اتصال إنترنت الأشياء للري: مقارنة LoRaWAN والاتصال الخلوي وWi-Fi المزرعة

اختر اتصال شبكة الري بمطابقة كل موقع في الحقل وكل مهلة للرسائل وكل مصدر طاقة مع مسار اتصال جرى اختباره. قد تكون لكل من LoRaWAN والاتصال الخلوي وWi-Fi المزرعة فائدة، لكن اسم التقنية وحده لا يضمن أداء على مستوى المزرعة كلها. قارن الوصلة الراديوية في الحقل منفصلة عن اتصال البوابة بالإنترنت، ثم تحقق من حركة البيانات واستهلاك الطاقة والتكاليف المتكررة مقابل متطلب الخدمة نفسه.

ضبط مقاييس حرارة لاسلكية بالأشعة تحت الحمراء على نظام ري محوري. لا تحدد الصورة بروتوكول LoRaWAN أو اتصالا خلويا أو Wi-Fi. الصورة: Peggy Greb، دائرة البحوث الزراعية بوزارة الزراعة الأمريكية.

ارسم وصلة الحقل والربط الخلفي بالإنترنت كمسارين منفصلين

قد يرسل حساس تربة عبر LoRaWAN إلى بوابة تستخدم خدمة خلوية للربط الخلفي بالإنترنت. ووصف هذا التركيب بأنه «LoRaWAN» أو «خلوي» دون تحديد الجزأين يخفي اعتماديات مهمة. وتحتاج نقطة وصول Wi-Fi أيضا إلى مسار نحو الخادم المقصود؛ فالتغطية حول غرفة المضخة لا تثبت وجود تغطية عند صمام بعيد.

سجل كل حساس أو وحدة تحكم، وراديو الاتصال الخاص به، وأي بوابة أو نقطة وصول، والربط الخلفي، والتطبيق المستقبِل. وحدد من يملك كل عنصر ويغذيه بالطاقة. في الأجهزة الخلوية المباشرة تحل شبكة وصول المشغل محل بوابة الراديو المملوكة للمزرعة، لكن الجهاز يظل بحاجة إلى خدمة متوافقة وطاقة كافية. وقد تقلل البنية المشتركة الوصلات المتكررة، بينما تركز الاعتماديات في موقع مشترك.

يصف شرح LoRa Alliance لبنية الشبكة وفئات الأجهزة بوابات تنقل الرسائل بين الأجهزة الطرفية وخادم الشبكة عبر وصلات IP. ولا تعني هذه البنية أن كل منتج راديو LoRa يطبق LoRaWAN، أو أن البوابة تنفذ التحكم المحلي بالري. احصل على ترتيب الشبكة والتطبيق المقترح كتابة.

تتناول هذه المقارنة اختيار الاتصال وقياسه. ويعالج دليل الري عند ضعف موثوقية الإنترنت التنفيذ المحلي والتخزين والاستعادة بشكل منفصل. ولا يثبت المسح الراديوي وجود هذه الوظائف في وحدة التحكم.

قارن خيارات الوصول في مواقع المزرعة الفعلية

ابدأ بخريطة للمواقع التي يجب أن تتبادل المعلومات، تشمل نقاطا منخفضة ومنشآت وظروف محصول ممثلة. سجل ارتفاع التركيب والغلاف وموضع الهوائي والطاقة المتاحة وإمكانية الوصول للصيانة والأجهزة المستقبلية. ولا تنقل قياسا مهما زراعيا لمجرد تحسين اختبار راديو في موضع مريح؛ إذ يشرح دليل مواضع حساسات رطوبة التربة أهمية مواقع أخذ العينات الممثلة.

هذه شروط فرز أولي وليست ترتيبا بحسب المسافة. فقد تغير التضاريس والنبات والهياكل المعدنية وتركيب الهوائي والتداخل وتصميم الجهاز النتيجة. اختبر والأغلفة مغلقة والمعدات في مواضعها المقصودة. وأدرج حركة ممثلة لآلات الري ومعدات كهربائية عاملة حيث يلزم؛ فنتيجة هوائي مؤقت فوق المحصول لا تثبت أداء عقدة يثبت تركيبها النهائي على ارتفاع منخفض.

