ما هو هوائي لورا؟

** ما هو هوائي لورا؟ **

تلعب هوائيات Lora دورًا حاسمًا في عالم الاتصالات اللاسلكية ، وخاصة في نظام Lorawan (شبكة المساحة الواسعة طويلة المدى). تم تصميم هوائي Lora لنقل واستقبال إشارات الراديو بترددات محددة تستخدمها الأجهزة المستندة إلى Lora. تم تصميم هذه الهوائيات لتوفير قدرات اتصال بعيدة المدى مع الحفاظ على استهلاك الطاقة المنخفض نسبيًا ، وهو أحد المزايا الرئيسية لتكنولوجيا Lora.

توجد الترددات التي تستخدمها هوائيات Lora بشكل شائع في نطاق Sub-GHz ، مثل 433 MHz ، 868 MHz (في أوروبا) ، و 915 MHz (في الولايات المتحدة). يتيح التشغيل في هذه الترددات تغلغل أفضل من خلال عقبات مثل المباني وأوراق الشجر مقارنة بأشرطة التردد الأعلى. هذا أمر مهم لأنه يمكّن أجهزة Lora من التواصل على مسافات أطول ، حتى في البيئات الحضرية أو الريفية الصعبة. على سبيل المثال ، في تطبيق المدينة الذكية حيث يتم نشر أجهزة الاستشعار لمراقبة الظروف البيئية مثل جودة الهواء أو تدفق حركة المرور ، يمكن لهوائيات Lora على هذه المستشعرات نقل البيانات مرة أخرى إلى بوابة مركزية تقع على بعد عدة كيلومترات ، وذلك بفضل قدرتها على اختراق الهياكل المختلفة في منظر المدينة.

من حيث التصميم ، تأتي هوائيات لورا بأشكال مختلفة. هناك هوائيات Lora متعددة الاتجاهات التي تشع إشارات بالتساوي في جميع الاتجاهات حول الهوائي. غالبًا ما يتم استخدامها في التطبيقات التي لا يتم فيها تغيير موقع جهاز الاستقبال بالنسبة لجهاز الإرسال أو من المتوقع أن يتغير. على سبيل المثال ، في منشأة صناعية كبيرة حيث يتم وضع علامات تتبع الأصول التي تدعم LORA على المعدات المنقولة ، يمكن أن يتلقى هوائي متعدد الاتجاهات على البوابة إشارات من العلامات بغض النظر عن موقعها داخل المنشأة. من ناحية أخرى ، هناك أيضًا هوائيات Lora الاتجاهية التي تركز الإشارة في اتجاه معين. هذه مفيدة في السيناريوهات التي يكون فيها مسار الاتصال معروفًا ومرغضًا إشارة أكثر تركيزًا لتحقيق مدى أطول أو قوة إشارة أفضل. يمكن أن يكون مثال على ذلك رابطًا لاسلكيًا يستند إلى Lora بين نقطتين ثابتتين ، مثل محطة الطقس عن بعد ومركز جمع البيانات ، حيث يمكن لهوائي اتجاه في كل طرف تحسين ناقل الحركة والاستقبال.

** أهمية اختيار التردد في هوائيات لورا **

إن اختيار التردد المناسب لهوائي Lora له أهمية قصوى. كما ذكرنا سابقًا ، فإن الترددات المشتركة البالغة 433 ميجاهرتز ، 868 ميجا هرتز ، و 915 ميجا هرتز لها خصائصها ومزاياها الخاصة. على سبيل المثال ، يوفر تردد 433 MHz توازنًا جيدًا بين النطاق والاختراق. يمكن أن تغطي مسافات طويلة نسبيا وقادرة على اختراق العقبات بشكل جيد بشكل معقول. هذا يجعلها خيارًا شائعًا للتطبيقات التي يحتاجها الاتصال إلى مساحة متوسطة الحجم مع بعض العوائق ، كما هو الحال في بيئة الحرم الجامعي حيث يتم استخدام أجهزة Lora لمراقبة الأمان أو التحكم في الإضاءة.

