How do Wireless Sensors use LoRaWAN?

ワイヤレス センサーは LoRaWAN をどのように使用しますか?

Tom Yao

LoRaWAN は Long Range Wide Area Network として定義されており、LPWAN の進歩と信頼性の高い長距離ネットワーク機能に対する IoT の必要性から派生したLoRa テクノロジです。

LoRaWAN は、 IoT デバイスをネットワークに接続して、最小限のバッテリ電力で長距離にわたって情報データ セットを通信するワイヤレス通信規格と見なされています。効率に対する消費者と業界の要求は、より多くのデバイスがより効果的に提供されるように要求されるようになるにつれて、 LoRaWAN センサーの拡張率、ワイヤレス センサーまたは IoT センサーのアプリケーションの成長率を決定します。

ワイヤレス センサー ネットワークと IoT センサーの背後にある考え方は複雑だと考えられていますが、情報を分解し、クリーンでシンプルな方法で再配信します。

LORA と LORAWAN の違いは何ですか?

LoRa と LoRaWAN は、別の用語と同じ意味で使用されることが多い技術用語ですが、定義上は同じではありません。それらは異なります。その方法を説明します。

ローラとは?

LoRa は単独で Long Range を表し、物理 (PHY) または第 1 層の標準と見なされます。 Radio Bridge の LoRa デバイスとワイヤレス無線周波数技術は、世界中 の IoT センサーとネットワークのワイヤレス標準となった長距離低電力プラットフォームです。

LoRa テクノロジは、エネルギー効率、公害防止、インフラストラクチャの生産性、災害防止、その他多くのアプリケーションなど、世界的な課題を解決することを使命とするスマート IoT アプリケーションの展開を可能にします。 LoRa は、独自のシステムを介して送信する前に情報をエンコードするためにマルチシンボル チャープ フォーマットを使用して無線信号を送信するための物理的な実装を指します。これは LoRaWan とは少し異なります。

ロラワンとは?

一方、LoRaWAN は LoRa を使用し、後にアプリケーション標準で構成される追加の MAC を含みます。 LoRaWAN は、同じではありませんが、3G、Bluetooth、GSM、LTE などのカテゴリに配置できる一般的なワイヤレス通信規格です。 LoRaWAN は、スマートフォンと同等またはそれ以上の通信範囲、Wi-Fi の柔軟性、腕時計に匹敵するバッテリー寿命を備え、費用はわずか数ドルです。 LoRaWAN には、 IoT センサーおよびデバイスの魅力的な標準となる多くの望ましい機能があります。

LoRaWAN の主な特徴は何ですか?

LoRaWAN は物理的な LoRa レイヤーに根ざしており、生の最大データ レートは 27 kbpsです。 LoRaWAN ワイヤレス センサーの低電力長距離機能を考えると、単一のセンサーまたはワイヤレス IoT センサーのネットワークは、メンテナンスが必要になるまで約 10 年間電力を供給し続けることができます。 LoRaWAN の主な機能は次のとおりです。

・双方向

・電池寿命が長い(最長10年)

・ 低価格

· 低データ レート (0.27bps – 50kbps、1 日平均 10 kB)

・長距離(市街地5km以内、郊外10km以内、VLOS80km以内)

· 無認可スペクトルで動作

・セキュア(AES暗号化)

ロラワンはどこで使われていますか?

上で述べたように、LoRa では 3 つの L を使用できます。そのうちの 2 つは肯定的で、3 つ目は主観的です。低電力、長距離、低データ レートにより、ワイヤレス センサーやその他のLoRa テクノロジは、いくつかの業界で多くの使用例を持つことができます。ガス/電気/水道のワイヤレス センサーメータリングは、現在の使用情報を 1 日に数回送信できます。一方、SMART パーキングは、駐車場が満車または満車になったときにメッセージを送信するように構成でき、ケーブル配線が不要で、メンテナンスも少なくて済みます。

LoRa テクノロジーは SMART 照明にも見られ、街灯の状態と動作を観察することで交通の流れを制御および最適化します。環境モニタリングは、湿度、汚染、放射線、音、温度などの観察に使用されます。このタイプの使用は、地理位置情報と組み合わせると重要な洞察を確立できます。

