PCBニュース - なぜLoRaがIoTのキーテクノロジーになるのか

私たちが相互接続時代に入るにつれて、モノのインターネット（IoT）への依存度はさらに明らかになります。たくさんの物理デバイス、車両、その他の物品の間で大量のデータを能動的に伝送する能力は、人々と企業のルールを変えるだろう。

Machina Researchの情報によると、2025年までに270億個のIoT接続が3兆ドルの収入を生むと推定しています。2025年には短距離無線技術がIoT接続全体の約72%を占め続けるが、Machina Researchは、11%のIoT接続が低消費電力、広域ネットワーク（LPWAN）技術を使用すると推定しており、ソリューションの真の市場チャンスを示しています。遠距離および低消費電力機能を中心に構築されています。

この傾向をサポートするためには、さまざまな接続アプリケーションを活用できる信頼性の高いテクノロジーが必要です。データ転送は、広範囲で低消費電力のセキュアなネットワークに依存しています。解決策はLoRa無線周波数技術であり、これは遠隔、低消費電力の無線周波数（RF）プラットフォームです。LoRa技術は、稠密な都市環境と分散した農村地域で動作するために十分な汎用性を持ち、多様な理想的なIoTソリューションに適しています。

LoRaベースによるIoTソリューションは、LPWANゲートウェイアプリケーションを介してデータを送信するLoRaを有効にした組み込みセンサーから始まります（図1参考）。その後、ネットワークサーバに送信し、アプリケーションサーバとクラウドIoTサービスにルーティングします。これらのアプリケーションは、組み込みセンサから収集されたデータを説明するために機械学習や人工知能などの技術を使用し、エンドユーザに価値のある情報を安全に提供します。

1.LoRaネットワークアーキテクチャ

安全な物のネットワーク

Gartnerは、過去3年間で20%近くの組織がIoTベースの攻撃を少なくとも観察していたことを発見しました。同社はまた、2021年のIoTセキュリティへの支出が31億ドルに達すると予測しています。

LoRaWAN仕様は、バッテリに電力を供給するものをローカル、国、またはネットワークのインターネットに無線接続するための低消費電力、広域ネットワークプロトコルです。LoRaWANネットワークプロトコルの重要な要素はセキュリティです。例えば、そのベンチマークおよびセキュリティフレームワークは、IEEE 802.15.4／2006アクセサリB［IEEE 802154］によって実施されるAES 128暗号化スキームに基づいています。個々の鍵を使用したユーザーデータ暗号化と認証/ネットワーク整合性により、LoRaWANは単一の鍵実装と比べて高いセキュリティを提供します。

IoTデバイスやいわゆるターミナルノードをLoRaWANネットワークに接続するには2つの方法があります。それを「パーソナライズアクティベーション」（ABP）と呼びます。この方法では、ネットワークセッション鍵及びアプリケーションセッション鍵は、デバイスが接続する特定のLoRaWANネットワークを識別する32ビットデバイスアドレス及び24ビットネットワークIDとともにIoTデバイスに格納されています。

LoRaWAN IoTデバイスを接続するためのデフォルトの方法は、空中活性化（OOTA）と呼ばれるプロセスによって行われます。この方法により、各IoTデバイスはネットワークサーバに参加要求メッセージを送信し、ネットワークサーバはそのメッセージをサーバに転送します。

2.参加要求と参加受付メッセージフォーマット

この参加要求MACコマンドは、3つのデータフィールドを含みます。IEEEが定義する64ビットDevEUI（LoRaデバイスの「Ethernet MAC」アドレスとみなすことができる）は、この特定のLoRaWAN／端末ノードを識別します。また、この特定のターミナルノードが接続するアプリケーションサーバを識別するためのAppEUIも送信されます。最終データはランダムな2バイトデバイストークンです。サーバに参加すると、各端末ノードからの以前の参加要求メッセージ中のランダムデバイストークンが格納されます。

3.NwkSKeyとAppSKey生成（LoRaWAN 1.02仕様）

参加サーバが特定の端末ノードから受信した将来の参加要求であり、そのデバイストークンが近く受信したトークンと同じである場合、参加サーバは参加要求を無視します。これにより、ハッカーが特定の端末ノードから何らかの方法で「参加要求」無線メッセージをキャプチャし、元の端末装置をネットワークから切断するために同じメッセージを再放送（つまり再送信）して、いわゆる「再放送攻撃」が防止されます。

参加サーバがDevEUIとAppEUIの組み合わせを検証できる場合にのみ32ビットデバイスアドレス、24ビットネットワークID、3バイトアプリケーショントークンを発行します。ターミナルノードは、いわゆる「参加応答」コマンドでネットワークサーバからパラメータを受信します。その後、端末ノードは独自のセキュリティ鍵を生成することができます。

