اینترنت اشیا IoT یک فناوری واحد نیست، بلکه مجموعه‌ای از راهکارها، پروتکل‌ها و فناوری‌های متنوع است که طیف گسترده‌ای از حوزه‌ها را پوشش می‌دهد و در بخش‌های مختلفی از جمله شبکه، سخت‌افزار، طراحی سامانه، نرم‌افزار و تحلیل داده به‌کار گرفته می‌شوند. برای اینکه یک سیستم اینترنت اشیای پیشرفته و قابل‌اتکا ایجاد شود، هر کدام از این فناوری‌ها باید به‌مرور زمان توسعه می‌یافتند. این رشد معمولاً در پاسخ به چالش‌هایی است که در مسیر کاربردی‌سازی IoT به‌وجود آمده‌اند.در اینجا، فناوری‌هایی مانند LPWAN (شبکه‌های کم‌مصرف با برد بلند) معرفی شده‌اند که قابلیت انتقال داده با مصرف بسیار پایین انرژی را برای دستگاه‌ها ایجاد می‌کنند. LoRaWAN یکی از شناخته‌شده‌ترین استانداردهای LPWAN است. اما باید توجه داشت که LoRaWAN و LPWAN یکی نیستند. در واقع LPWAN یک دسته‌بندی کلی از فناوری‌های ارتباطی کم‌مصرف است و پروتکل لورا (LoRa) یا شبکه LoRaWAN یکی از پروتکل‌های محبوب و پرکاربرد در این گروه به‌شمار می‌رود.
چالش‌های مصرف انرژی در دستگاه‌های IoT
یکی از اولین و مهم‌ترین چالش‌ها در اوایل ظهور اینترنت اشیا، مصرف انرژی بود. بسیاری از دستگاه‌های مبتنی بر IoT در محیط‌هایی استفاده می‌شوند که دسترسی به برق محدود است، بنابراین نیاز به فناوری‌هایی بود که با مصرف برق بسیار کم، بتوانند اطلاعات را به‌صورت بی‌سیم ارسال و دریافت‌کنند.
بخوانید: پیاده‌سازی دستگاه‌های اینترنت اشیا با پروتکل مدباس
برای مثال:
- ردیابی کالاها در انبار: دستگاه‌ها باید همیشه همراه کالاها حرکت کنند و اطلاعات موقعیت را ارسال‌کنند.
- نصب روی وسایل نقلیه سبک یا موتورسیکلت‌ها: این وسایل فضای کمی دارند و توانایی حمل باتری‌های بزرگ را برای شارژدهی دستگاه‌ها ندارند.
- سنسورهای محیطی ثابت: مثل حسگرهای رطوبت در زمین‌های کشاورزی، حسگرهای کیفیت آب در استخرهای پرورش ماهی یا کنتورهای هوشمند گاز که در مناطق وسیعی پراکنده‌اند. دسترسی به این دستگاه‌ها برای شارژ یا تعویض باتری دشوار است.
دلیل نیاز به فناوری‌های کم‌مصرف مثل LoRaWAN و شبکه سلولی LPWAN
در بسیاری از مناطقی که از اینترنت اشیا ioT استفاده می‌شود، سنسورها به برق مستقیم دسترسی ندارند و نمی‌توان آن‌ها را با کابل به منبع تغذیه وصل کرد. بنابراین تنها راه تأمین انرژی آن‌ها، استفاده از باتری است. اما شارژ مداوم یا تعویض باتری‌ها، مخصوصاً زمانی‌که تعداد دستگاه‌ها زیاد است یا در مکان‌های دورافتاده نصب شده‌اند، هزینه‌بر و دشوار است. برای اینکه این دستگاه‌ها بتوانند تا چند سال بدون نیاز به تعویض باتری کار کنند، باید در زمان ارسال داده یا اتصال به شبکه، کمترین میزان برق را مصرف کنند.
بخوانید: گیت وی مدباس سپهر، راهکاری صنعتی و دارای باتری کم‌مصرف
انتخاب بین لوراون LoRaWAN و شبکه سلولی LPWAN
پیش‌تر درباره روش‌های افزایش عمر باتری دستگاه‌های اینترنت اشیا صحبت‌کرده‌ایم. اما یکی از مهم‌ترین راهکارهایی که متخصصان شبکه برای حل این مشکل ارائه داده‌اند، استفاده از شبکه‌های گسترده با مصرف انرژی پایین است که با نام LPWAN شناخته می‌شوند. این فناوری‌ها با هدف کاهش حداکثری مصرف انرژی طراحی شده‌اند، اما انتخاب بین آن‌ها چندان ساده نیست. در حال حاضر، دو فناوری رایج از خانواده LPWAN وجود دارد:
- LoRaWAN یا پروتکل لورا
- شبکه‌های مخابراتی مبتنی بر NB-IoT یا LTE-M
اگر در پروژه شما قرار است دستگاه‌ها با باتری کار کنند، این سوال مطرح می‌شود:
کدام یک از این دو فناوری برای شما مناسب‌تر است؟
برای پاسخ به این سوال، در ادامه مقایسه‌ای ساده و خلاصه از این دو فناوری ارائه داده‌ایم که شامل مزایا، محدودیت‌ها و کاربردهای اصلی آن‌هاست.