قد يكون المزج مناسبا: يمكن لشبكة مزودة بالطاقة في غرفة المضخة وشبكة حقل قليلة البيانات استخدام طريقتي وصول مختلفتين. أبق مسؤولياتهما واضحة. فنجاح الاختبار من الحساس إلى البوابة يترك المسار من البوابة إلى التطبيق غير مثبت، كما أن اتصال البوابة بالإنترنت لا يكشف الكثير عن أضعف جهاز طرفي في الحقل.

طابق توافر الاستقبال مع مهلة الأمر

للقياس عن بعد المستخدم في مراجعة الاتجاهات لاحقا، ولأمر إشرافي مطلوب بسرعة، احتياجات زمنية مختلفة. حدد بداية كل فترة مقاسة ونهايتها. فمثلا، الفترة من قبول التطبيق للأمر إلى استلامه وفك ترميزه في وحدة التحكم الحقلية هي فترة اتصال؛ أما اكتمال حركة الصمام فهو نتيجة مادية منفصلة.

تفتح أجهزة LoRaWAN من الفئة A نوافذ لاستقبال الوصلة الهابطة بعد إرسال على الوصلة الصاعدة. وفي إعداد توضيحي لا يرسل إلا كل 15 دقيقة دون محفز إضافي، قد ينتظر أمر يصل بعد تلك النوافذ نحو فترة إرسال أخرى قبل الفرصة التالية. لا يمكن لهذا الإعداد ضمان مهلة أمر مقدارها 60 s. وتغيّر زيادة وتيرة الإرسال الصاعد حركة البيانات والطلب على الطاقة، لكنها لا تضمن التوصيل بمفردها.

تبقي الفئة C الاستقبال مفتوحا عندما لا يرسل الجهاز، فتقلل انتظار فرصة الاستقبال. لكنها لا تزيل طوابير التطبيق وتأخير الربط الخلفي وجدولة الراديو والفقد ومعالجة وحدة التحكم، وتتطلب ميزانية طاقة مناسبة. وتستخدم الفئة B فرص استقبال مجدولة؛ فتحقق من الإعداد المدعوم إذا كنت تدرسها. ولا تحوّل اسم فئة الجهاز إلى وعد بزمن تأخير صفري من طرف إلى طرف.

يوضح دليل GSMA لنشر إنترنت الأشياء الخلوي أن PSM يجعل الجهاز غير قابل للوصول من الشبكة أثناء نومه، مع أن تطبيقه يمكنه بدء إرسال صادر. وينشئ eDRX أيضا فترات لا يستمع فيها المستقبِل. وقد تختلف الإعدادات المطلوبة عن الإعدادات المتفاوض عليها فعليا مع الشبكة، لذا تحقق من توليفة المشغل والجهاز والخدمة المنشورة.

أكد النطاقات المدعومة والتقنية الخلوية المقصودة وترتيبات التجوال وتوافر الخدمة في الموقع. فظهور استقبال LTE على هاتف لا يثبت توافر NB-IoT أو LTE-M للجهاز الطرفي المختار. احتفظ بقيم المؤقتات المتفاوض عليها وسلوك الاستقبال المرصود في سجل الاختبار. وتوضح ورقة تصميم إنذارات الري كيف يندرج تأخير الاتصال ضمن ميزانية زمن استجابة أشمل؛ ولا يحدد هذا المقال أزمنة فصل وقائي.

احسب بيانات التطبيق قبل تقدير حمل الشبكة

استخدم مثال مراقبة افتراضيا يضم 24 جهازا طرفيا. ينتج كل جهاز سجلا تطبيقيا حجمه 32 بايت كل 15 دقيقة. افترض عمل جميع الأجهزة باستمرار خلال شهر حسابي من 30 يوما دون رسائل أحداث إضافية. ويشمل حجم السجل حقول التطبيق في هذا المثال، ولا يشمل الأعباء الإضافية للراديو أو النقل. هذه مدخلات تعليمية وليست مواصفات معدات مقاسة.

ينتج 24 × 60 ÷ 15 = 96 سجلا لكل جهاز طرفي يوميا. وعلى مستوى التركيب كله، تحمل 24 × 96 = 2304 سجلات ما مقداره 2304 × 32 = 73728 بايت من بيانات التطبيق يوميا. وخلال الشهر المفترض، يكون الحجم 73728 × 30 = 2211840 بايت، أي 2.21184 MB عشرية، حيث تحتوي MB العشرية على 1000000 بايت.

