煙霧偵測或海洋浮標的溫度偵測等應用中使用感測器監控. 交互發生時來自 LoRaWAN 感測器的數據, 智慧城市將能夠實施有效的交通管理策略.
2. LoRaWAN 和 5G: 工業自動化解決方案採用 5G,可使用 LoRaWAN 感測器的資料遠端操作設備.
3. 全球物聯網生態系中的LoRaWAN: LoRaWAN技術的應用市場呈現急遽成長. 據預測,到 2030 全球LoRa和LoRaWAN物聯網市場將擴大至484億美元, 市場成長率為 36.8% 在預測期內. 物聯網市場確實因其許多優點而欣賞該技術.
結論: LoRaWAN 適合您嗎?
LoRaWAN 技術的優勢顯而易見. 不再需要密集部署網關來接收遠距離設備的訊號. LoRaWAN 能夠以非常合理的費用輕鬆滿足您的專案需求. 由 LoRaWAN 網路提供支援, 您還可以輕鬆存取資料來幫助您做出策略決策,從而提高專案和業務的整體生產力. 在物聯網市場, 基於LoRaWAN技術的產品和專業服務數量正在穩步增長