تقرير تحليل الجدوى لتكنولوجيا LoRaWAN المطبقة على جمع معلومات استهلاك الكهرباء / الماء
مع تطور إنترنت الأشياء ، تحتوي العديد من تطبيقات إنترنت الأشياء على حزم بيانات صغيرة وتحمل أكبر للتأخير وتحتاج إلى نشرها على نطاق واسع أو أنها تقع في أماكن بعيدة وتحت الأرض وغيرها من الأماكن المحمية بشدة ، مع وجود اتصال لاسلكي أو ليس من السهل الوصول إلى إشارة تكنولوجيا الاتصالات المتنقلة.بالنسبة للمشكلة المذكورة أعلاه ، تم تطوير تقنيات اتصالات بعيدة المدى ومنخفضة الطاقة ، يشار إليها مجتمعة باسم شبكة المنطقة الواسعة منخفضة الطاقة (LPWAN).يتمتع LPWAN بمزايا انخفاض استهلاك الطاقة والمسافة الطويلة والاتصال الكبير ، لذا فهو مناسب للتطبيقات التي تتطلب نطاقًا واسعًا من النشر وكمية صغيرة من نقل البيانات.إنه مناسب جدًا لمتطلبات تطبيق جمع البيانات لعدادات الطاقة الذكية.يمكن تقسيم LPWAN إلى معسكرين: نطاق التردد المصرح به ونطاق التردد غير المصرح به وفقًا لنطاق التردد المستخدم.تم تطوير تقنية LPWAN لنطاق التردد غير المرخص سابقًا ، والتكنولوجيا الرئيسية هي LoRaWAN.
1. مقدمة في LoRaWAN
LoRaWAN هي مجموعة من بروتوكول الاتصال وبنية النظام المصممة لشبكة الاتصالات طويلة المدى LoRa.يحدد كيفية نقل البيانات في شبكة LoRaWAN (تشير الشبكة هنا إلى العقد والبوابات والخوادم) ، ويحدد نوع الرسالة وهيكل إطار البيانات وطريقة تشفير الأمان ؛ويقدم العمليات المحددة للشبكة ، ويشرح الفرق بين الأجهزة الرئيسية والتابعة.
في تصميم البروتوكول وبنية الشبكة ، تأخذ LoRaWAN في الاعتبار بشكل كامل عدة عوامل مثل استهلاك طاقة العقدة ، وسعة الشبكة ، والأمن وتنوع تطبيقات الشبكة.
2. هندسة شبكة LoRaWAN
مخطط هندسة شبكة LoRaWAN
تتضمن بنية شبكة LoRaWAN أربعة أجزاء: المحطة الطرفية والمحطة الأساسية و NS (خادم الشبكة) وخادم التطبيقات.تُستخدم طبولوجيا الشبكة النجمية والخلوية بين المحطات الأساسية والمطاريف.نظرًا لخصائص LoRa للمسافات الطويلة ، يمكن استخدام الإرسال أحادي القفزة بينهما.يمكن أن ترسل العقدة الطرفية إلى محطات قاعدة متعددة في نفس الوقت.تقوم المحطة الأساسية بإعادة توجيه بيانات بروتوكول LoRaWAN بين NS والمحطة وتحمل بيانات LoRaWAN على إرسال تردد الراديو LoRa و TCP / IP على التوالي.
3. نظرة عامة على بروتوكول LoRaWAN
3.1 تصنيف العقد الطرفية
من حيث المواصفات الفنية ، يبلغ معدل إرسال LoRaWAN حوالي 30bit / s-50kbit / s ، ومسافة الإرسال حوالي 2-5 كيلومترات في المنطقة الحضرية ، ويمكن أن يصل الأطول إلى 15 كيلومترًا في الضواحي.يدعم الإرسال ثنائي الاتجاه ، وتعتمد طريقة النقل على متطلبات التأخير ويمكن تقسيم وظائف استهلاك الطاقة إلى ثلاثة مستويات: خط الأساس (الفئة أ) والمنارة (الفئة ب) والمستمر (الفئة ج).سترسل طريقة الفئة A فقط عندما يرسل الجهاز الطرفي طلبًا ، ويكون استهلاك الطاقة هو الأدنى.يتم استخدامه في عدادات المياه وعدادات الغاز.الفئة C تعني النقل المستمر للبيانات ، مع أقصر وقت تأخير للإرسال.تستخدم الفئة C بشكل عام في عدادات الكهرباء.
3.2 إرسال الوصلة الصاعدة والهابطة للعقد الطرفية
هذا هو مخطط التسلسل للوصلة الصاعدة والهابطة من الفئة أ.حاليًا ، تبدأ نافذة الاستقبال RX1 عمومًا بعد ثانية واحدة من الارتباط الصاعد ، وتبدأ نافذة الاستقبال RX2 بعد ثانيتين من الارتباط الصاعد.
الفئة C و A هي نفسها بشكل أساسي ، باستثناء أنه عندما تنام الفئة A ، فإنها تفتح نافذة الاستقبال RX2.