إجمالي الحمولة هذا ليس زمن استخدام للقناة الراديوية ولا تقديرا لفاتورة الخدمة الخلوية. فقد تضيف الترويسات وإقرارات الاستلام وإعادات المحاولة والانضمام للشبكة ورسائل الحالة وحركة البوابة وتأطير التشفير ونقل البرمجيات حملا إضافيا. ويؤثر معدل البيانات والترميز والإعداد الإقليمي في زمن الإرسال. تحقق من حدود التنفيذ المحدد وقس استخدام الربط الخلفي الفعلي؛ ولا تطبق مضاعفا غير موثق واحدا للأعباء الإضافية على التقنيات الثلاث.

اختبر أيضا الطلب قصير المدة. فقد تخلق الأجهزة التي ترسل معا، أو مجموعة أوامر، أو عملية نقل للصيانة، حالة أصعب مما يوحي به المتوسط الشهري. حدد نمط الإرسال المسموح ونافذة الصيانة، ثم قيّم عدد الأجهزة المقترح والتوسعة اللاحقة وفقهما.

ابن ميزانية الطاقة من الزمن المقضي في كل حالة

لجهاز طرفي توضيحي منفصل، افترض أن الجهاز كاملا يسحب 40 mA خلال حدث قياس واتصال مدته 2 s، ويسحب 0.020 mA في بقية الوقت. استخدم 96 حدثا يوميا مع سماح منفصل قدره 0.50 mAh يوميا للاستهلاك الآخر. ولا يمثل الحدث ادعاء عن زمن الإرسال أو معيار راديو معين؛ فالحساسات وفترات الاستقبال والمعالجة تدخل في الميزانية المقاسة للجهاز كاملا.

إذا كانت بطارية بسعة 2400 mAh ذات نسبة قابلة للاستخدام مفترضة قدرها 0.70 في الظروف المعنية، فإن الشحنة المتاحة هي 1680 mAh. والتقدير المثالي هو 1680 ÷ 3.11227، أي نحو 540 يوما عند استخدام الإجمالي اليومي غير المقرب. وهذا ليس ضمانا لعمر الخدمة. فالحرارة والتقادم والتفريغ الذاتي وقدرة توفير نبضات التيار وإعادات المحاولة الفعلية تحتاج إلى تحقق؛ وليست نسبة الاستخدام والسماح المفترضان تصحيحين عامين.

تغيير النموذج نفسه إلى فترة 5 دقائق ينتج 288 حدثا و576 ثانية نشطة و7.3768 mAh يوميا تشمل السماح نفسه. وينخفض التقدير المثالي إلى نحو 228 يوما. ويتطلب الاستقبال المستمر نموذجا مختلفا للحالات. تحقق من تغذية ذروة التيار والجهد طوال التشغيل إلى جانب متوسط الشحنة. وتحتاج البوابات ونقاط الوصول إلى حسابات طاقة واحتياط خاصة بها؛ فهذا المثال للجهاز الطرفي لا يحدد حجم لوح شمسي ولا يشمل تشغيل الصمامات.

قس الوصول ضمن مهلة باستخدام مقام محدد

يوصي دليل NIST لنشر الأنظمة اللاسلكية الصناعية بمتطلبات صريحة وتقييم الموقع واختبار الأجهزة المركبة فعليا. وإطاره الصناعي مفيد هنا، لكنه لا يقدم ضمان تغطية للمزرعة. اختبر الاتجاهين وسجل الطوابع الزمنية عند المصدر والوجهة مع محاذاة معروفة للساعات، حتى لا يفسر خطأ الساعة بأنه تأخير شبكة.

في تجربة افتراضية مدتها 7 أيام للأجهزة الطرفية البالغ عددها 24 عند جدول 15 دقيقة، حدد السجلات الفريدة المتوقعة بأنها 24 × 96 × 7 = 16128. وعرّف «في الموعد» بأنه وصول السجل إلى التطبيق خلال مدة لا تتجاوز 120 s بعد وقت القياس المجدول. أغلق الجمع بعد 24 h من آخر عينة مجدولة. وأبق السجلات المفقودة عند المصدر في مقام القياس هذا من طرف إلى طرف، وشخّصها منفصلة؛ فهي لا تمثل تلقائيا فقد حزم راديوية.

