LoRaWAN: خيار الاتصال المتفوق للتتبع بعيد المدى والمنخفض الطاقة

1. المقدمة

لقد أحدث ظهور إنترنت الأشياء ثورة في تتبع الأصول، حيث قدم حلولاً مبتكرة لمراقبة وإدارة الموارد بشكل فعال. ومن بين تقنيات الاتصال المتنوعة المتاحة، تبرز شبكة LoRaWAN (شبكة المنطقة الواسعة طويلة المدى) كخيار مثالي للمصانع والموانئ والجامعات ومواقف السيارات والمستشفيات وحتى مشاريع التتبع على مستوى البلاد. تستكشف هذه الورقة مزايا شبكة LoRaWAN، وخاصة في سياق تتبع مواقف السيارات أو المصانع أو المستودعات أو الماشية، وتوضح سبب كونها أفضل تقنية اتصال لمثل هذه المساعي.

2. مزايا LoRaWAN

2.1 التغطية طويلة المدى

تشتهر تقنية LoRaWAN بقدراتها الواسعة على التغطية، والتي تمتد لعدة كيلومترات. وهذا مفيد بشكل خاص لمواقف السيارات حيث قد تنتشر السيارات عبر مناطق كبيرة، بما في ذلك المباني والمساحات المفتوحة والمواقع النائية. تضمن القدرة على تغطية مسافات طويلة أن تتمكن أجهزة التتبع من التواصل بشكل فعال مع البوابات، بغض النظر عن موقعها.

مسافة الاتصال بجهاز تعقب شارة Lansitec:
· 5 كم @SF9 مع عدد قليل من المباني والغابات بين البوابة والمتعقب.
· 19 كم @SF9. تقع البوابة على مبنى بارتفاع 30 مترًا على الساحل، ويوجد جهاز التعقب على متن سفينة

بوابة بلوتوث الشمسية:
· 3 كم @SF9 مع عدد قليل من المباني والغابات بين البوابة والمتعقب.

يمكن زيادة المسافة عن طريق زيادة SF إلى 10، أو 11، أو 12.
لمعرفة المزيد عن تغطية LoRaWAN، يرجى الرجوع إلى "ما هي العوامل المؤثرة على نطاق LoRaWAN في إنترنت الأشياء؟?”

تجعل ميزة التغطية طويلة المدى شبكة LoRaWAN مثالية لمشاريع التتبع التالية:
· تتبع المركبات والمفاتيح في مواقف السيارات الخاصة بالوكلاء
· تتبع الصيادين والعاملين في عرض البحر

2.2 استهلاك منخفض للطاقة

من بين المزايا المهمة لشبكة LoRaWAN انخفاض استهلاكها للطاقة. يمكن للأجهزة التي تستخدم شبكة LoRaWAN العمل لفترات طويلة بشحنة بطارية واحدة أو بطارية صغيرة غير قابلة للشحن، وهو أمر بالغ الأهمية لتتبع التطبيقات حيث يكون استبدال البطاريات بشكل متكرر غير عملي. تعمل هذه الميزة على تقليل تكاليف الصيانة وتضمن المراقبة المستمرة للأفراد والسيارات والأصول دون انقطاع.

كما أن التيار المنخفض للإرسال والاستقبال مقارنة بالشبكة الخلوية يقلل أيضًا من متطلبات خرج البطارية، وبالتالي يكون لدينا المزيد من خيارات البطارية.

وحدة التحكم الدقيقة: nRF52832
لورا RF: SX1262
SF9
حجم البيانات: 9 بايت
رسالة مؤكدة
متوسط تيار الإرسال للنظام: 110.78 مللي أمبير
متوسط تيار الاستقبال للنظام: 4.97 مللي أمبير
إجمالي استهلاك الطاقة: 16.01 ميكرو كولوم، 0.00445 مللي أمبير في الساعة

2.3 فعالية التكلفة

تعد شبكة LoRaWAN حلاً ميسور التكلفة لتتبع الأصول. لا تتطلب هذه التقنية بنية تحتية باهظة الثمن، مما يجعلها متاحة لجميع المشاريع ذات الميزانيات المحدودة. وهي تستخدم نطاق ISM، وهو مجاني للاستخدام في جميع أنحاء العالم حتى يتمكن الجميع من بناء شبكة LPWAN الخاصة بهم.

