Lpwan Technologies for Large-scale Gömülü Environmental Watch

Çevresel izleme artık bir niş endişe değildir - manuel örnekleme veya uzaktan algılama gibi, yüksek maliyetlerden muzdarip, sınırlı zamansal karar veya yetersiz uzaysal ağların sürekli olarak gerekli olmasını sağlar. Low Power Wide Area Networks (LPWAN), hava kalitesi, su kaynakları, toprak koşulları ve biyoçeşitliliği ile ilgili olarak ortaya çıktı. Geleneksel izleme yaklaşımları, manuel örnekleme veya uzaktan algılama gibi, tüm şehirler, su kesintileri veya büyük çevresel izleme uygulamaları kapsar.

LPWAN Teknolojisi Nedir?

LPWAN, özellikle küçük miktarlarda veri gönderen cihazlara bağlanmak için tasarlanmış kablosuz iletişim teknolojileri sınıfıdır ve aşırı düşük güç tüketilirken, Bluetooth, Wi-Fi veya hücresel ağlardan farklı olarak (4G/5G) yıllarca ölçülmüş cihazla, LPWAN, aralık, enerji verimliliği ve cihazda nadiren LPWAN bağlantılarını kapsar.

LPWAN fiziksel tabakası, Avrupa / Kuzey Amerika'da dar bant veya yayılma-spectrum modulation kullanıyor, ancak bazı hizmet kalitesi için lisanslı hücresel spektrumlar ve basit yıldız: son cihazlar doğrudan ağ geçidi ile iletişim kuruyorlar (ISM) grupları (örneğin, Avrupa/Kuzey Amerika'da 868/915 MHz), ancak bazı hizmet kalitesi için lisanslı cep telefonları - binlerce ağ mimarisinin garanti altına alınmasına olanak sağlıyor.

Uzun menzilin birleşimi, düşük güç ve düşük maliyet, LPWAN'ı çevresel izleme için eşsiz bir şekilde uygun hale getirir, sensörlerin büyük, sık sık uzak alanlarda dağılır ve genişletilmiş dönemler için istenmeyen çalışır. Data oranları mütevazı (tipik olarak 0.3-50 kbps), ancak sıcaklık, nem, katılımcı madde, su seviyesi gibi okumalar için yeterli.

LPWAN'ın Anahtar Özellikleri

  • [FONT:0]Uzun bir aralık: [Dönetici: [Dönetici: 0,15 km) Kırsal hat-görülerde, yoğun kentsel ortamlarda 2-5 km.
  • [FONT=0) <24|24|DÜcretsiz Güç:[DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSTRİYE:0) <24-DÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜDÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜŞÜNÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜSÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞ
  • [[Düzük Maliyeti:[Dönetici: 0,3 $) Birçok protokol için fiyat ve altyapı maliyetleri, hücresel temel istasyonlardan dramatik olarak daha düşük.
  • [[Düzücük Veri Oranı:[Dönetici:[Dönetici:0) Düşük Veri Oranı:[Dönder:[Dönder:[Dönder:[Dönder:) Tipik Ücretler 12-256 günlük veya saatli iletim aralıkları ile.
  • [FONT:0)Masive Scalability:) Tek bir ağ geçidi, görev döngüsü düzenlemeleri ve paket büyüklüğüne bağlı olarak on binlerce son cihazı çalıştırabilir.
  • [FOWAN, ISM gruplarında (özgür ama görev döngüsüne tabi) ve lisanslı cep bantları (daha öngörülebilir, daha yüksek maliyet) işletilmektedir.

Çevre İzleme için Anahtar LPWAN Teknolojileri

Tek LPWAN teknolojisi tüm çevresel izleme senaryolarına uymaz. Seçim kapsama alanı, veri gereksinimleri, güç kısıtlamaları, düzenleyici çevre ve bütçeye bağlıdır. Aşağıda en yaygın kullanılan seçenekler, her biri ayrı ticaret-offs ile.

LoRaWAN

LoRaWAN, Semtech'in LoRa chirp spektrum modulation'ı üzerine inşa etti, birçok kanala bağlı olarak ağ geçidi kullanıyor ve bağlantılarını ticarete sokmak için 868/915 MHz bandında çalışıyor ve gürültü zemininden 50 kbps'ye kadar değişen veri oranları sunuyor -achieving a project connection of up to a network server - which allows end devices by multiple servers and spread factors to trade off range vs. throughput. a key power is the ability to decode signal to decode signal to be-up to 50 kbps.