يوفر تردد 868 MHz ، والذي يستخدم على نطاق واسع في أوروبا ، قدرات ممتازة نطاق ، وخاصة في المناطق المفتوحة. غالبًا ما يتم تفضيلها لتطبيقات مثل الزراعة الذكية ، حيث تحتاج أجهزة الاستشعار التي تنتشر عبر الحقول الكبيرة إلى التواصل مع مركز مركزي. يسمح التردد السفلي للإشارات بالسفر إلى أبعد من ذلك دون توهين كبير ، مما يتيح نقل بيانات موثوق منه من أجهزة استشعار تقع بعيدًا عن المحطة الأساسية. وبالمثل ، فإن تردد 915 ميجاهرتز في الولايات المتحدة يوفر أيضًا نطاقًا جيدًا ومناسبًا لتطبيقات مختلفة من الصناعات الصناعية وإنترنت الأشياء في مجالها التنظيمي.

ومع ذلك ، فإن الأمر لا يتعلق فقط باختيار تردد يعتمد على النطاق وحده. تلعب المتطلبات التنظيمية أيضًا دورًا مهمًا. البلدان والمناطق المختلفة لها لوائح محددة تتعلق باستخدام ترددات الراديو. على سبيل المثال ، في أوروبا ، يتم تنظيم استخدام نطاق 868 MHz لـ LORA لضمان عدم وجود تدخل مع المستخدمين الآخرين المرخصين أو غير المرخصين للطيف. يجب على الشركات المصنعة ومستخدمي الهوائيات والأجهزة Lora الامتثال لهذه اللوائح لتجنب المشكلات القانونية ولضمان التشغيل السلس لشبكاتها اللاسلكية. هذا يعني أنه عند نشر نظام قائم على LORA في منطقة جديدة ، من الضروري البحث تمامًا وفهم لوائح التردد المحلي وتحديد مزيج الهوائي والتردد المناسب وفقًا لذلك.

** كسب الهوائي وتأثيره على اتصال لورا **

كسب الهوائي هو عامل حاسم آخر يجب مراعاته عند التعامل مع هوائيات لورا. يشير كسب الهوائي إلى قدرة الهوائي على تركيز أو توجيه الإشارة المرسلة أو المستلمة في اتجاه معين بشكل أكثر فعالية من المبرد المتناحي (هواة نظرية تشع بالتساوي في جميع الاتجاهات). في سياق Lora ، يمكن أن يزيد هوائي الكسب الأعلى من نطاق الاتصال عن طريق تركيز قوة الإشارة في الاتجاه المطلوب.

على سبيل المثال ، يمكن بوابة Lora المجهزة بهوائي اتجاه عالي الكسب التواصل مع أجهزة Lora End التي تقع على مسافة أكبر مقارنة باستخدام هوائي متعدد الاتجاهات مع كسب أقل. دعنا نقول في منطقة ريفية حيث يستخدم نظام إدارة المياه أجهزة استشعار Lora لمراقبة مستويات المياه في الآبار المنتشرة في منطقة كبيرة. باستخدام هوائي اتجاه عالي الكسب على البوابة ، يمكن للنظام أن يغطي نصف قطر أوسع ويتلقى بيانات من أجهزة استشعار على بعد عدة كيلومترات ، مما يضمن المراقبة الشاملة للمنطقة بأكملها.