このタイプのテクノロジーは、制御ライト、ロックなどの特定の資産のステータスと場所を報告することにより、資産管理の目的にも役立ちます。追跡業界は、商品、配送車両、およびパッケージのステータスと配送を合理化し、効果的に追跡できます。ルートアラート。ヘルスケアは、LoRa ネットワークの利点を理解する立場にあります。

病院や介護施設での活動検出センサーや転倒監視センサーについて考えてみてください。充電は不要で、長持ちし、強力なネットワーク カバレッジを備えています。

ロラワンはどのように機能しますか?

簡単にするために、LoRaWAN ネットワークは主に次の図で説明できます。

デバイス<–>LoRa ラジオ <–>ゲートウェイ<–>ネットワーク サーバー <–>エンド アプリケーション

直線的でシンプルですが、紛らわしく神秘的です。これはどのように機能し、何を意味するのでしょうか?アップストリーム メッセージ (デバイスから送信されたデータ) は暗号化され、伝送を通じて LoRa 無線で送信されます。メッセージは 1 つ以上のゲートウェイによって受信され、ゲートウェイは暗号化されたデータをネットワーク (通常は IP セルラー/イーサネット) 経由でネットワーク サーバーに転送します。ネットワーク サーバーは、デバイスを認証し、LoRaWAN ペイロードを復号化するソフトウェアです。次に、サーバーはデータ パケットを適切なエンド アプリケーションに配信します。

このプロセスは逆に発生することもあり、より適切に説明すると、メッセージをダウンストリームに送信して、アプリケーションがエンド デバイスを再構成できるようにすることができます。これは、LoRa は低エネルギーを使用するように設計されているため、着信データ伝送をリッスンするときに一部のデバイスが制限されることを意味します。この要因は、次のセクションで説明するようにデバイスに依存します。

LORAWANワイヤレスセンサーデバイスとは?

LoRaWAN センサー デバイスは、情報データを送信または受信するものであり、通常、ワイヤレス センサー、検出器、アクチュエータなどのデバイスによって実行されます。これらのデバイスには 3 つのクラスがあり、本質的に前のクラスからステップアップしています。

たとえば、クラス A デバイスは、アップリンク メッセージを送信した後、小さなウィンドウの間にのみメッセージを受信でき、その後、新しいメッセージを受信できない低電力スリープ状態に戻ります。

クラス B は A に似ていますが、所定の間隔に従って着信メッセージをリッスンできます。

クラス A および B とは異なり、クラス C はスリープ モードに入ることなく新しい受信メッセージを継続的にリッスンできます。

LoRaWAN 標準では、MAC メッセージングとデータ メッセージングの 2 つの異なるメッセージ タイプが使用されます。 MAC メッセージは、無線およびネットワーク メッセージを制御するコマンドとして使用されます。データ メッセージは、送受信される実際のペイロードであり、アプリケーションまたはデバイス固有です。これらのセンサーのメッセージング機能は限られているため、MAC コマンド/メッセージはピギーバックのようにデータ メッセージと一緒に乗ることができ、一度に多数の MAC メッセージをリリースできます。

LORAラジオとは?

LoRa は無線周波数 (RF) 信号を使用して、免許不要の ISM スペクトルで通信および動作します。これは、米国の FCC によって決定された規制に従っている限り、誰でもこの帯域を使用することができることを意味します。 LoRa は ISM (産業、科学、医療) 帯域で動作しますが、ISM フィールド内の範囲は地理的な地域によって大きく異なります。

LoRa は、指定されたワイヤレス センサーに次の地理的周波数内で必要な範囲とデータ レートを提供します。これらの違いにより、米国のデバイスとゲートウェイは、ヨーロッパまたはオーストラリアのデバイスと互換性がありません。 LoRa がデータの信頼性を向上させるために使用する手法はいくつかありますが、最も重要な 2 つの手法は、スペクトラム拡散と適応データ レート (ADR) です。

スペクトラム拡散:もともと軍用アプリケーション向けに開発されたもので、ノイズやジャミングによる干渉への耐性を高めます。生の情報を取得することでこれを行い、より大きな周波数に分散します。

ADR:これにより、データ レートと送信電力を増強して、信号品質の機能とゲートウェイまでの距離を調整できます。低速の送信では拡散係数が高くなり、より長く信頼性の高い範囲が実現されます。

LORAゲートウェイとは?