لوراون چیست؟ آیا راه‌اندازی LORAWAN ارزش دارد؟
LoRaWAN یا پروتکل لورا یک فناوری ارتباطی بی‌سیم است که برای ارسال و دریافت داده‌ها از باند فرکانسی رایگان یا «بدون نیاز به مجوز» (Unlicensed Band) استفاده می‌کند؛ یعنی برای استفاده از این باند فرکانسی، نیازی به گرفتن مجوز یا پرداخت هزینه به نهادهای دولتی نیست.
بخوانید: لورا و لوراون چیست؟
در مقابل، اپراتورهای شبکه مخابراتی مانند همراه اول، ایرانسل یا رایتل که مبنای کار LPWAN می‌باشد، از باندهای فرکانسی دارای مجوز استفاده می‌کنند. این باندها بخشی از طیف امواج الکترومغناطیسی هستند که توسط سازمان تنظیم مقررات و ارتباطات رادیویی (مانند ITN) مدیریت و واگذار می‌شوند. این اپراتورها برای دریافت «حق انحصاری» استفاده از این باندهای خاص، مبلغی را به دولت پرداخت می‌کنند و در قبال آن موظف‌اند استانداردها، سیاست‌ها و قوانین مشخصی را رعایت کنند.
فناوری LoRaWAN یا پروتکل لورا برخلاف شبکه‌های سلولار کم‌مصرف مثل NB-IoT، ساختار متمرکز ندارد. یعنی کنترل این شبکه‌ها در دست یک اپراتور یا نهاد مرکزی (مثل شرکت‌های مخابراتی) نیست. این موضوع باعث‌شده تا افراد یا سازمان‌ها بدون اینکه وابسته به زیرساخت‌های اپراتورهای بزرگ باشند. بتوانند به‌طور مستقل شبکه مخصوص به خودشان را راه‌اندازی کنند.
مزایای LoRaWAN و پروتکل لورا
غیرمتمرکز بودن لوراون LoRaWAN می‌تواند یک نقطه‌ضعف هم باشد؛ چون ممکن است شبکه‌هایی که به‌صورت مستقل راه‌اندازی می‌شوند، از نظر پایداری، کیفیت خدمات یا پشتیبانی فنی به‌اندازه شبکه‌های متمرکز و حرفه‌ای، مورداعتماد نباشند. به‌طور خلاصه، LoRaWAN یا پروتکل لورا آزادی عمل بیشتری می‌دهد، ولی در عوض مسئولیت نگهداری و مدیریت شبکه هم بر عهده خودتان خواهد بود در ادامه به برخی از مزایای مهم پروتکل LoRaWAN اشاره می‌کنیم:
یکی از مزیت‌های اصلی این فناوری، هزینه پایین راه‌اندازی آن است. چون برای استفاده از LoRaWAN نیازی به پرداخت هزینه‌های مربوط به مجوز طیف فرکانسی یا استفاده از زیرساخت اپراتورهای مخابراتی نیست، می‌توان با صرف هزینه‌ای کمتر، یک شبکه مستقل راه‌اندازی کرد.
از آن‌جا که LoRaWAN یک فناوری غیرمتمرکز است و به شرکت یا اپراتور خاصی وابسته نیست، کاربران می‌توانند شبکه‌ی دلخواه و موردنیاز خود را طراحی و پیاده‌سازی کنند. البته باید درک کافی از نحوه ساخت و راه‌اندازی یک شبکه بی‌سیم از پایه داشته باشید.
این فناوری تاکنون بیشتر در حوزه‌هایی موفق عمل کرده که دستگاه‌های اینترنت اشیا در یک وضع ثابت قرار‌گیرند، مثل سنسورهای محیطی داخل ساختمان‌ها یا کنتورهای هوشمند برق و گاز. این نوع سنسورها نیازی به جابه‌جایی ندارند و برای راه‌اندازی LoRaWAN بسیار مناسب هستند.
چالش‌های لوراون LoRaWAN و پروتکل لورا
با‌وجود مزایای قابل توجه، فناوری LoRaWAN در مقایسه با شبکه‌های سلولار LPWAN مانند NB-IoT، محدودیت‌هایی هم دارد:
LoRaWAN از باندهای فرکانسی بدون مجوز استفاده می‌کند؛ یعنی همان فرکانس‌هایی که همه می‌توانند به آن‌ها دسترسی داشته باشند. این باندها محدود هستند و به‌همین دلیل، ظرفیت انتقال داده در LoRaWAN نسبت به شبکه مخابراتی LPWAN پایین‌تر است و برای ارسال حجم زیادی از اطلاعات با سرعت بالا مناسب نیست.