Çevre izleme için, LoRaWAN toprak nem sensörlerinin geniş ölçekli dağıtım için idealdir, hava istasyonları, hava kalitesi monitörleri ve vahşi yaşam takipçileri. Kamu ve özel LoRaWAN ağları 170'ten fazla ülkede var (örneğin, Nesneler Ağı, Helium), protokollerin çatı ve sertifikasyon programını basitleştirir, satıcılar arasında süreklilik sağlar. Çünkü LoRaWAN, sınırsız spektrumda çalışır.

NB-IoT (Narrowband IoT)

NB-IoT, lisanslı spektrumda çalışan 3GPP standart bir hücresel LPWAN teknolojisidir. Mevcut LTE veya 5G ağ altyapısında, sağlam güvenlik, hizmet kalitesi ve global roaming. NB-IoT, veri bant protokolleri ve SIM kartları nedeniyle biraz daha yüksektir ve fiyat hacminde 250 kbps'ye kadar düşmüştir.

Çevre izleme için NB-IoT'nin büyük avantajı, mevcut hücresel kapsama alanları olan alanlarda güvenilirlik ve ölçeklenebilirlikdir. Özellikle şehir hava kalitesi ağları, gerçekten uzak şehirlerdeki NB-IoT'nin nerede olduğunu izlemek için uygundur. NB-IoT lisansüstü spektrumda çalışır, daha sık veri aktarımına izin vermez - yüksek çözünürlüklü zaman izleme için uygundur.

Sigfox

Sigfox ultra-narrowband (UNB) aşırı menzil ve alıcı duyarlılığı elde etmek için 100 Hz bant genişliğinde modulation kullanıyor: Teknoloji güvenilirdir ancak küresel bir ağ modeli üzerinde çalışır: Sigfox, yerel operatörlerle günde sadece 140 mesajı iletebilir. End cihazlar son derece basittir - sadece küçük maaş yüklerini gönderir ve sadece talep edilirse indirmeleri gerekir.

Çevre izleme için, Sigfox, sıcaklık, nem, varlık veya periyodik alarmlar gibi basit sensör okumaları için en uygun olanıdır.Bu, zengin verilerin veya çok düşük veri hacimlerinin kabul edilebilir olduğu varlıktaki konumdaki sensörleri kısıtlamaktadır.In cost per device and per message subscription model küçük to orta dağıtımlar için ekonomik olabilir. ancak, sınırlı ücret yükü ve günlük mesaj kapağı, zengin verileri üreten sensörler için kullanımını kısıtlar veya yakın zaman uyarıları gerektiren.

LTE-M ve Gelişen Alternatifler

LTE-M (Cat-M1), daha düşük gecikmeli ve daha büyük ödeme boyutları sunan başka bir 3GPP hücresel LPWAN teknolojisidir (daha yüksek veri oranlarına veya görüntü yakalamaya veya drone veya araç takiplerine destek. Ancak, modül maliyetleri ve güç profilleri genellikle LoRaWAN veya NB-IoT'nun bularını aşıyor.

Diğer ortaya çıkan LPWAN teknolojileri MIoTy ( Mioty Alliance) içerir ve bu, ultra-reliable iletişim için yoğun ve gürültülü ortamlarda telegram bölmesini sağlar ve Ağırlıksız (SIG'den) sağlar ve bu da değişken bant genişliği ile açık bir standart sunar.

Çevre İzleme için LPWAN'ı kullanmanın avantajları

Bu teknolojilerin kombinasyonu geleneksel tel veya kısa menzilli kablosuz yaklaşımlar üzerinde somut faydalar getiriyor. Bu avantajları anlamak LPWAN tabanlı çevre sensör ağlarında yatırımın haklı çıkmasına yardımcı oluyor.

Genişletilmiş Kapakaj

Tek bir LoRaWAN geçit, kırsal arazide 10-20 kilometrelik bir alanı kapabilir, NB-IoT mevcut hücresel kuleleri tüm şehirlere battaniyeye kadar kullanır. Bu, Wi-Fi veya Zigbee ile kıyasla temel istasyonların sayısını büyük bir göl, bir orman korumayı izlemek için veya bölgesel bir tarım bölgesini ortadan kaldırır.