تتمتع شبكة LoRaWAN بتكاليف تشغيل منخفضة، مثل استبدال البطاريات بشكل بسيط، وتوفر بوابات LoRaWAN وخوادم الشبكة (NS) المختلفة بتكاليف مختلفة، فضلاً عن رسوم نقل البيانات المنخفضة، مما يعزز من فعاليتها من حيث التكلفة. تحتوي بعض بوابات LoRaWAN على خادم شبكة مدمج، وهو مثالي للمشاريع الصغيرة.

بالإضافة إلى ذلك، يمكننا العثور على خيارات إضافية لموردين مختلفين، بما في ذلك مصنعي الأجهزة وموفري NS وAPP في LoRa Alliance، لتحسين حلنا.

2.4 تنوع الشبكة

من بين الفوائد المهمة لـ LoRaWAN أنه يمكن لأي شخص إنشاء شبكة LoRaWAN محلية أو قائمة على السحابة لأنواع مختلفة من المشاريع. بالإضافة إلى الشبكة الخاصة، يمكن للمستخدمين الاستفادة من الشبكات الوطنية الموجودة في دول مثل فرنسا وبلجيكا وهولندا. توفر هذه الشبكات القائمة تغطية شاملة وبنية أساسية للأجهزة التي تدعم LoRaWAN.

بالنسبة لأولئك الذين يسعون إلى اتباع نهج أكثر لامركزية، تقدم شركة Helium بديلاً مثيرًا للاهتمام. تعمل شبكة Helium على نطاق عالمي، وتعتمد على شبكة موزعة من النقاط الساخنة التي يديرها مستخدمون فرديون. يسمح هذا النموذج اللامركزي بتغطية أوسع ومرونة أكبر، مما يجعله خيارًا جذابًا لتطبيقات إنترنت الأشياء (IoT) في جميع أنحاء العالم.

توفر اتصالات LoRaWAN القائمة على الأقمار الصناعية طريقة أخرى لتتبع الماشية والمركبات والحاويات. وهي تتضمن بعض الميزات الفريدة:

التغطية العالمية: تضمن الاتصال عبر الأقمار الصناعية أن تتمكن أجهزة LoRaWAN من الاتصال من أي مكان تقريبًا على الأرض، حتى في المناطق النائية أو الريفية ذات البنية التحتية المحدودة للشبكة الأرضية.
قابلية التوسع: يمكن لشبكات الأقمار الصناعية LoRaWAN استيعاب عدد كبير من الأجهزة، مما يجعلها مناسبة لنشر إنترنت الأشياء على نطاق واسع.
فعالة من حيث التكلفة: غالبًا ما توفر حلول الأقمار الصناعية LoRaWAN بديلاً أكثر فعالية من حيث التكلفة لتقنيات الاتصالات عبر الأقمار الصناعية التقليدية.
مصداقية: توفر الاتصالات عبر الأقمار الصناعية مستوى عاليًا من الموثوقية والمرونة، حتى في البيئات الصعبة.

يمكن للمستخدمين أيضًا استخدام الاتصالات من نظير إلى نظير (بالإضافة إلى LoRaWAN) في الحالات التي لا تتطلب سوى عدد قليل من الأجهزة وشبكة مبسطة، مثل نظام تنبيه الصيادين وتتبعهم.
لذا، فإن شبكة LoRaWAN مرنة، ويمكن أن تكون صغيرة مثل سفينة لتتبع البحارة والصيادين، أو على مستوى البلاد لتتبع حاويات, المنصات، وأصول الإيجار.