این فناوری بیشتر برای دستگاه‌هایی طراحی شده که در یک محل ثابت قرار دارند. بنابراین برای تجهیزات متحرک مانند GPS یا حسگرهایی که دائم در حال جابه‌جایی‌اند، چندان کارآمد نیست. همچنین، چون پشتیبانی جهانی و یکپارچه‌ای از LoRaWAN وجود ندارد، استفاده از آن در مقیاس گسترده بین‌المللی کمی دشوارتر است.
برخلاف شبکه مخابرات Cellular Networks که یک اپراتور مشخص مانند ایرانسل یا همراه اول تمام زیرساخت و خدمات را ارائه می‌دهد، در LoRaWAN شما یا باید خودتان شبکه را طراحی و پیاده‌سازی کنید، یا از متخصصانی کمک بگیرید که در این حوزه تجربه دارند. این موضوع می‌تواند زمان‌بر و پیچیده‌تر باشد.
با این حال، محبوبیت LoRaWAN به‌ویژه در سال‌های گذشته دلایل منطقی داشته است. چیپ‌ست‌هایی که از این پروتکل پشتیبانی می‌کردند نسبت به چیپ‌های موبایلی ارزان‌تر بودند و چون برای استفاده از LoRaWAN نیازی به پرداخت هزینه به اپراتورها برای پهنای باند نبود، هزینه کلی بهره‌برداری پایین‌تر در می‌آمد.
مزایای شبکه‌های سلولی LPWAN مانند NB-IoT و LTE-M
شبکه‌های سلولی LPWAN مثل NB-IoT و LTE-M، گزینه‌ای مناسب برای پروژه‌های اینترنت اشیا (IoT) هستند. چون زیرساخت آن‌ها از قبل توسط اپراتورها ساخته و تست شده و تحت نظارت رسمی قرار دارد، معمولاً پایداری و امنیت بیشتری نسبت به شبکه‌های محلی مثل LoRaWAN و پروتکل لورا LoRa دارند که باید به‌صورت جداگانه طراحی و اجرا شوند.
محدودیت‌های LoRa در مقایسه با شبکه‌های سلولی
این شبکه‌ها سرعت انتقال داده بیشتری هم دارند، بنابراین کارهایی مثل به‌روزرسانی نرم‌افزار دستگاه‌ها از راه دور به‌راحتی انجام می‌شود؛ در حالی‌که در LoRaWAN این کار یا خیلی دشوار می‌باشد یا اصلاً ممکن نیست. از نظر مصرف انرژی هم عملکرد خوبی دارند. حالت‌های کم‌مصرف مثل eDRX و PSM کمک می‌کنند باتری دستگاه‌ها حتی وقتی همیشه روشن باشد، مدت طولانی‌تری دوام بیاورد. پوشش گسترده‌ی این شبکه‌ها باعث می‌شود برای تجهیزات متحرک مثل اسکوترهای هوشمند، ردیاب‌ها و خودروها انتخابی ایده‌آل باشند.
چگونه بهترین فناوری را برای پروژه IoT انتخاب کنیم؟
با توجه به آنچه گفته شد، انتخاب بین LoRaWAN و شبکه‌های سلولی LPWAN مانند NB-IoT و LTE-M، به نیازهای ویژه پروژه شما بستگی دارد. اگر در پروژه‌تان نیاز به راه‌اندازی سریع، هزینه پایین و استقلال از اپراتورها دارید و بیشتر دستگاه‌ها ثابت هستند، LoRaWAN و پروتکل لورا می‌تواند گزینه‌ای مناسب باشد. اما اگر به دنبال پوشش سراسری، پایداری بیشتر، انتقال داده با حجم بالاتر، یا پشتیبانی از تجهیزات متحرک هستید، شبکه‌های سلولی انتخاب بهتری خواهند بود.
در نهایت، هیچ راهکار واحدی برای همه پروژه‌های اینترنت اشیا وجود ندارد. در بسیاری از موارد، حتی ترکیبی از این فناوری‌ها استفاده می‌شود تا مزایای هرکدام پوشش‌دهنده‌ی نقاط ضعف دیگری باشد. تصمیم‌گیری درست مستلزم درک دقیق از نیازمندی‌های پروژه، محدودیت‌های محیطی و ظرفیت‌های فنی تیم توسعه‌دهنده است. قابل ذکر است که سپهر انفورماتیک درخشان در فناوری‌های خود از فناوری لورا استفاده کرده؛ همین حالا با ما تماس بگیرید.