その中に、アプリケーションセッションキー（AppSKey）とネットワークセッションキー（NwkSKey）を生成するすることは重要です。これらの鍵を生成する鍵フィールドの1つはAppKeyです。これは、エンドノードごとに128ビットの固定値です。

設計は安全性を考慮して、LoRa配置はIoTソリューションの命脈です。ここでは、LoRaベースによるIoTアプリケーションの一般的な例をいくつか見てみましょう。

サプライチェーン追跡

トラック、自動車、汽船、航空機などの車列は、市場を持つ多くの企業の中堅である。IoTチーム追跡を利用することで、企業はコスト削減のための賢明な意思決定を行うために必要なデータを得ることができます。組み込み型センサは、ルート計画、地理的車両追跡、計画的なメンテナンスとダウンタイムの削減のための予測的なメンテナンス更新を通じて、効果的な燃料管理を支援することができます。車列全体に組み込みセンサーを1日未満で搭載でき、低消費電力で20年間使用できるため、メンテナンス作業量を維持することができます。

組み込みセンサは、サプライチェーン内でこれらの車列が搬送する貨物を監視するためにも使用することができます。貨物会社は冷蔵室の環境条件を監視し、自動的に調整することができ、それによって深刻な温度変動のリスクを低減することができます。敏感な腐敗しやすい食品（例えば食品）を遠隔輸送する際に必要な機能を持ちます。また、センサは、出荷場所に関する地理的データを定期的に中継することができ、これにより、ユーザに監視物品を提供し、所定の目的地に到着することを確実にすることができます。

スマート農業

地球上の水の3%だけが利用可能な淡水であり、その70%が農業によって消費されています。IoTソリューションは、農民に必要な情報を提供して、可処分な資源を有効に活用する方法を決定するために重要です。LoRaベースの知能灌漑を使用することで、農民は過度な灌漑や枯渇による農作物の死亡リスクを減らすことができます。

灌漑区には遠隔センサプラットフォームと異なる深さの土壌湿度センサが装備されている。センササイトのLoRaトランシーバは、土壌湿度レベルに関するデータを含むメッセージパケットを定期的にLoRaゲートウェイに送信します。ゲートウェイは半径6マイルで最大1000個のセンサ配置をサポートすることができます。次に、土壌データを専用またはクラウドベースのサーバで分析し、エンドユーザーに送信し、エンドユーザーは干ばつ地域で手動または自動灌漑を行うためにアプリケーションを構成することができます。センサと灌漑システムを統合することにより、農民は最大30%の用水量を節約しながら、農作物の生産量を維持することができ、これによりLoRa技術は農業業界の理想的なIoTソリューションになります。

スマートホーム

家主として、水、照明、温度などに気をつけなければならないことがたくさんあります。相互接続時代には、ユビキタスネットワークソリューションは、所有者がネットワークのどこにいても容易にアクセスできるように、ユーティリティの管理をシンプル化します。LoRaをサポートするスマートホームアプリケーションは、サーモスタット、散水装置、ドア、ロック、電源コンセントに拡張できます。スマート冷蔵庫と同様に、LoRaベースのサーモスタットは家庭の温度を監視し、必要に応じて終日調整することができます。スマート灌漑アプリケーションは、シャワーヘッドがいつ有効になったかを監視することができます。これらのアプリケーションは、モバイルデバイスを介して簡単にアクセスでき、家主や不動産管理者がさまざまな公共事業を制御し、エネルギーを節約できるようになります。

また、インテリジェントホーム・IoTソリューションは、家や建物を水分から保護するのにも役立ちます。カビは多くの家主を悩ます問題であるが、カビを成長させるには理想的な条件が必要があります。水分と湿度はカビの成長の重要な要素であり、どちらもLoRaに基づく埋め込みセンサーを用いて監視することができます。除湿機は他のスマートホーム公共事業と同様に、LoRaネットワークを介して活性化することができます。さらに、低コストかつ低電力のセンサは、水槽の下、配管、窓の近くなど、漏水しやすい領域に設置することができます。家屋全体の湿度と温度レベルを決定することにより、家主は漏えいが発生したときにすぐに通知され、必要に応じてカビの成長を防ぐために修復することができます。

将来

世界が相互接続時代を迎えるにつれ、新たな課題に対応するために、より多くのIoTアプリケーションを開発する必要があります。LoRaテクノロジーは、IoTソリューションに重要なサポートを提供し続け、エンドユーザーにリモート、低消費電力ネットワークを提供します。IoTの遺伝子として、LoRa技術は明るい未来を持ち、異業種にIoTへの参加に必要なツールを提供することができます。

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