Αναζήτηση

Πλοήγηση

• Κοινότητες
• Συγγραφείς
• Έτος
• Τίτλοι
• Θέματα

Ο Χώρος μου

• Είσοδος

LoRaWare: Μία υπηρεσιοκεντρική αρχιτεκτονική για τη διασύνδεση LoRa συσκευών με το υπολογιστικό νέφος

Tsakos Konstantinos

Πλήρης Εγγραφή

---

Περίληψη

Σε αυτή την εργασία, παρουσιάζουμε πως τα πλεονεκτήματα ενός χαμηλής κατανάλωσης και ευρείας περιοχής δικτύου(LPWAN) πρωτοκόλλου μπορούν να εκμεταλλευθούν για να υποστηρίξουν μεγαλύτερη διαθεσιμότητα και χρησιμότητα εφαρμογών του διαδικτύου των πραγμάτων (IoT). Η βασική ιδέα είναι να δείξουμε πως τα LPWAN δίκτυα μπορούν να διασυνδεθούν με το Νέφος όπου τα IoT δεδομένα μπορούν να μεταφερθούν με ασφάλεια για μόνιμη αποθήκευση και επιπλέον επεξεργασία. Για να αποδείξουμε τη γενική ιδέα, πειραματιστήκαμε με την τεχνολογία LoRa και το LoRaWAN, το τελευταίο αντιπροσωπευτικό από τα LPWAN πρωτόκολλα. Το LoRaWAN πρωτόκολλο χαρακτηρίζεται από μεγάλη εμβέλεια, χαμηλή ισχύ και χαμηλό ρυθμό μετάδοσης των δεδομένων. Εφαρμόσαμε μία τυπική πειραματική εγκατάσταση με LoRa περιβαλλοντικούς αισθητήρες που μεταδίδουν μετρήσεις σε μία μεγάλη απόσταση χρησιμοποιώντας το LoRa πρωτόκολλο μέχρι τα gateways και από εκεί στο Νέφος. Το σενάριό μας είναι ανεξάρτητο από τους τύπους των αισθητήρων και δεν χρειάζεται να γνωρίζει το είδος των πραγματικών IoT μετρήσεων. Το πλεονέκτημα αυτού του σεναρίου είναι ότι ολόκληρες πόλεις μπορούν να καλυφθούν με ένα μικρό αριθμό πυλών δικτύου(gateways) όπου κάθε μία είναι ικανή να εξυπηρετήσει μέχρι και χιλιάδες αισθητήρες.Οι LoRa κόμβοι μεταδίδουν πακέτα ραδιοσυχνοτήτων με διαμόρφωση LoRa τα οποία συλλαμβάνονται από μία ή περισσότερες πύλες. Κάθε πύλη λαμβάνει τα LoRa πακέτα από εξ αποστάσεως αισθητήρες και αναμεταδίδει αυτά στο Νέφος μέσω του διαδικτύου χρησιμοποιώντας ένα IP πρωτόκολλο (δηλ. κάποιο συνηθισμένο όπως το UDP). Σε αυτή την εργασία χρησιμοποιήσαμε το MQTT ένα πιο λεπτομερές ελαφρύ publish-subscribe IP πρωτόκολλο που προσφέρει προχωρημένη ασφάλεια, καλύτερο έλεγχο δρομολόγησης και παρακολούθησης της επικοινωνίας (δηλαδή καλύτερο χειρισμό και έλεγχο των πακέτων).Το επίκεντρο αυτής της εργασίας είναι η διασύνδεση των πυλών δικτύου με το Νέφος. Αναπτύξαμε έναν εξυπηρετητή δικτύου , μία λύση η οποία τρέχει ως υπηρεσία στο Νέφος και που σκοπός της είναι (α) να λαμβάνει LoRa πακέτα από τις πύλες δικτύου (b) να αποκωδικοποιεί το περιεχόμενό τους από χαρακτήρες ASCII σε bits (base64 κωδικοποίηση) (c) να κρατάει ένα μοναδικό πακέτο αν