3.3 طريقة ربط العقدة الطرفية بالشبكة
هناك طريقتان للانضمام إلى الشبكة: التنشيط عبر الأثير (OTAA) والتفعيل عن طريق التخصيص (ABP).
تتبع شبكات LoRaWAN التجارية عمومًا عملية تنشيط OTAA ، بحيث يمكن ضمان الأمن.تحتاج هذه الطريقة إلى إعداد المعلمات الثلاثة ، بما في ذلك: DevEUI و AppEUI و AppKey.
DevEUI هو معرف فريد عالميًا مشابه لـ IEEE EUI64 ، والذي يحدد جهازًا طرفيًا فريدًا.وهو يعادل عنوان MAC الخاص بالجهاز.
AppEUI هو معرف فريد عالميًا مشابه لـ IEEE EUI64 ، والذي يحدد موفر تطبيق فريدًا.
يتم تعيين AppKey للجهاز بواسطة مالك التطبيق.
تبدأ المحطة الطرفية أمر "الانضمام" ، ويؤكد NS (خادم الشبكة) أنه صحيح ، وسوف يرد على الجهاز ويعين عنوان الشبكة DevAddr (معرف 32 بت).يستخدم كلا الطرفين المعلومات ذات الصلة في استجابة الشبكة و AppKey ، لإنشاء مفاتيح الجلسة NwkSKey و AppSKey ، والتي تستخدم لتشفير البيانات والتحقق منها.
إذا تم استخدام طريقة الفرز الثانية (تنشيط ABP) ، فقم بتكوين معلمات الاتصال النهائية لـ DevAddr و NwkSKey و AppSKey مباشرةً ، ولم تعد عملية الانضمام مطلوبة.في هذه الحالة ، يمكن للجهاز إرسال بيانات التطبيق مباشرة.
3.4 إرسال واستقبال البيانات
بعد الانضمام إلى الشبكة ، يتم تشفير بيانات التطبيق.
هناك نوعان من إطار بيانات LoRaWAN: مؤكد أو غير مؤكد ، أي النوع الذي يتطلب استجابة والآخر لا يتطلب استجابة.يمكن للمصنعين اختيار النوع المناسب وفقًا لاحتياجات التطبيق.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن نرى من المقدمة أن LoRaWAN ستدعم تنوع التطبيقات.بالإضافة إلى استخدام AppEUI لتقسيم التطبيقات ، يمكن أيضًا استخدام منفذ تطبيق FPort لمعالجة البيانات بشكل منفصل أثناء الإرسال.نطاق قيمة FPort هو (1 ~ 223) ، والذي يتم تحديده بواسطة طبقة التطبيق.
3.5 آلية ADR
هناك عامل تمديد في تشكيل LoRa ، ولعوامل التمديد المختلفة مسافات إرسال ومعدلات إرسال مختلفة ، وليس لها تأثير على إرسال البيانات.
من أجل توسيع سعة شبكة LoRaWAN ، تم تصميم آلية تكييف معدل LoRa (معدل البيانات التكيفي- ADR) في البروتوكول.ستستخدم الأجهزة ذات مسافات الإرسال المختلفة أسرع معدل بيانات ممكن وفقًا لظروف الإرسال.هذا أيضًا يجعل نقل البيانات بشكل عام أكثر كفاءة.
4. ميزات LoRaWAN
تتميز LoRaWAN بخصائص الإرسال اللاسلكي ، والقدرة القوية على منع التداخل ، والاتصال المشفر ، والتغطية الواسعة ، والاستهلاك المنخفض للطاقة ، والاتصال الكبير ، والتكلفة المنخفضة.
المسافة الطويلة: تحقق LoRa ما يقرب من ضعف مسافة الاتصال للتكنولوجيا الخلوية.
سعة كبيرة: يمكن للعديد من عقد IoT وشبكة LoRaWAN توصيل عشرات الآلاف من العقد بسهولة.
توسيع السعة بسهولة: عندما تحتاج شبكة LoRaWAN إلى زيادة سعتها ، ما عليك سوى إضافة بوابة.
الأمان: LoRaWAN عبارة عن إنترنت أشياء مزدوج التشفير.انها مناسبة لتطبيق المعلومات من عداد الكهرباء.
5. مواصفات بوابة LoRaWAN
5.1 بوابة
5.2 وحدة LoRaWAN
انخفاض استهلاك الطاقة: أقل تيار الاستعداد هو 1.5uA
حساسية عالية: يمكن أن تصل إلى -139dBm @ SF12 / 125KHz
مكافحة التداخل: اتصال تردد تمديد عالي الأداء ، وتصحيح خطأ تشذير الدورة الفعال
قدرة اختراق قوية ، يمكن أن يصل نطاق تغطيتها إلى أكثر من 2 كم.
6. تقرير الاختبار
6.1 اختبار المسافة
على مسافة خطية تبلغ 3.7 كيلومترًا من شركة Wuhan Radarking Electronics Corp. ، تبلغ قوة الإشارة -94 ، و SNR -6.0 ، كما أن حزم بيانات الهوائي والهوائي الخارجي طبيعية.