2.5 سعة الشبكة

لا تشكل سعة الشبكة مشكلة في أغلب أنظمة المراقبة لأن معدل تكرار التقارير منخفض، من دقائق إلى ساعات، أو قد يكون ناتجًا عن حدث. ومع ذلك، في مشروع التتبع، يرغب المستخدمون في تتبع الأصول أو الأفراد من كل بضع ثوانٍ إلى دقائق.

مثال 1:

جهاز تعقب GNSS: 750 قطعة
فترة التقرير: 5 دقائق
حجم البيانات: 9 بايت
معدل سعة بوابة LoRaWAN SF7 هو 3.6%
SF8، معدل سعة بوابة LoRaWAN هو 7%
معدل سعة بوابة LoRaWAN SF9 هو 14%

لتحقيق أقصى قدر من سعة الشبكة وتقليل فقدان الحزمة، من الأفضل الحفاظ على معدل السعة أقل من 15%.

مثال 2:

جهاز تعقب GNSS: 50 قطعة
فترة التقرير: 15 ثانية
حجم البيانات: 9 بايت
معدل سعة بوابة LoRaWAN SF7 هو 5%
معدل سعة بوابة LoRaWAN SF8 هو 10%
معدل سعة بوابة LoRaWAN SF9 هو 20%

للحصول على تقييم مفصل لسعة الشبكة، يرجى الرجوع إلى "تقييم سعة شبكة LoRaWAN ذات 8 قنوات"، PN: 511-00054.

كما يمكننا أن نستنتج من المثالين 1 و2، فإن سعة شبكة LoRaWAN هي دالة لكثافة بواباتها. يحدد عامل الانتشار (SF) وحجم البيانات وعرض النطاق الترددي سعة شبكة ذات بوابة واحدة. يمكننا أيضًا توسيع سعة الشبكة عن طريق إضافة المزيد من قنوات الاتصال: من 8 إلى 16 قناة اتصال صاعد في EU868 أو من 8 إلى 16 أو أكثر (حتى 64) في US915 وAU915 وCN470. يمكن أيضًا زيادة السعة عن طريق إضافة المزيد من بوابات LoRaWAN.

ل بوابات البلوتوث إن استخدام أجهزة استشعار ثابتة، باستخدام آلية معدل البيانات التكيفي (ADR) أمر ضروري. والهدف الرئيسي من ADR هو توفير طاقة البطارية لعقد نهاية LoRaWAN. إن جعل العقد النهائية الأقرب إلى البوابة ترسل باستخدام أقل عامل انتشار يقلل من وقتها على الهواء ويطيل عمر بطاريتها. أما أجهزة الاستشعار الأكثر بعدًا فترسل عند عامل انتشار أعلى. يتم إجراء مقايضة بين طاقة البطارية والمسافة، نظرًا لأن عامل الانتشار الأعلى يسمح للبوابة بالاتصال بأجهزة أبعد

ومع ذلك، بالنسبة لجهاز التتبع المحمول، فمن الأفضل استخدام معدل بيانات ثابت لتوفير الطاقة أثناء تجواله على مسافات مختلفة إلى بوابة LoRaWAN. كما يحافظ معدل البيانات الثابت على اتصال مستقر لجهاز محمول، أي أجهزة التتبع.