Düşük Güç Tüketimi

Çevre sensörleri genellikle ana güç olmadan yerlere yerleştirilir. LPWAN cihazları dakikalar veya saatler boyunca uyuyabilir, sadece 5-10 yıl boyunca okuma ve yayınlayabilir. Bu, haftalar içinde 1-10 μA'da bir batarya paketini doldurabilir ve aktarma 20-100 mA'yı birkaç milisaniye alır.Bir çift AA batarya kullanarak, bir LoRaWAN sensörü raporlamak için her 15 dakika 5-10 yıl boyunca çalışır.

Maliyet-Effectiveness

LPWAN modülleri için donanım maliyetleri $ 2 ila 5 $ arasında düştü ve ağ geçidi, sağlam hava modelleri için 100.000 $ 'a kadar. NB-IoT veya Sigfox için Abonelik maliyetleri genellikle bir manzaraya kadar birkaç dolar. aksine, telli yüklemeler, yüksek çözünürlük için yüzlerce sensöre mal oldu ve uydu geri yüklemeler yüksek çözünürlükte. LPWAN, yüksek çözünürlükte yüzlerce veya binlerce puan izlemek için ekonomik olarak uygulanabilir.

Scalability

Ağ kapasitesi, ağ oluşturmadan yeni sensörler eklenebilir veya açıklığa kavuşturulabilir bulut tabanlı ağ sunucuları ekleyerek artırılabilir.Bu, çevre izleme için kritiktir, kapsamın belirlenmesi veya korunması gereken alanlar belirlenir.

İşsizlikten Çıkarma

Birçok LPWAN cihazı bataryaya karşı ve kablosuz iletişim kuruyor; ürpertici, taksileme veya siteye özgü mühendislik gereklidir. Tek bir teknisyen, basit montaj paraları kullanarak günde düzinelerce sensör yükleyebilir ve saatlerce çalıştırılabilir.

Çevre İzleme Uygulamaları LPWAN

LPWAN teknolojileri dünya çapında çeşitli çevresel izleme senaryolarında kullanılmıştır. Aşağıdaki kategoriler bu sistemlerin genişliğini ve etkisini göstermektedir.

Hava Kalite İzlemesi

Barselona gibi şehir içi ağlarda, Krakow ve Pekin her 5–15 dakikayı merkezi bir paniğe rapor eden LoRaWAN tabanlı hava kalitesi istasyonları kullanıyor ve emisyon kontrolleri tespit ediyor ve vatandaşlarına gerçek zamanlı uyarılar veriyor.

Su Kalitesi ve Hidroloji

Nehirler, göller ve kıyı bölgeleri pH için izlenir, oksijen, turbidity, iletkenlik ve sıcaklık. LPWAN sensörleri, arazilerde kullanılan bulut platformunu kullanarak, trend analizi için bulut platformunu gönderir. Örnekler, tek bir geçit paylaşmak için mil uzakta yer alır.

Soil Moisture ve Smart Tarım

Hassas tarım toprak nemse, sıcaklık ve besin sensörleri geniş alanlarda yayıldı. LPWAN, çiftçilerin sulama zamanlamasını optimize etmesini, su kullanımını% 30'a kadar azaltmasını sağlar. Tipik bir sistem kök bölgesinde gömülü olan on yüzlerce sensör düğümü oluşturur, her saat boyunca ne kadar çok popüler. LoRaWAN özellikle açık ekosistemi nedeniyle popülerdir; birçok ticari alanda sensörler LoRa modüller.

Meteorolojik ve Hava İzleme

Otomatik hava istasyonları (AWS) sıcaklık, nem, barometrik baskı, rüzgar hızı ve yağışlar toplamak. LPWAN bu istasyonların uzaktan dağ geçiş, çöller veya iklim araştırmaları için kritik veriler sağlamasını sağlar. Multi istasyonları tek bir ağ geçidini tepe veya kule üzerinde paylaşabilir. Düşük güç tüketimi sensörü düğümleri yıllarca güneş şarj edilebilir bir batarya paketinde çalıştırılabilir, tahmin ve iklim araştırma için kritik veriler sağlar.