λαμβάνεται από περισσότερες από μία πύλες δικτύου (d) να αποκρυπτογραφεί το περιεχόμενο (AES 128 bit κρυπτογράφηση εφαρμόζεται από το LoRa) και (e) να κάνει τα δεδομένα διαθέσιμα στις υπηρεσίες του Νέφους σε NGSI-JSON μορφή. Για τα πακέτα που βγαίνουν έξω από το Νέφος η ίδια λύση εφαρμόζεται σε αντίστροφη σειρά: τα πακέτα κρυπτογραφούνται, κωδικοποιούνται και μεταδίδονται σε στοχευόμενες πύλες (υποστηρίζεται από το LoRaWare με κάποιες πρόσθετες τροποποιήσεις-δεν έχει δοκιμαστεί). Η υπηρεσία έχει αναπτυχθεί για το Fiware Cloud , μία πανευρωπαϊκή υποδομή νέφους που υποστηρίζεται από την Ευρωπαϊκή Ένωση. Το NGSI πρωτόκολλο χρησιμοποιείται από κάθε Generic Enabler του Fiware οικοσυστήματος ως ένα μοντέλο ανταλλαγής δεδομένων. Ένας από αυτούς είναι και ο Publish/Subscribe Context Broker ο οποίος μεσολαβεί μεταξύ συσκευών και εφαρμογών. Η αρχιτεκτονική μας, αναφέρεται ως LoRaWare, επιτρέπει στους IoT developers να βελτιώσουν τις δυνατότητες των εφαρμογών LoRa χρησιμοποιώντας προχωρημένες υπηρεσίες του Fiware που υποστηρίζουν μόνιμη αποθήκευση, ανάλυση δεδομένων, σύνθεση δεδομένων και υπηρεσιών με Mashups κτλπ. Στο παράδειγμα της υλοποίησής μας, παρακολουθούνται μετρήσεις υγρασίας και θερμοκρασίας σε πραγματικό χρόνο στο Νέφος ενώ ταυτόχρονα αποθηκεύονται οι τιμές στο ιστορικό σε μία MySQL βάση δεδομένων.Εκτελούμε ένα εξαντλητικό σύνολο πειραμάτων χρησιμοποιώντας πραγματικά δεδομένα προσομοίωσης ώστε να μελετήσουμε τον χρόνο απόκρισης του συστήματος και την επεκτασιμότητα του.Αναφέρουμε το μέσο χρόνο επεξεργασίας από άκρο σε άκρο (δηλαδή από τη στιγμή που τα IoT δεδομένα λαμβάνονται από τον εξυπηρετητή δικτύου μέχρι τη στιγμή που αποθηκεύονται στη βάση δεδομένων) και επίσης τον μέσο χρόνο που δαπανάται σε κάθε υπηρεσία στην ακολουθία της επεξεργασίας.Για να μελετήσουμε την επεκτασιμότητα του συστήματος στρεσάραμε το σύστημα με ένα τεράστιο (πραγματικό) φορτίο προσομοιωμένο με 2000 αιτήματα (πακέτα δεδομένων) που λαμβάνονται από τον εξυπηρετητή δικτύου και επεξεργάζονται στο Νέφος. Τα πειραματικά μας αποτελέσματα δείχνουν ότι το σύστημα μας είναι ικανό να αποδίδει σε πραγματικό χρόνο ή κοντά σε πραγματικό χρόνο για πολλά χιλιάδες ταυτόχρονα αιτήματα.Σε ένα διαφορετικό πείραμα, μελετήσαμε το πρακτικό εύρος της LoRa μετάδοσης σε ένα πραγματικό αστικό περιβάλλον (στην πόλη των Χανίων) με δύο πύλες δικτύου που τοποθετήθηκαν μακριά η μία από την άλλη. Τα πειραματικά αποτελέσματ

Διαθέσιμα αρχεία

Υπηρεσίες