2.6 التجوال والتنقل

في شبكة LoRaWAN، لا يتم توصيل العقد الطرفية ببوابة محددة. وبدلاً من ذلك، يتم عادةً استلام البيانات التي يتم إرسالها بواسطة عقدة بواسطة بوابات متعددة وإعادة توجيهها إلى خادم الشبكة المركزي، حيث يتم التحقق من الرسائل وإعادة توجيهها بشكل آمن إلى التطبيق. يتم نقل الذكاء والتعقيد إلى خوادم الشبكة التي تدير الشبكة والتي ستقوم بتصفية الحزم المكررة المستلمة، وإجراء فحوصات الأمان، وجدولة الإقرارات من خلال البوابة المثلى، وتنفيذ معدلات البيانات التكيفية، والمزيد. إذا كانت العقدة متنقلة أو متحركة، فلا توجد حاجة لتمرير التحكم من بوابة إلى أخرى، وهي ميزة أساسية تسمح بتطبيق تتبع الأصول.

2.7 أمان عالي

يعد الأمان من أهم الأمور في أي مشروع تتبع، وخاصة عند التعامل مع البيانات الحساسة. يستخدم LoRaWAN معايير تشفير قوية، مثل AES-128، لضمان أمان البيانات المنقولة بين الأجهزة والبوابات وحمايتها من الوصول غير المصرح به. يعد هذا المستوى العالي من الأمان ضروريًا للحفاظ على سلامة وسرية معلومات التتبع.

2.8 حجم الحمولة ومعدل البيانات والزمن الكامن

توفر شبكة LoRaWAN ملف تعريف متعدد الاستخدامات لنقل البيانات مع أقصى حمولة للتطبيق تتراوح من 11 إلى 242 بايت (حسب نطاق التردد وعامل الانتشار)، ومعدلات بيانات تتراوح من 255 بت في الثانية إلى 50 كيلوبت في الثانية، ووقت استجابة يقاس عادةً بالثواني حسب إعداد RECEIVE_DELAY). في حين أن هذه المعلمات قد لا تتجاوز دائمًا NB-IoT أو CAT-M أو Cat-1 في كل جانب، إلا أنها مناسبة تمامًا للعديد من تطبيقات التتبع.

3. دراسات الحالة والتطبيق العملي

3.1 السيارات والمفاتيح في مواقف السيارات لدى الوكلاء

حلول Lansitec B-Mobile® يجمع هذا التطبيق بين إشارات البلوتوث وبوابة البلوتوث مع شبكة LoRaWAN لتوفير إمكانيات تتبع سلسة للسيارات والمفاتيح. وإليك كيفية عمله:

منارات البلوتوث:يمكن ربط هذه الأجهزة الصغيرة بالمفاتيح وتعليقها على مرايا الرؤية الخلفية. وهي تعلن عن وجودها باستمرار.
بوابات البلوتوث:تكتشف بوابات البلوتوث الموضوعة بشكل استراتيجي هذه الإشارات عندما تدخل في النطاق. ثم تنقل هذه البوابات بيانات الإشارات (الرئيسية والثانوية وحالة البطارية وRSSI) عبر شبكات LoRaWAN.
لوراوان:يوفر تتبعًا واسع النطاق ومنخفض الطاقة. مع نطاق يصل إلى 5 كم في المناطق الحضرية وأكثر من 20 كم في البيئات الريفية، تغطي بوابات LoRaWAN مناطق كبيرة. يضمن تعديل Chirp Spread Spectrum القدرة على مقاومة التداخل.

فوائد

تحسين تجربة العملاء:يساعد التتبع في الوقت الفعلي على تحسين خدمة العملاء أثناء عمليات التدقيق والتفاعلات.
بطارية طويلة العمر لجهاز Bluetooth Beacon:يمكن أن تستمر إشارات البلوتوث لأكثر من 5 سنوات، مما يضمن التتبع المستمر.
بوابة البلوتوث الشمسية: يمكن لجهاز استقبال البلوتوث على بوابة البلوتوث استقبال الإشارات القريبة بشكل مستمر والإبلاغ عنها إلى شبكة LoRaWAN على الفور. يتيح استهلاك الطاقة المنخفض لبوابة البلوتوث الاستغناء عن الصيانة.

3.2 تتبع الحاويات

يمكن للمستخدمين نشر بوابات LoRaWAN على المنافذ بين الجزر والمصانع والمستودعات لتوفير اتصال سلس.