Yaban Hayatı ve Habitat Takip

Biologists, LPWAN'ı etkin bir şekilde kullanan GPS veya radyo etiketleri, göç modellerini incelemek için hayvanlara, habitat kullanım ve davranışları incelemek için LPWAN yakaları elk, zebras ve deniz kaplumbağaları etkileyici sonuçlarla dağıtıldı - yer ve aktivite verilerini iki yıla kadar batarya değiştirmeden iletmeye devam ediyor. Uzun menzilli araştırmacılar, birkaç ağ geçidiyle tüm ulusal parkları önemli ölçüde azaltıp geleneksel VHFmetriye kıyasla maliyet ve iş yükünü azaltıyor.

Büyük İşbirlikleri için Uygulamayı Değerlendirme

Tam ölçekli LPWAN tabanlı bir çevre izleme ağı için bir pilottan geçiş dikkatli planlama gerektirir. Aşağıda başarıyı etkileyen kritik faktörler vardır.

Network Planlama Ağı

Radyo yayılım modelleri (örneğin, Okumura-Hata, ITU-R P.1546) ağ geçidi yerleştirmesini belirlemek için kullanılmalıdır.For LoRaWAN, mevcut cep telefonlarının sayısı, arazi yoğunluğuna ve gerekli kırmızılıklara bağlıdır.In uplink-Hata, tek yönlü erişimler genellikle yeterlidir, ancak görev-kırık sistemler çeşitliliği sağlamak için yardımcı olmalıdır.For NB-IoT, mevcut hücresel kapsama haritaları hizmet mevcut olduğunda, test cihazları ile ilgili bir alan araştırmasının yapılması önerilir.

Güç ve Enerji Enerji

LPWAN cihazları düşük güç olsa da, batarya büyüklüğü sensör enerji tüketimi için dikkate almalıdır (bazı durumlarda radyo gücünü aşabilir – ısıtılmış bir sensör), iletim frekansı ve çevresel sıcaklık. Solar paneller süper kapasiteye sahip çiftleştirilmiş veya Li-ion aküler süresine süresiz olarak uzatılabilir.Su veya toprak sensörleri için, mikro yakıt hücreleri veya termoelektrik üretimi aktif bir araştırma alanıdır.

Data Security and Privacy

LPWAN cihazları genellikle varsayılan olarak şifrelenmemiş çerçeveleri iletmektedir; ancak LoRaWAN gibi protokollerin ağ ve uygulama katmanlarında güvenli bir şekilde kullanılmasını ve temel yönetim uygulamalarını uygulamaktadır.In NB-IoT, SIM tabanlı kimlik doğrulama, daha yüksek bir güvenlik temeline yol açabilir.

Cihaz Yönetimi ve Şirketware Updates

Binlerce uzaktan kumandanlı sensör, sağlam bir cihaz yönetim platformu gerektirir. Over-the-air (OTA) Donanım veya algoritma geliştirmeleri için - bataryaları boşaltmak veya bağlantı kurmaktan kaçınmak için dikkatlice orkestraya konulabilir. LoRaWAN, düşük veri oranlarıyla ilgili olarak, bu yüzden güncellemeler küçük ve infreknt olmalıdır. NB-IoT daha hızlı güncellemeleri zorlayabilir, ancak daha fazla güç tüketebilir.

Data Backhaul ve Cloud Entegrasyon

Gateways'in bir bulut platformuna verileri ileriye taşımak için geri yüklemesi (Ethernet, hücresel, uydu) gerekir. Uzak alanlarda, uydu backhaul (e.g., Iridium, Starlink) geçiş için gerekli olabilir. Bulut platformu mevcut çevre veri portalları ile entegrasyon, depolama, analiz ve görselleştirme izin verir.

Meydanlar ve Future Outlook

Onun sözüne rağmen, LPWAN tabanlı çevre izleme, yaygın kabul için ele alınması gereken birkaç engelle karşı karşıyadır.

Data Security and Privacy (Expanded)

Şifrelemenin ötesinde, ağ yönetimi, veri toplamalarından dolayı rogue ağ geçidini engellemelidir (örneğin, LoRaWAN, vahşi yaşam veya kişisel mülkün konumunun gerçekleştirilmesi için bir sunucu kullanır). Sensörler (tamperya, hırsızlık) karşı savunmak için daha zorlanır -tamperya dayanıklı muhafazalar, geofencing ve tamper uyarılar önerilir.