افترض أن المستقبِل سجل أيضا 120 نسخة مكررة. هذه لا تضيف حالات نجاح فريدة. استخدم معرف الجهاز ومعرف السجل للتمييز بين النسخ والملاحظات الجديدة. اعرض النتائج لكل جهاز إلى جانب الإجمالي: فموقع ضعيف وصلت منه 620 سجلا في الموعد من أصل 672 سجلا متوقعا يحقق 92.26% فقط، حتى لو بدا رقم المزرعة ككل أفضل.

مهلة 120 s متطلب اختبار افتراضي، وليست حدا آمنا للتحكم. اعرض توزيعات التأخير والسجلات المتأخرة والمفقودة منفصلة؛ فالمئين المحسوب من السجلات الواصلة وحدها يستبعد الفقد. ولعرض فقد الحزم الراديوية، حدد الحد الراديوي المعني ومقام محاولات الإرسال مع سجلات مناسبة. كرر ظروفا ممثلة للحمل والموسم؛ فهذه التجربة القصيرة الافتراضية لا تثبت الموثوقية المستقبلية ولا تضع نسبة قبول عامة.

قارن النطاق نفسه لتكلفة الاتصال خلال ثلاث سنوات

قارن التكاليف بعد اجتياز متطلبات التغطية والتوقيت والطاقة الإلزامية فقط. تشمل عروض الأسعار الافتراضية التالية عتاد الاتصال وتركيبه وخدمة الاتصال والشبكة الشهرية والصيانة المخططة والطاقة السنوية لمتطلب الأجهزة الطرفية نفسه. والمبالغ مفترضة بالدولار الأمريكي USD، دون خصم مالي وقبل الضرائب. وهي تستبعد الحساسات ووحدات تحكم الري والصمامات وتكاليف التطبيق المتطابقة بين جميع الخيارات؛ ويجب إضافة أي رسوم فعلية مختلفة.

استخدم TCO = تكلفة التركيب الكلية + 36 × الخدمة الشهرية + 3 × الصيانة والطاقة السنوية. يفترض سطر Wi-Fi تضمين بنية الوصول المطلوبة في التكلفة الأولية، وأن رسم الخدمة اللاحقة الإضافي المحدد وحده ينطبق. ولا يمثل تكلفة إنشاء اتصال عريض النطاق جديد لمزرعة غير مخدومة. ويجب أن يغطي السماح السنوي نطاق الصيانة والطاقة المذكور في العرض، بما فيه أعمال البطاريات المخططة حيث تنطبق.

أقل رقم ليس نتيجة اختيار إذا أخفقت تلك البنية في اختبار الحقل. اطلب شروط الملكية والتجديد ومدة الخدمة المدعومة والوصول إلى البيانات ومسؤوليات الصيانة وتكلفة إضافة أجهزة. حدد الرسوم التي تنشأ بسبب الانقطاعات أو الزيارات أو زيادة حركة البيانات أو تغير الاشتراك، بدلا من إخفائها ضمن سعر أساسي جذاب.

اختر الإعداد الذي يحقق متطلبات المزرعة المكتوبة

احتفظ بسجل قرار يربط الخريطة وأجهزة الراديو والإعدادات الإقليمية الدقيقة وشروط الخدمة وحركة البيانات المقاسة وميزانية الطاقة ونتائج المهل ونطاق التكلفة. سجل الإخفاقات وإعادات الاختبار بعد تغيير موضع الهوائي أو البوابة أو فترة الإرسال. ويمكن لدرجة موزونة مقارنة الخيارات المستوفية للشروط، لكنها لا تعوض الإخفاق في متطلب إلزامي.

أبق إذن التشغيل المحلي والحماية ضمن نطاقهما الهندسي. تعالج ورقة التشابك التشغيلي بين المضخة والصمامات هذه الاعتماديات؛ فوجود مسار إنترنت لا يثبت سلوكا وقائيا. أعد تقييم الاتصال بعد نمو المحصول أو إضافة أجهزة أو تغير الخدمة. واختر الإعداد الكامل المختبر الذي يحقق مهمة المزرعة المحددة، مع شخص مسؤول بوضوح عن صيانة كل جزء من مسار الاتصال.