تتبع الحاويات: لانسيتك متتبع حاويات LoRaWAN يوفر رؤية في الوقت الفعلي أثناء النقل بين الجزر. ستعرف دائمًا مكان حاوياتك، سواء على السفن أو الشاحنات أو في ساحات التخزين.
قم بربط هذه الأجهزة بالمنصة أو الآلات أو الأصول الأخرى في المصانع والمستودعات. راقب الحركة، وحسّن سير العمل، ومنع الفقد أو السرقة.
مراقبة استخدام الماكينة: تتبع أنماط استخدام المعدات. تحديد الآلات المعطلة أو اكتشاف الشذوذ في التشغيل.
إدارة الأصول: سواء كان الأمر يتعلق بأدوات أو قطع غيار أو مخزون قيم، يعمل هذا الجهاز على تبسيط إدارة الأصول باستخدام البلوتوث ونقل المعلومات عبر LoRaWAN.

3.3 تتبع العمال

يمكن استخدام جهاز تعقب الشارات ومستشعر الخوذة من Lansitec لتتبع العمال في موقع بناء أو منصة نفطية أو محطة طاقة الرياح على البحر.

متتبع الشارة

تم تصميم جهاز تتبع الشارة Lansitec استنادًا إلى تقنية GNSS وBluetooth 5.0 وLoRa. وهو يدعم التتبع الداخلي والخارجي. تُستخدم الشارة بشكل أساسي لإدارة الأفراد والأصول.
يمكن استخدام مسرع ثلاثي المحاور المدمج لتحديد حالة حركة الجهاز. وبالتالي، يمكن أن يساعد في توفير البطارية وتحسين تجربة المستخدم.

عرض المنتج

مستشعر الخوذة

تم تصميم مستشعر الخوذة Lansitec استنادًا إلى تقنية GNSS وBluetooth5.0 وLoRaWAN. وهو يدعم التتبع الداخلي والخارجي.
يدعم ميزات متنوعة تساهم في تسهيل الإدارة في البيئات الصناعية. يمكن استخدام مسرع ثلاثي المحاور المدمج لتحديد حالة حركة الجهاز. وبالتالي، يمكن أن يساعد في توفير البطارية وتحسين تجربة المستخدم.

عرض المنتج

3.4 تتبع UWB عالي الدقة

يمكن استخدام LoRaWAN لمزامنة البيانات ونقلها في نظام تتبع عالي الدقة UWB. يمكن تشغيل المراسي المنتشرة على مسافة 20 إلى 30 مترًا من بعضها البعض بالبطارية لأكثر من 5 سنوات مع الاستفادة من استهلاك الطاقة المنخفض لـ LoRaWAN. تقوم أجهزة التتبع التي تعمل بتقنية LoRaWAN وUWB بإرسال معلومات المسافة إلى بوابة LoRaWAN حتى يتمكن الخادم من حساب موقعه.
في حل تتبع UWB المستند إلى LoRaWAN، يتم تشغيل كل من المراسي وأجهزة التتبع بالبطارية، مما يقلل بشكل كبير من جهد صيانة النشر.

لا تتردد في الاتصال بنا للحصول على مزيد من المعلومات حول حل تتبع UWB المستند إلى LoRaWAN.

4. الخاتمة

تبرز تقنية LoRaWAN كأفضل تقنية اتصال لمشروع تتبع إقليمي نظرًا لتغطيتها طويلة المدى واستهلاكها المنخفض للطاقة وفعاليتها من حيث التكلفة وأمانها العالي. من خلال الاستفادة من تقنية LoRaWAN، يمكن لمواقف السيارات والموانئ البحرية والمستشفيات ومواقع البناء مراقبة وإدارة أصولها بفعالية، مما يضمن تعزيز الأمن والكفاءة التشغيلية.