شبکه LPWAN چیست؟
شبکه دوربرد کم‌توان LPWAN یا LPWA یا شبکه کم‌توان LPN نوعی شبکه ارتباطی بی‌سیم در ناحیه گسترده است که به منظور ایجاد ارتباطات دوربرد با نرخ بیت کم طراحی شده است.
شبکه LPWAN عمر باتری تجهیزات را تا چند سال افزایش می‌دهد و برای سنسورها و برنامه‌هایی طراحی شده است که نیاز به ارسال مقادیر کمی از داده‌ها در مسافت‌های طولانی و چند بار در ساعت از محیط‌های مختلف دارند.
LoRa و LoraWAN متعلق به دسته پروتکل‌های شبکه ارتباطی بی‌سیم LPWAN و تلفن همراه هستند. فناوری‌های دیگری که در باندهای فرکانس بدون مجوز (رایگان) فعالیت می‌کنند شامل Sigfox، Ingenu و چندین مورد دیگر هستند. بر این اساس اغلب ممکن است LPWAN به عنوان اکوسیستم‌های LPWAN دارای مجوز طبقه‌بندی شوند.
LoRa و Sigfox تحت فناوری اینترنت اشیا IoT غیر سلولی قرار دارند. NB-IoT (NarrowBand IoT) در رده اینترنت اشیا IoT سلولی قرار می‌گیرد و از طریق فرکانس سلولی انتقال می‌یابد.
توجه: این امکان وجود دارد که LoRa (یا هر دستگاه LP WAN) از مسافت‌های بزرگ با قدرت کم انتقال یابد، زیرا قوانین فیزیک بیان می‌کنند برای انتقال از مسافت‌های بزرگ یا لازم است قدرت را افزایش دهید یا پهنای باند را کاهش دهید. از آنجا که سنسورهای تعبیه شده LoRa از مسافت‌های بزرگ منتقل می‌شوند اما از قدرت کمتری (باتری) استفاده می‌کنند و پهنای باند آن بسیار محدود است.
LoRa و LoRaWAN (و Symphony Link) چیست؟
LoRa (Long Range) یک فناوری ارتباطات داده بی‌سیم دیجیتال با فناوری اینترنت اشیا IoT است که توسط Cycleo of Grenoble ، فرانسه ثبت اختراع و در سال 2012 توسط Semtech روش انتقال مبتنی بر IP برای این شبکه رزرو شده است.
LoRa از طریق باند فرکانس رادیویی زیر گیگاهرتز بدون مجوز نظیر 169 مگاهرتز ، 433 مگاهرتز ، 868 مگاهرتز (اروپا) و 915 مگاهرتز (آمریکای شمالی) فعالیت می‌کند. LoRa انتقال انرژی با برد بسیار دور (بیش از 10 کیلومتر در مناطق روستایی) با مصرف انرژی پایین را امکان‌پذیر می‌کند.
لایه ارتباطی LoRaWAN (شبکه‌ای با طیف گسترده از منطقه وسیع) است و یک پروتکل ارتباطی منبع‌باز است که توسط کنسرسیوم LoRa تعریف شده است و روی LoRa بنا شده است. Symphony Link، پروتکل ارتباطی منبع‌باز دیگری است که توسط یک شرکت به نام Link Labs تعریف شده است.
بنابراینLoRaWAN پروتکل ارتباطات و معماری سیستم را برای شبکه تعریف می‌کند در حالی که لایه فیزیکی LoRa پیوند ارتباطی دوربرد را امکان‌پذیر می‌کند. پروتکل ارتباطی LoRa WAN تضمین ارتباط قابل‌اعتماد، برقراری ارتباط امن و اضافه کردن هدرهای اضافی به پکت‌های داده را انجام می‌دهد.
LoRa و LoRaWAN اتصال ارزان‌قیمت و دوربردی را برای تجهیزات اینترنت اشیا IoT در مناطق دورافتاده، روستایی و برون مرزی را ممکن می‌کنند. آنها به طور معمول در معدن، مدیریت منابع طبیعی، انرژی تجدید پذیر، تدارکات بین‌قاره‌ای و مدیریت زنجیره تأمین استفاده می‌شوند.
LoRaWAN بهترین نوع LPWAN است و وعده اتصال به همه‌جا را در برنامه‌های IoT در فضای بازکه ساختارهای شبکه و مدیریت ساده‌ای دارد را محقق می‌کند.
