اینترنت اشیا (IoT) شبکه ای از میلیون ها دستگاه را در سراسر جهان توصیف می کند که به اینترنت متصل هستند و داده های بسیاری را اندازه گیری، نظارت و ارائه می کنند. امروزه اینترنت اشیا شامل بسیاری از شبکه‌های متصل به هم است که هر کدام مشکلات خاص خود را حل می‌کنند. به عنوان مثال، در یک ساختمان اداری، چندین راه حل IoT مبتنی بر LoRaWAN را می توان به طور همزمان به کار برد: یکی برای کنترل تهویه مطبوع، دیگری برای سیستم های گرمایش، روشنایی، امنیت و سایر کاربردهای اینترنت اشیا.

این شبکه‌های اینترنت اشیا می‌توانند بر اساس استانداردهای مختلف کار کنند و ترکیب آنها در یک شبکه یک کار پیش پا افتاده نیست. فناوری‌های شبکه گسترده کم مصرف (LPWAN) می‌توانند تعداد زیادی از موارد استفاده از اینترنت اشیاء را پشتیبانی کنند. در حالی که چندین فناوری LPWAN وجود دارد، Long Range (فناوری LoRa) و معماری شبکه آن LoRaWAN، در حال حاضر محبوب ترین فناوری است. LoRa طیف وسیعی از تنظیمات ارتباطی لایه فیزیکی مانند پهنای باند، ضریب گسترش، نرخ کدگذاری و فرکانس انتقال را فراهم می کند. این تنظیمات بر توان عملیاتی، قابلیت اطمینان و دامنه ارتباط تأثیر می گذارد.

تفاوت بین شبکه های LoRa و LoRaWAN® چیست؟

LPWAN (شبکه وسیع کم مصرف) یک فناوری شبکه گسترده بی‌سیم است که دستگاه‌های اینترنت اشیا با پهنای باند کم و باتری را با نرخ بیت کم در بردهای طولانی به هم متصل می‌کند. گزینه‌های مختلفی برای ساخت شبکه LPWAN وجود دارد، اما فناوری‌های LoRaWAN و NB-IoT بیشترین پویایی را نشان داده‌اند و در سال‌های آینده بیشترین سهم بازار LPWA را دریافت خواهند کرد.
LoRaWAN پروتکل ارتباطی و معماری سیستم را برای شبکه تعریف می کند در حالی که لایه فیزیکی LoRa پیوند ارتباطی دوربرد را فعال می کند. پروتکل و معماری شبکه بیشترین تأثیر را بر طول عمر باتری، ظرفیت شبکه، کیفیت خدمات، امنیت و تنوع برنامه های کاربردی شبکه دارند.
LoRa یک پروتکل انتقال سیگنال رادیویی است که از یک فرمت چیپ شده و چند نماد برای انتقال داده استفاده می کند. در اصل، این تراشه‌ها تراشه‌های رادیویی باند ISM معمولی هستند که می‌توانند فرکانس رادیویی را با استفاده از LoRa (یا سایر انواع مدولاسیون مانند FSK) بدون نوشتن کد به بیت تبدیل کنند. خارج از ارتباطات گسترده، فناوری LoRa یک فناوری لایه فیزیکی سطح پایین تر است که در کاربردهای مختلف به کار می رود.

پروتکل LoRaWAN مبتنی بر روش مدولاسیون رادیویی LoRa است و یک پروتکل شبکه گسترده کم مصرف است. ارتباط بین دستگاه‌های IoT نود پایانی و دروازه‌های شبکه را مدیریت می‌کند و دستگاه‌ها را از طریق اتصالات بی‌سیم به اینترنت متصل می‌کند. LoRaWAN یک پروتکل شبکه نقطه به چند نقطه است. این فقط در مورد امواج رادیویی نیست. این در مورد نحوه تعامل آنها با دروازه های LoRaWAN برای ارائه عملکردهایی مانند رمزگذاری و شناسایی است.