ومع ذلك ، من المهم أن نلاحظ أنه على الرغم من أن الهوائيات عالية الكسب يمكن أن تمدد النطاق ، إلا أنها تحتوي أيضًا على عرض شعاع أضيق. هذا يعني أن المنطقة التي يمكن للهوائي التي يمكن أن تتلقاها بشكل فعال أو نقل إشارات أكثر تقييدًا. لذلك ، في التطبيقات التي من المحتمل أن تتحرك فيها أجهزة Lora أو لم يكون موقعها معروفًا بدقة ، يجب تحقيق التوازن بين المكاسب والعرض. على سبيل المثال ، في تطبيق لوجستيات ذكية حيث يتم إرفاق علامات LORA بحاويات الشحن التي تتنقل باستمرار داخل منطقة منفذ كبيرة ، قد يكون هوائي متعدد الاتجاهات مع مكسب معتدل اختيارًا أكثر ملاءمة لضمان اتصال موثوق به بغض النظر عن موقف الحاوية ، بدلاً من هوائيات اتجاهية عالية يمكن أن تفوت الإشارات إذا كانت حركات الحاويات خارج حركتها الضيقة.

** أنواع هوائيات لورا **

هناك عدة أنواع من هوائيات Lora المتاحة في السوق ، ولكل منها مجموعة من الخصائص والتطبيقات الخاصة بها. واحدة من أكثر الأنواع شيوعا هو هوائي السوط. هوائيات السوط بسيطة في التصميم وغالبًا ما تستخدم في أجهزة Lora المحمولة نظرًا لحجمها المدمج وسهولة التثبيت. عادة ما تكون متجانسة في كل مكان ويمكن أن توفر تغطية لائقة في منطقة صغيرة نسبيا حول الجهاز. على سبيل المثال ، في جهاز يدعم LORA المحمولة المستخدمة من قبل فنيي الحقل لجمع البيانات من مختلف أجهزة الاستشعار في مبنى أو منطقة خارجية صغيرة ، يمكن لهوائي السوط أن يوفر إمكانات كافية لإرسال الإشارة والاستقبال.

نوع آخر هو هوائي التصحيح. هوائيات التصحيح مسطحة ويمكن دمجها بسهولة في سطح الجهاز أو الهيكل. وهي معروفة بمكاسب عالية نسبيًا في اتجاه معين ، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تكون هناك حاجة إلى إشارة أكثر تركيزًا. في نقطة الوصول اللاسلكية المستندة إلى Lora مثبتة على جانب المبنى لتوفير اتصال لأجهزة Lora داخل منطقة معينة ، يمكن استخدام هوائي التصحيح لتوجيه الإشارة نحو منطقة التغطية المقصودة ، وتحسين قوة الإشارة وتقليل التداخل مع الأنظمة اللاسلكية الأخرى في المنطقة المجاورة.

تستخدم هوائيات Yagi أيضًا في تطبيقات Lora. هوائيات Yagi هي اتجاهية وتوفر مكاسب عالية ، مما يتيح التواصل بعيد المدى في اتجاه محدد. عادة ما يتم استخدامها في السيناريوهات حيث يكون مسار الاتصال محدد جيدًا ويجب نقل إشارة قوية على مسافة كبيرة. على سبيل المثال ، في صلة اتصال قائم على Lora بين مبنيين عن بُعد أو محطة أساسية وعقدة مستشعر بعيدة ، يمكن استخدام هوائي Yagi لإنشاء اتصال موثوق به وطويل المدى.

** هوائيات السوط: مضغوطة ومتعددة الاستخدامات **

تتميز هوائيات السوط بالشكل النحيف الذي يشبه القضيب. غالبًا ما تكون مصنوعة من مواد مرنة مثل الألياف الزجاجية أو البلاستيك ، مما يجعلها أقل عرضة للكسر أثناء المناولة أو في البيئات الخارجية. يرتبط طول هوائي السوط بالطول الموجي للتردد الذي تم تصميمه للعمل عليه. على سبيل المثال ، سيكون لهوائي السوط لتردد Lora 868 MHz طول مختلف مقارنة بتردد 915 MHz.