توپولوژی شبکه LoRa و LoRaWAN
معماری شبکه LoRaWAN در یک توپولوژی ستاره‌ای مستقر شده است (در مقابل توپولوژی مش در Zibgee).
شبکههای LoRaWAN که در یک توپولوژی ستاره‌ای قرار گرفته‌اند دارای ایستگاه‌های پایه داده‌های بین گره‌های سنسور و سرور شبکه هستند.
ارتباط بین گره‌های سنسور و ایستگاه‌های پایه از طریق کانال بی‌سیم با استفاده از لایه فیزیکی LoRa برقرار می‌شود در حالی که اتصال بین دروازه‌ها و سرور مرکزی از طریق شبکه IP اداره می‌شود.
- گره‌های انتهایی با استفاده از LoRa مستقیماً به تمام دروازه‌های موجود در محدوده، داده را انتقال می‌دهند.
- پیام‌های Gateway بین دستگاه‌های نهایی و یک سرور شبکه مرکزی با استفاده از IP رد و بدل می‌شود.
گره‌های پایانی
گره‌های انتهایی سنسورهای تعبیه شده LoRa هستند و معمولاً شامل:
- سنسورها (برای تشخیص پارامتر در حال تغییر به عنوان مثال دما، رطوبت، شتاب سنج، GPS)
- فرستنده LoRa برای انتقال سیگنالها از طریق بستر LoRa
- میکرو کنترلر
سنسورها ممکن است به تراشه فرستنده LoRa متصل شوند یا به یک واحد یکپارچه با تراشه فرستنده LoRa متصل گردند.
برنامه‌ریزی میکرو کنترلرها در میکرو پایتون یا میکرو Javascript امکان‌پذیر است. این امر به توسعه‌دهندگان امکان می‌دهد از داده‌های سنسورهایینظیر شتاب سنج، دما و غیره استفاده کنند و موارد خاص استفاده را پیاده‌سازی کنند. الگوریتم‌های تشخیص سقوط ممکن است با برنامه‌ریزی میکرو کنترلر بر اساس ورودی‌های شتاب سنج و سنسورهای دیگر اجرا شوند.
گره‌های پایانی LoRaWAN (سنسورها) معمولاً از توان کم استفاده می‌کنند و دارای باتری هستند (کلاس A و کلاس B). سنسورهای LoRa باتری‌هایی دارند که به طور معمول می‌توانند از 2-5 سال دوام بیاورند. سنسورهای LoRa می‌توانند سیگنالها را از مسافت‌های 1 کیلومتری - 10 کیلومتری منتقل کنند.
دروازه یا Gateway
سنسورهای LoRa داده‌ها را به دروازه LoRa منتقل می‌کنند. دروازه‌های LoRa از طریق پروتکل استاندارد IP به اینترنت متصل می‌شوند و داده‌های دریافت شده از سنسورهای تعبیه شده LoRa را به سرور یا ابر منتقل می‌کنند.
دستگاه‌های Gateway همیشه به یک منبع تغذیه وصل می‌شوند. دروازه‌ها از طریق اتصالات استاندارد IP به سرور شبکه متصل می‌شود و به عنوان یک پل شفاف عمل می‌کند و به سادگی بسته‌های RF را به بسته‌های IP تبدیل می‌کند و بالعکس تبدیل می‌کنند.
سرورهای شبکه
سرورهای شبکه می‌توانند راهکارهای مبتنی بر ابر باشند نظیر Things Network (TTN) یا LoRIOT. سرورهای شبکه به درگاه‌ها متصل می‌شوند و پکت‌های داده dup را به برنامه مربوط هدایت می‌کنند. سرورهای شبکه می‌توانند برای هر دو ارتباط uplink (یعنی سنسور به برنامه) یا downlink (یعنی برنامه به سنسور) استفاده شوند.
سرور دارای روتر، بروکر و هندلر است که پکت‌های داده ارسالی از دروازه LoRaWAN را پردازش کند. همچنین دارای یک پل AWS است که TTN را به پلتفرم AWS IOT متصل می‌کند.
سرورهای برنامه
این برنامه به طور معمول می‌تواند بر روی پلتفرم‌های اینترنت اشیا IoT نظیر AWS IoT ، Lambda ، DynamoDb یا S3 ساخته شود.
ادامه مطلب را در بخش دوم مطالعه کنید.