6.2 اختبار الاختراق في المبنى: تم تثبيت البوابة في بئر العداد في الطابق الخامس عشر من المبنى الرابع للمرحلة الأولى من حديقة Huangjinkou Binjiang.
| تيمبنى est | ||||
| ههوائي خارجي | هوائي مدمج | |||
| قوة الاشارة | سNR | قوة الاشارة | SNR | |
| F32 | -83 | 3 | -90 | -8 |
| -85 | 4 | -90 | -8 | |
| -85 | 1 | -91 | -7 | |
| -85 | 2 | -88 | -8 | |
| -84 | 4 | -91 | -8 | |
| F25 | -85 | 2 | -91 | -5 |
| -87 | 2 | -87 | -6 | |
| -85 | 1 | -90 | -7 | |
| -84 | 1 | -90 | -6 | |
| -85 | 1 | -91 | -5 | |
| F20 | -66 | 9 | -76 | 9 |
| -64 | 9 | -81 | 8 | |
| -66 | 9 | -78 | 9 | |
| -63 | 9 | -77 | 9 | |
| -88 | 9 | -77 | 9 | |
| F10 | -64 | 10 | -73 | 11 |
| -63 | 10 | -72 | 9 | |
| -61 | 9 | -75 | 9 | |
| -62 | 9 | -72 | 9 | |
| -63 | 9 | -72 | 9 | |
| F5 | -84 | 1 | -90 | -7 |
| -88 | 1 | -90 | -5 | |
| -86 | 1 | -90 | -8 | |
| -85 | 1 | -89 | -9 | |
| -88 | 1 | -89 | -10 | |
| F2 / F1 | -78 | 9 | -91 | -9 |
| -88 | -5 | -90 | -8 | |
| -83 | 3 | -89 | -4 | |
| -88 | 1 | -91 | -9 | |
| -89 | -10 | -90 | -7 | |
في الجدول أعلاه ، تكون قوة الإشارة أعلى من -100 ديسيبل (أكبر بكثير من حد حساسية استقبال الوحدة -139 ديسيبل) ، ونسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) أعلى من -10 لتحقيق اتصال موثوق به ثنائي الاتجاه.لذلك ، عندما نقوم بتثبيت البوابة في الطابق الخامس عشر ، يمكن أن تغطي الإشارة 32 طابقًا بالكامل.
6.3 اختبار معدل نجاح تحميل البيانات
شروط الاختبار: 120 مترًا كهربائيًا ، بوابة واحدة (8 قنوات نصف ثنائية الاتجاه)
| وضع الاتصال: بدون تأكيد ، أعد الإرسال مرة واحدة. | |||
| رقم الاختبار | عدد العدادات التي يتم تحميل البيانات بنجاح | معدل النجاح(٪) | وقت التحميل (ثانيًا) |
| 1 | 119 | 99.2 | 154 |
| 2 | 118 | 98.3 | 155 |
| 3 | 120 | 100 | 155 |
| 4 | 120 | 100 | 155 |
| 5 | 118 | 98.3 | 155 |
| 6 | 119 | 99.2 | 155 |
| 7 | 119 | 99.2 | 155 |
| 8 | 120 | 100 | 155 |
| 9 | 120 | 100 | 155 |
| 10 | 120 | 100 | 155 |
| وضع الاتصال: بدون تأكيد ، أعد الإرسال مرتين. | |||
| رقم الاختبار | عدد العدادات التي يتم تحميل البيانات بنجاح | معدل النجاح(٪) | وقت التحميل (ثانيًا) |
| 1 | 120 | 100 | 155 |
| 2 | 120 | 100 | 154 |
| 3 | 120 | 100 | 155 |
| 4 | 119 | 99.2 | 154 |
| 5 | 118 | 98.3 | 159 |
| 6 | 119 | 99.2 | 154 |
| 7 | 118 | 98.3 | 158 |
| 8 | 119 | 99.2 | 158 |
| 9 | 120 | 100 | 154 |
| 10 | 118 | 98.3 | 154 |
يتضح من بيانات الاختبار أعلاه أن 120 مترًا يمكنها تحميل البيانات في غضون 3 دقائق ، ومتوسط معدل النجاح يزيد عن 99٪.
فى الختام:
1. يمكن أن يضمن استخدام الهوائيات المدمجة في المدينة الاتصال العادي في نطاق 2-3 كم ، ويمكن أن يصل استخدام الهوائيات الخارجية إلى مسافات أطول.
2. يمكنها اختراق 10-15 طوابق
3. باستخدام بوابة ثنائية الاتجاه ذات 8 قنوات مع 120 مترًا ، يمكن إتمام نقل موثوق للبيانات في غضون 3 دقائق ، ويمكن لبوابة ثنائية الاتجاه ذات 16 قناة أن تحقق نقلًا موثوقًا للبيانات لأكثر من 200 متر.
يمكن لتقنية LoRaWAN أن تدرك بشكل فعال جمع والتحكم في معلومات عدادات المياه والكهرباء.
اتصل شخص: Mrs. Ada Yang
الهاتف :: 86 15623095278
الفاكس: 86-27-84967521