ゲートウェイは、アクセス ポイントまたはモデムと考えることができます。範囲内のデバイスから送信されたすべての LoRa 無線メッセージを受信して​​います。ゲートウェイにネットワーク サーバーが組み込まれている場合は、データ ペイロードをローカルで処理します。ネットワーク サーバーがクラウドにある場合、ゲートウェイは暗号化されたパケットをサーバーに中継するだけです。

ネットワークサーバーは何をしますか?

LoRa ゲートウェイは、送信されたデータ パケット (メッセージ) を受信すると、LoRaWAN ネットワークの最もインテリジェントで洗練された領域と見なされるネットワーク サーバーまで上流に進みます。ネットワーク サーバーは、次のようなさまざまなタスクのリストを実行する役割を果たします。

· LoRa ペイロード データの復号化

· ネットワークと通信するためのデバイスのプロビジョニング

· ネットワークおよびセンサー範囲内のすべてのLoRaWAN ゲートウェイからの着信メッセージをグループ化します。

· 受信データを適切なエンド アプリケーションに転送/転送します。

· ゲートウェイへの LoRa 無線設定を調整します。

· 複数のゲートウェイがある場合、その特定のデバイスのダウンリンク メッセージに対して、範囲内で最適なゲートウェイが選択されます。

· データ バッファリング: クラス A または B の LoRa デバイスが構成中に指定されたメッセージを受信できるようになるまで、ダウンリンク データ (メッセージ) を保存します。

· 単一のデバイスから送信された重複したメッセージ/データをフィルタリング/排除し、受信ゲートウェイによってデバイスが不明な複数のゲートウェイに表示されます。区別がないため、複数のゲートウェイが同じデータを受信できます。

· ゲートウェイとデバイスを評価/監視します。

ほとんどの場合、ネットワーク サーバーは、特定の ID とポートからのメッセージを、指定または事前定義されたアプリケーションに送信します。これは通常、Web サービス (HTTP(S)) に送信するか、MQTT キューに配置して、決められた間隔で適切な場所に送信することによって発生します。

アプリケーションの終了とは何を意味しますか?

LoRa ネットワークでのデータ送信の最終ステップは、実際のエンド アプリケーションに送信されるデータです。これは、メーカーと開発者が、使用されているアプリケーションに関連するデバイスが受信したメッセージを解析するためのコードを作成する場所です。これは、生データがエンドユーザーの解釈のために消化可能な情報に組み立てられる場所です。

これらの領域が互いにどのように機能するかを視覚的に比較できるように、フロー ダイアグラムを簡略化しました。

最後に、セキュリティについて考えます。ネットワーク自体は、受信したデータがネットワーク インフラストラクチャに関連する場合やネットワーク自体に関連する場合を除き、解釈できる必要はないためです。ネットワーク セッション キー (NwkSKey) は、MAC コマンドが送信された場合にメッセージとペイロードを暗号化します。このキーはメッセージに署名し、ネットワークが送信者の身元を確認できるようにします。

2 番目のキーはアプリケーション セッション キー (AppSKey) と呼ばれ、ペイロード (実際のデータ) の暗号化を担当します。メッセージを必要な場所に転送するために、ネットワーク サーバーによって認識または認識される必要はありません。次に、アプリケーション サーバーはメッセージを復号化し、同じキーを使用して情報を抽出します。

LoRa ネットワークに参加するには、2 つの安全な方法があります。これらは、Activation by Personalization (ABP) および Over the Air Activation (OTAA) と呼ばれます。これにより、LoRaWAN デバイスがネットワークに接続する方法が決まりますが、上で詳述したように、アップストリームとダウンストリームの通信フローは関係しません。

投稿時間: 2022 年 5 月 10 日