LoRaWAN چگونه کار می کند؟

در اساسی‌ترین سطح، فناوری‌های رادیویی مانند LoRaWAN ساده هستند. بهترین قیاس برای شبکه LoRaWAN یک شبکه سلولی است. دستگاه های مبتنی بر LoRa دارای یک ماژول هستند که به یک دروازه متصل می شود که یک مکان مرکزی محلی است. در نظر بگیرید که تلفن شما چگونه داده ها را از طریق دکل تلفن همراه ارسال و دریافت می کند. دروازه به عنوان مجرای بین دستگاه ها و سرور عمل می کند. سرور شبکه از اینترنت برای ارتباط با دروازه استفاده می کند و به آن دستور می دهد تا با دستگاه های اینترنت اشیا تعامل داشته باشد. به عبارت دیگر، سرور شبکه وظیفه حذف بسته های داده تکراری، تایید یکپارچگی داده ها و اجرای بررسی های امنیتی را بر عهده دارد. علاوه بر این، گره‌ها در معماری ستاره نیازی به گوش دادن به پیام‌های سایر گره‌ها در تمام مدت ندارند. بنابراین، آنها ممکن است برای اکثر اوقات “خواب” داشته باشند و مصرف انرژی خود را کاهش دهند.

مزایای یک شبکه LoRaWAN

در زیر برخی از مزایای این عصر جدید در حال توسعه فناوری IoT با مزایای متعدد آورده شده است:

برد طولانی و پوشش: برد آن، که ممکن است تا 15 کیلومتر در LOS برسد، با پروتکل ارتباطی دیگر بی رقیب است.

کم مصرف: فناوری LoRa رادیوهای بسیار کم توان را ارائه می‌کند و آن را برای دستگاه‌هایی که باید ده سال یا بیشتر با یک بار شارژ  کار کند ایده‌آل می‌کند.

سخت‌افزار کم‌هزینه: زیرساخت LoRaWAN در مقایسه با سایر شبکه‌ها بسیار کم‌هزینه است و رادیوهای دستگاه پایانی نیز کم‌هزینه هستند. علاوه بر این، نسخه‌های منبع باز مختلفی از زیرساخت‌ها مانند دروازه‌ها در حال ایجاد هستند که هزینه‌ها را بیشتر کاهش می‌دهند.

ظرفیت بالا: یک دروازه LoRa ممکن است هزاران دستگاه IoT نقطه پایانی را به هم متصل کند.

کلاس های LoRaWAN

کلاس A

کلاس A یک سیستم ALOHA ساده است زیرا کاملاً ناهمزمان است. این بدان معناست که گره‌های انتهایی نیازی به صبر کردن برای برقراری ارتباط با دروازه برای زمان خاصی ندارند. درعوض، آنها هر زمان که نیاز داشته باشند پخش می کنند و سپس تا دفعه بعدی که به آنها نیاز است غیرفعال می شوند. اگر سیستم هشت کانالی داشتید، می‌توانید هر شکاف زمانی را با یک پیام پر کنید تا به‌طور بی‌عیب و نقصی همگام‌سازی شود.

کلاس B

پیام‌ها ممکن است با استفاده از کلاس B به گره‌های باتری‌دار منتقل شوند. هر 128 ثانیه، دروازه یک مسیریاب ارسال می‌کند. از آنجایی که تمام ایستگاه‌های پایه LoRaWAN تابع یک ساعت تک پالس در ثانیه هستند، همه آنها پیام‌های beacon را به طور همزمان منتشر می‌کنند (1PPS). این بدان معناست که در شروع هر ثانیه. هر ماهواره جی‌پی‌اس در مدار، پیامی را ارسال می‌کند و امکان همگام‌سازی زمان در سراسر جهان را فراهم می‌کند.

کلاس C

کلاس C به گره‌ها این امکان را می‌دهد که در هر زمان به طور پیوسته به پیام‌های downlink گوش داده و ارسال کنند. از آنجایی که برای بیدار نگهداشتن یک گره کاملاً بیدار و کارکرد گیرنده در همه زمان ها به انرژی زیادی نیاز دارد، معمولاً برای برنامه های برق AC استفاده می شود.

رایج ترین برنامه های کاربردی LoRaWAN چیست؟

یک شبکه LoRaWAN با طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی اینترنت اشیا سازگار است و با موفقیت در موارد استفاده زیر استفاده شده است:

شهرهای هوشمند

شهرهای هوشمند معمولاً از شبکه‌های بی‌سیم گسترده استفاده می‌کنند تا اتصال بین شبکه وسیعی از دستگاه‌های IoT، حسگرها و مترهای هوشمند تولیدکننده داده‌های متفاوت را امکان‌پذیر کنند. فناوری بی سیم LoRaWAN بهترین راه حل IoT برای کاربرد در محدوده شهرهای هوشمند است. با استفاده از فناوری‌های اینترنت اشیا با انواع دستگاه‌های هوشمند برای تجسم و تجزیه و تحلیل داده‌های بی‌درنگ جامع، شهرها می‌توانند با بهینه‌سازی استفاده از دارایی و تخصیص منابع شهر به صورت پویا پاسخ دهند. شهرها می توانند اینترنت اشیاء را در زیرساخت های خود ادغام کنند تا وظایف را خودکار کنند، تجهیزات را نظارت و مدیریت کنند، و تعمیر و نگهداری پیش بینی شده را برای کاهش هزینه های عملیاتی انجام دهند. از جمله کاربردهای شبکه لورا در شهر ها میتوان به موارد زیر اشاره کرد :