فيما يتعلق بالأداء ، توفر هوائيات WHIP عرضًا واسعًا نسبيًا ، مما يعني أنه يمكنهم تلقي الإشارات ونقلها من منطقة أكبر حول الهوائي مقارنة ببعض الأنواع الأخرى. هذا يجعلها مناسبة للتطبيقات التي قد يحتاجها جهاز LORA إلى التواصل مع الأجهزة الأخرى في اتجاهات مختلفة ضمن نطاق معين. ومع ذلك ، فإن مكاسبها عادة ما تكون أقل مقارنة بهوائيات التصحيح أو ياجي. في تطبيق منزلي ذكي حيث يتم استخدام أجهزة Lora للتحكم في مختلف الأجهزة وأجهزة الاستشعار داخل المنزل ، يمكن أن يوفر هوائي السوط على كل جهاز اتصالًا كافيًا للتواصل مع بوابة Lora المركزية الموجودة في بقعة مريحة داخل المنزل ، حتى لو تم وضع الأجهزة في غرف مختلفة أو على طابق مختلف.

** هوائيات التصحيح: مسطحة ومركزة ** **

تم تصميم هوائيات التصحيح مع رقعة مسطحة أو مستطيلة أو دائرية من المواد الموصلة مثبتة على ركيزة عازلة. يحدد شكل وحجم التصحيح ، إلى جانب خصائص الركيزة ، تردد تشغيل الهوائي وخصائص الكسب. غالبًا ما يتم دمجها في غلاف أجهزة Lora أو مثبتة على سطح مسطح ، مثل جانب المبنى أو السيارة.

الميزة الرئيسية لهوائيات التصحيح هي قدرتها على توفير مكاسب عالية نسبيًا في اتجاه معين. هذا يجعلها مثالية للتطبيقات التي يحتاج فيها اتصال Lora إلى توجيهها نحو منطقة أو جهاز معين. على سبيل المثال ، في نظام إدارة وقوف السيارات المستند إلى LORA حيث يتم تثبيت أجهزة الاستشعار في أماكن وقوف السيارات للكشف عن وجود المركبات ، يمكن توجيه هوائي التصحيح في وحدة التحكم المركزية نحو منطقة وقوف السيارات لضمان اتصال موثوق به مع أجهزة الاستشعار وتقليل التداخل من الإشارات اللاسلكية الأخرى في البيئة المحيطة.

** هوائيات ياجي: مكسب الاتجاه والارتفاع ** **

تتكون هوائيات Yagi من عنصر مدفوع وعناصر عاكس وعناصر المخرج مرتبة في تكوين محدد. يسمح مزيج هذه العناصر للهوائي بتركيز الإشارة في اتجاه معين مع مكسب عالٍ. عادة ما تكون أكبر في الحجم مقارنة بهوائيات السوط والتصحيح ، لكن قدراتها الاتجاهية تجعلها فعالة للغاية لتواصل LORA بعيد المدى.

في شبكة Lorawan المستخدمة للمراقبة البيئية في منطقة غابة كبيرة ، على سبيل المثال ، يمكن تثبيت هوائي Yagi على برج طويل القامة على حافة الغابة للتواصل مع أجهزة استشعار Lora المنتشرة في جميع أنحاء الغابة. تمكنه المكاسب العالية والطبيعة الاتجاهية لهوائي Yagi من إرسال واستقبال إشارات من أجهزة الاستشعار الموجودة على بعد عدة كيلومترات ، حتى من خلال أوراق الشجر السميكة وغيرها من العقبات في الغابة.

** مقاييس أداء هوائيات لورا **

يتم استخدام العديد من مقاييس الأداء لتقييم فعالية هوائيات Lora. واحدة من المقاييس الرئيسية هو نمط الإشعاع. يصف نمط الإشعاع كيف يشع الهوائي أو يتلقى إشارات في اتجاهات مختلفة. بالنسبة للهوائيات متعددة الاتجاهات مثل هوائي السوط ، يكون نمط الإشعاع كرويًا أو قريب منه ، مما يعني أنه يمكن أن يتلقى الإشارات ونقلها بالتساوي في جميع الاتجاهات المحيطة بالهوائي. من ناحية أخرى ، فإن الهوائيات الاتجاهية مثل هوائي Yagi لها نمط إشعاعي أكثر تركيزًا ، مع تركيز الإشارة في اتجاه معين.