Network Management and Reliability

Kombine edilmiş grup operasyon konuları LPWAN diğer cihazlardan (baby monitörler, garaj kapı açıkları) ve görev döngüsü kısıtlamaları. Paketleme çarpışmaları cihazı yoğunluğu ile artırmak; Adaptif veri oranı (ADR) ve rastgele iletim aralıkları bunu azaltır. Görev-kript uyarıları ve ağ geçidi geri yükleme seçenekleri dikkate alınmalıdır. Ayrıca ağ yönetimi araçlarına da ağ geçidi sağlık, cihaz dağıtım hızlarını izlemek için ihtiyaç vardır.

Cihaz Interoperability

LoRaWAN'ın sertifikasyon programı temel tutarlılık sağlar, ancak sensör konektörleri, batarya bölmeleri ve Donanım güncelleştirme süreçleri, karma satıcılarla karıştırabilir. NB-IoT için, farklı hücresel gruplar ve operatör konfigürasyonları çok bantlı modüller gerektirir. evrensel bir LPWAN standartta bir şekilde bir teknoloji seçilir, bu nedenle tüm son cihazları değiştirmek gerekir.

Data Volume and Processing

Çevresel izleme sürekli zaman serisi verileri akış veya sensör düğümü oluşturur. Ölçekte (örneğin, 100.000 sensör raporlama süresi), bulut depolama ve hesaplama maliyetleri önemli hale gelir. Edge Computing -passing data at the gateway or sensör node - sadece iletileri veya arsalanan istatistiklerle veri trafiğini azaltır. Makine öğrenme modelleri bir anomali veya tahmin için gecikme ve bant genişliğini azaltmak için kenarda çalıştırılabilir.

Future Trendleri

Çevre izleme için bir sonraki LPWAN nesli şekillendirecek:

  • [FONTN: [0] 5G ve Abord Networks (NTN): ) 3GPP Bülteni 17, NB-IoT'yi uzaktan sensörler için gerçekten küresel kapsama izin veriyor.
  • [FONT:0) Enerji ve Battery-Free Sensörler: Ortam enerji kaynakları (light, vibrasyon, termal gradients) son zamanlarda güç sensörleri geliştirebiliyor. Şirketler sadece hasat edilen enerji üzerinde çalışan LoRaWAN etiketleri geliştiriyor, batarya yedekleri için ihtiyaç ortadan kaldırıyor.
  • [FONT:0]AI ve Predictive Analytics:[Dönetici:[Dönetici:0)[Dönetici:0)[Dönetici:[Dönetici:[Dönetici:[Dönetici: 0FLT:1) On-device makine öğrenimi, ham verileri iletmeden desenleri tanımlanabilir. Örneğin, bir toprak sensörü en iyi sulama programını öğrenebilir ve sadece anormallikleri rapor edebilir.
  • [FONT:0) Dijital Twins ve Simülasyon: [Dönetici:[Dönetici:0) Çevre izleme verileri, iklim değişikliğinin etkilerini, kirliliğin dağılımını veya habitat restorasyonunu etkinleştiren sürekli veri akışı sağlar. LPWAN bu modelleri güncelledi.
  • [FOWAN ağlarını kullanarak, açık erişim veri portalları (örneğin, SensörThings API, OGC standartları) hükümetler arasındaki işbirliğini teşvik edecek.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Düşük Güç Geniş Alan Ağı teknolojileri, geniş çaplı gömülü çevresel izlemede mümkün olan şeyleri temel olarak değiştirdi. Şehir hava kalitesi veya yaşam takipleri için uzun maliyetli bağlantı sağlayarak, LPWAN, yüksek çözünürlüklü, gerçek zamanlı verileri daha önce erişilemez alanlarda sağlayan yoğun sensör ağlarını sağlar.

Yol ileriye dönük olarak güvenlik, enerji bağımsızlığı ve ağ direncinde ilerlemeler gerektirecektir.Sağ istihbaratı büyüdükçe ve uydu gerisi rutin hale gelir, LPWAN tabanlı sensör ağları, küresel çevresel gözlem sistemlerinin omurgası haline gelecektir. Organizasyonlar bugün bu ağları dağıtmaya başlayan kuruluşlar, bir sonraki veri odaklı çevre yönlendirme dalgasına yol açan çevre güvenliğine liderlik edecek.