روشنایی خیابان
پارکینگ هوشمند
مدیریت پسماند
مدیریت سطح آب و سیل
حمل و نقل عمومی هوشمند
کنترل کیفیت هوا
نظافت خیابان

لجستیک / مدیریت حمل و نقل

به لطف راه حل های اینترنت اشیا مبتنی بر LoRaWAN، شرکت های زنجیره تامین و لجستیک با موفقیت دارایی های با ارزش بالا، از جمله دارایی های در حال حمل و نقل را ردیابی می کنند. وسایل نقلیه، کالاها و سایر پشتیبانی ها به راحتی در مناطق جغرافیایی وسیع و در شرایط سخت ردیابی می شوند، زیرا این فناوری محدوده قابل توجه، مصرف انرژی کم و محلی سازی بدون GPS است. راه‌حل‌های نظارت بر ناوگان اینترنت اشیا که از اتصال LoRaWAN استفاده می‌کنند، می‌توانند با اجازه دادن به ناوگان برای ماندن طولانی‌تر در جاده‌ها، بهبود مصرف سوخت، افزایش ایمنی، ارائه دید به نگرانی‌های تعمیر و نگهداری و بهبود کارایی کلی، در هزینه‌ها صرفه‌جویی کنند.
ساختمان های هوشمند

با حداقل هزینه‌های زیرساختی و تعمیر و نگهداری، صاحبان خانه و مدیران املاک/امکانات ممکن است با به کارگیری راه‌حل‌های ساختمان هوشمند IoT مبتنی بر LoRa، کارایی را افزایش داده و هزینه‌ها را به حداقل برسانند:

مانیتورینگ دما و رطوبت
اشغال اتاق
تشخیص حرکت
کنتور هوشمند آب
مانیتورینگ سطح آتش سوزی، سیل، CO/CO2

مراقبت های بهداشتی هوشمند

توان کم، هزینه کم و عملکرد ثابت، شبکه های LoRaWAN را برای برنامه های کاربردی مراقبت های بهداشتی هوشمند ضروری می کند. راه‌حل‌های IoT مبتنی بر LoRaWAN می‌توانند به طور مداوم بیماران یا سیستم‌های پرخطر را زیر نظر بگیرند و تضمین کنند که سلامت و ایمنی پزشکی هرگز به خطر نمی‌افتد.

راه حل IoT مبتنی بر LoRaWAN می تواند به گونه ای طراحی شود که به طور مداوم و قابل اعتماد مهمترین علائم حیاتی بیماران بیمارستانی، دستیاران مراقبت از سالمندان، ورزشکاران با عملکرد بالا، یا هر فرد دیگری را که نیاز به بینش در زمان واقعی و همیشه در مورد سلامت تنفسی خود دارد، طراحی کند. راه حل های سلامت هوشمند IoT LoRaWAN می تواند کمک کند:

بیماران بیمارستانی
رزیدنت های مراقبت از سالمندان
ورزشکاران با عملکرد بالا

امنیت عمومی

نیاز به راه حل های ایمنی و امنیت همه جانبه در حال افزایش است. راه‌حل‌های ایمنی عمومی مبتنی بر شبکه اینترنت اشیا، فناوری پیشرفته‌ای را به اولین پاسخ‌دهندگان ارائه می‌دهند که ممکن است خطر را کاهش داده و ایمنی فردی را بهبود بخشد. گجت‌های پوشیدنی شخصی اینترنت اشیا، مانند نشان‌های ID، مجهز به فناوری LoRaWAN هستند، از جمله یک دکمه پانیک که اطلاعات موقعیت مکانی کاربر را فوری ارسال می‌کند.

استفاده از فضا

نیروی کار شرکتی متحرک‌تر شده است و به سرعت اخلاق کاری «در هر زمان، هر مکان» را اتخاذ کرده است. در نتیجه جریان غیرقابل پیش بینی کارمندان و مهمانان، فضای اداری ممکن است برای مدت طولانی استفاده نشود یا بیش از حد رزرو شود. برای شرکت ها، استفاده صحیح و چیدمان فضای موجود به یک دردسر لجستیکی تبدیل شده است.