مقياس آخر مهم هو المقتنان. المقاومة هي مقياس للمعارضة التي يعرضها الهوائي لتدفق التيار المتناوب. لكي يعمل هوائي Lora بكفاءة ، يجب مطابقة مقاومةه بمقاومة دوائر المرسل والمستقبل. إذا لم تتم مطابقة المعاوقة بشكل صحيح ، فقد يؤدي ذلك إلى انعكاس الإشارة وفقدان الطاقة ، مما يؤدي إلى انخفاض نطاق الاتصال والأداء. يحدد المصنعون عادة مقاومة هوائيات Lora الخاصة بهم ، ومن الأهمية بمكان أن يضمن المستخدمون مطابقة المقاومة المناسبة عند دمج الهوائي في جهاز أو نظام Lora.

عرض النطاق الترددي لهوائي Lora هو أيضًا عامل مهم. يشير عرض النطاق الترددي إلى نطاق الترددات التي يمكن للهوائي أن يعمل عليها بفعالية. في حالة هوائيات Lora ، نظرًا لأنها تعمل بترددات محددة مثل 433 MHz ، 868 MHz ، أو 915 MHz ، تحدد عرض النطاق الترددي مدى قدرة الهوائي على التعامل مع الاختلافات الطفيفة في تردد التشغيل. يمكن أن يتسامح هوائي عرض النطاق الترددي الأوسع نطاق لتخفيضات التردد دون تدهور كبير في الأداء ، والذي يمكن أن يكون مفيدًا في البيئات التي قد يكون فيها بعض التداخل أو الانجراف التردد. على سبيل المثال ، في بيئة صناعية حيث توجد أجهزة لاسلكية متعددة تعمل في المنطقة المجاورة ، يمكن أن يكون هوائي Lora ذو عرض النطاق الترددي الأوسع نطاقًا أفضل مع أي تغييرات في التردد المحتملة الناتجة عن التداخل من الأجهزة الأخرى.

** نمط الإشعاع: فهم توزيع الإشارة **

عادة ما يتم تمثيل نمط الإشعاع لهوائي Lora بيانياً في الإحداثيات القطبية. يوضح النمط القوة النسبية للإشارة المشعة أو المستلمة في اتجاهات مختلفة. بالنسبة لهوائي Lora متعدد الاتجاهات ، سيظهر نمط الإشعاع توزيعًا موحدًا نسبيًا لقوة الإشارة حول الهوائي ، مع انخفاض قوة الإشارة تدريجياً مع زيادة المسافة من الهوائي في جميع الاتجاهات.

في المقابل ، سيكون لهوائي Lora الاتجاهي مثل هوائي Yagi نمط إشعاعي يتركز في اتجاه معين. ستكون قوة الإشارة أعلى في الاتجاه الذي تتمثل فيه الهوائي نحوه ، وسوف تنخفض بسرعة مع انحراف الزاوية من الاتجاه الرئيسي. يعد فهم نمط الإشعاع أمرًا بالغ الأهمية عند نشر هوائيات Lora ، لأنه يساعد في تحديد الموضع والتوجه الأمثل للهوائي لتحقيق أفضل تغطية الإشارة وأداء الاتصال. على سبيل المثال ، في شبكة مستشعرات لاسلكية مقرها LORA المستخدمة في الأمن المحيط لمرفق صناعي كبير ، يمكن معرفة نمط الإشعاع للهوائيات المستخدمة على المستشعرات والبوابة في وضعها بطريقة لا توجد بقع عمياء في منطقة التغطية ويمكن أن تنتقل الإشارات بشكل فعال وتستلمها بين جميع العائلات.