محیط هوشمند

ثبت و انتشار شاخص های محیطی برای تجزیه و تحلیل داده ها به صورت بلادرنگ با استقرار شبکه ای از دستگاه ها و دروازه های مجهز به شبکه های LoRaWAN در یک منطقه امکان پذیر است. آنها قبل از اینکه به فاجعه تبدیل شوند، نگرانی ها را شناسایی می کنند. راه‌حل‌های IoT مبتنی بر LoRaWAN برای محیط‌زیست به محافظت از جمعیت در برابر تهدیدات محیطی، از نظارت بر کیفیت هوا گرفته تا تشخیص نشت تشعشع کمک می‌کند.

کشاورزی هوشمند

مفهوم استفاده از راه‌حل‌های اینترنت اشیاء مبتنی بر LoRaWAN برای شیوه‌های کشاورزی هوشمند در حال گسترش است زیرا کشاورزان اکنون می‌توانند به راحتی تجسم، تجزیه و تحلیل و تصمیم‌گیری آگاهانه‌تر در مورد محصولات، دام، تجهیزات، زیرساخت‌ها، محیط‌زیست و تمام اجزای دیگری که باید به طور مداوم نظارت کنند، بگیرند. و مدیریت برای افزایش بازده و بهبود بازده. حسگرهای کشاورزی اینترنت اشیا دارای اندازه جمع و جور هستند و پارامترهای زیادی را تعیین می کنند که درک جنبه های زیست محیطی را ارائه می دهد. حسگرهای اینترنت اشیا را می توان برای جمع آوری داده ها در مورد قرار گرفتن در معرض نور خورشید مستقر کرد، که می تواند برای تصمیم گیری بهتر در مورد قرار دادن محصول استفاده شود و به تعیین اینکه آیا یکپارچه سازی خورشیدی گزینه مناسبی برای مزرعه است یا خیر.

معماری شبکه LoRaWAN

به جای اینکه هر دستگاه پایانی تقریباً دائماً روشن باشد، دستگاه‌های پایانی در شبکه LoRaWAN مستقیماً با دروازه‌ها تعامل دارند و تنها زمانی روشن هستند که نیاز به برقراری ارتباط با دروازه داشته باشند زیرا محتوا نگران کننده نیست. یک رادیو LoRa دارای چند ویژگی است که آن را قادر می‌سازد به قدرت برد طولانی و هزینه کم دست یابد. برخی از این ویژگی ها عبارتند از:

تکنیک مدولاسیون

رادیوهای LoRa از فناوری مدولاسیون طیف استفاده می‌کنند تا محدوده ارتباطی به‌طور قابل‌توجهی افزایش یافته و در عین حال ویژگی‌های کم توان قابل مقایسه با رادیوهای لایه فیزیکی مدولاسیون FSK را حفظ کنند. در حالی که برای مدتی طولانی در ارتباطات نظامی و فضایی به طور گسترده استفاده می شود، LoRa اولین پیاده سازی تجاری کم هزینه این روش است.

فرکانس

در حالی که فناوری LoRa فرکانس تشخیصی است، رادیوهای LoRa از طریق باندهای فرکانس رادیویی بدون مجوز زیر گیگاهرتز که به طور گسترده در سراسر جهان قابل دسترسی هستند، ارتباط برقرار می کنند. این فرکانس ها از ناحیه ای به منطقه دیگر و در بسیاری از موارد از کشوری به کشور دیگر در نوسان هستند.

نرخ داده تطبیقی

LoRa از ترکیبی از پهنای باند متغیر و فاکتورهای پخش (SF7-SF12) برای تغییر نرخ داده استفاده می‌کند، که با محدوده انتقال تطابق دارد. ضریب پخش بالاتر پوشش گسترده تری را به قیمت نرخ داده کمتر فراهم می کند و بالعکس. ترکیب پهنای باند و فاکتور پخش بر اساس شرایط شبکه و میزان داده ارسالی تنظیم می شود.

سطح توان تطبیقی

رادیوهای LoRa دارای سطح توان قابل تطبیق هستند. عناصری مانند نرخ داده و کیفیت شبکه بر رادیوهای LoRa تأثیر می‌گذارند. زمانی که انتقال سریع ضروری باشد، توان ارسالی افزایش می یابد و بالعکس. در نتیجه عمر باتری افزایش یافته و ظرفیت شبکه حفظ می شود. عوامل مختلفی، از جمله کلاس دستگاه، بر مصرف برق تأثیر می گذارد.

لینک منبع : https://www.iotforall.com/lorawan-most-common-applications-and-use-cases