** مطابقة المقاومة: ضمان نقل الطاقة الأمثل **

مطابقة المعاوقة هي جانب حاسم في أداء هوائي Lora. عادة ما يتم تحديد مقاومة هوائي Lora في أوم ، والقيم المشتركة هي 50 أوم أو 75 أوم. لتحقيق النقل الأمثل للطاقة بين الهوائي ودوائر المرسل أو المتلقي ، يجب أن تتطابق مقاومة الهوائي مع مقاومة الدوائر المتصلة. إذا كان هناك عدم تطابق للمقاومة ، فسيتم انعكاس جزء من الإشارة المنقولة نحو المصدر بدلاً من الإشعاع في الهواء أو استلامه بفعالية بواسطة الهوائي.

يمكن أن يسبب هذا الانعكاس خسائر كبيرة في الطاقة وتدمر أداء اتصال Lora. على سبيل المثال ، إذا تم توصيل جهاز إرسال Lora الذي يعاني من مقاومة الإخراج من 50 أوم بهوائي مع مقاومة 75 أوم ، فسيتم انعكاس كمية كبيرة من الطاقة المنقولة ، مما يؤدي إلى وجود إشارة أضعف تشع وربما أقصر من ذلك. لتجنب ذلك ، يتم استخدام تقنيات مطابقة المعاوقة مثل استخدام شبكات مطابقة المعاوقة أو اختيار الهوائيات مع المعاوقة المناسبة لجهاز أو نظام LORA المحدد.

** اعتبارات عرض النطاق الترددي: التكيف مع اختلافات التردد **

يحدد عرض النطاق الترددي لهوائي Lora قدرته على التعامل مع اختلافات التردد. في بيئة حقيقية ، قد لا يكون تردد تشغيل هوائي Lora دائمًا في التردد المحدد بسبب عوامل مختلفة مثل التغيرات في درجة الحرارة ، أو التداخل من الأجهزة الأخرى ، أو التحمل التصنيع. يمكن أن يستوعب هوائي عرض النطاق الترددي الأوسع هذه الاختلافات بشكل أكثر فعالية دون فقدان كبير في الأداء.

على سبيل المثال ، في تطبيق المدينة الذكية حيث توجد العديد من الأجهزة اللاسلكية التي تعمل على مقربة ، قد تواجه هوائيات Lora المستخدمة في أجهزة الاستشعار والبوابات بعض الانجراف التردد بسبب التداخل من الأنظمة اللاسلكية الأخرى. يمكن للهوائي ذو النطاق الترددي الأوسع نطاقًا أفضل مع هذه التغييرات ويستمر في توفير اتصال موثوق به. من ناحية أخرى ، قد يعاني هوائي ذو عرض ترددي ضيق ضيقة من تدهور الأداء إذا كان تردد التشغيل ينحرف حتى قليلاً عن التردد المصمم ، مما يؤدي إلى انخفاض النطاق وفقدان البيانات المحتمل.

** تطبيقات هوائيات لورا **

يجد هوائيات لورا تطبيقات واسعة في مختلف الصناعات والسيناريوهات. أحد التطبيقات البارزة في مجال المدن الذكية. في بيئة المدينة الذكية ، يتم استخدام هوائيات Lora في مجموعة واسعة من الأجهزة مثل العدادات الذكية للكهرباء والمياه ومراقبة استهلاك الغاز. تتيح إمكانات هوائيات Lora طويلة المدى هذه العدادات نقل البيانات إلى نقطة جمع مركزية تقع على بعد عدة كيلومترات ، مما يتيح إدارة فواتير فعالة وفواتيرها. على سبيل المثال ، في منطقة حضرية كبيرة ، يمكن توصيل الآلاف من العدادات الذكية بشبكة Lorawan باستخدام هوائيات Lora ، مما يوفر بيانات في الوقت الفعلي عن استهلاك الطاقة والموارد لشركات المرافق.

هناك تطبيق مهم آخر في مجال تتبع الأصول. يتم دمج هوائيات Lora في علامات تتبع الأصول المرتبطة بالأصول القيمة مثل المركبات أو الحاويات أو المعدات الصناعية. هؤلاء