IoT Protokolleri: LoRaWAN, NB-IoT, Modbus ve MQTT Karşılaştırması

LoRaWAN, NB-IoT, Modbus ve MQTT çoğu zaman aynı IoT sisteminin farklı katmanlarında birlikte kullanılır. Modbus sahadaki cihazdan veri okur, LoRaWAN veya NB-IoT sensör verisini kablosuz taşır, MQTT de veriyi platforma iletir.

LoRa, uzun menzilli ve düşük enerjili bir radyo modülasyonudur. LoRaWAN bu radyonun üzerinde çalışan ağ ve güvenlik protokolüdür. NB-IoT, mobil operatörün lisanslı hücresel şebekesini kullanır. Modbus, sahadaki sayaç, analizör ve PLC'lerden veri okumanın endüstriyel standardıdır. MQTT ise verileri buluta taşıyan hafif bir mesajlaşma protokolüdür.

Protokoller hangi katmanda çalışır?

Tipik bağlantı zincirleri şöyle görünür:

Enerji analizörü --Modbus RTU (RS-485)--> Ağ geçidi --MQTT/TLS (fiber veya LTE)--> Broker --> Platform
Toprak nem sensörü --LoRaWAN--> Gateway --> Ağ sunucusu --MQTT entegrasyonu--> Platform
Su tankı seviye sensörü --NB-IoT (UDP/CoAP veya MQTT)--> Operatör şebekesi --> Platform

LoRa ve LoRaWAN farkı

LoRa, Semtech'in geliştirdiği chirp spread spectrum (CSS) tabanlı bir fiziksel katman modülasyonudur. Lisanssız sub-GHz bantlarda çalışır. Avrupa'da ve Türkiye'de yaygın olarak EU868 (863–870 MHz) bant planı kullanılır. Yayılma faktörü (SF7–SF12) yükseldikçe menzil artar, veri hızı düşer. LoRa tek başına noktadan noktaya da kullanılabilir. Bu durumda adresleme, güvenlik ve tekrar iletim gibi işlevleri geliştiricinin kendisi tasarlar.

LoRaWAN, LoRa Alliance'ın yayımladığı ve ITU-T Y.4480 olarak da standartlaşan ağ protokolüdür:

• Topoloji: Uç cihazlar gateway'lere, gateway'ler de ağ sunucusuna bağlanır (star-of-stars). Gateway'ler paketleri olduğu gibi iletir. Mükerrer paket ayıklama, uyarlamalı veri hızı (ADR) ve MAC komutları ağ sunucusunda yürütülür.
• Güvenlik: AES-128 ile ağ ve uygulama katmanı için ayrı oturum anahtarları kullanılır. Cihaz katılımında OTAA, sabit anahtarlı ABP'ye göre daha güvenli kabul edilir.
• Cihaz sınıfları: Class A en düşük enerjiyi harcar ve yalnızca kendi gönderiminden sonra kısa bir süre dinler. Class B zamanlanmış dinleme pencereleri açar. Class C sürekli dinler ve genellikle şebeke enerjili cihazlarda kullanılır.
• Kısıtlar: EU868'de alt bantların çoğunda %1 görev döngüsü (duty cycle) uygulanır. Bu, saatte yaklaşık 36 saniye yayın süresi demektir. Veri hızı yaklaşık 250 bit/s (SF12) ile 5,5 kbit/s (SF7, 125 kHz) arasındadır. Uygulama yükü veri hızına göre yaklaşık 51–222 bayt ile sınırlıdır. LoRaWAN küçük ve seyrek veriler için uygundur. Görüntü veya sürekli akış taşımaz.

NB-IoT

NB-IoT, 3GPP Release 13 ile tanımlanan LTE tabanlı bir hücresel IoT teknolojisidir. Lisanslı spektrumda, 180 kHz'lik dar bir bantta çalışır.

• Veri hızı: Cat-NB1'de tepe değerler aşağı yönde yaklaşık 26 kbit/s, yukarı yönde yaklaşık 66 kbit/s'tir. Release 14 ile gelen Cat-NB2'de bu değerler yaklaşık 127/159 kbit/s'e çıkar.
• Kapsama: 164 dB maksimum bağlantı kaybı (MCL) hedefiyle bodrum, sayaç odası ve rögar gibi zor noktalara ulaşabilir.
• Enerji: PSM (güç tasarruf modu) ve eDRX sayesinde, raporlama aralığı uygun seçilirse pilli cihazlar yıllarca çalışabilir.
• Kısıtlar: Operatör kapsamasına ve SIM aboneliğine bağlıdır. Gecikme saniyeler mertebesindedir ve hareketli kullanım sınırlıdır. TCP ek yükü nedeniyle UDP/CoAP veya MQTT-SN sık tercih edilir. Daha yüksek hız ve mobilite gerekiyorsa LTE-M'e bakın.

Modbus RTU ve Modbus TCP

Modbus, 1979'da Modicon'un geliştirdiği açık ve basit bir istemci/sunucu (master/slave) protokolüdür. Enerji analizörü, PLC, invertör ve sürücülerde hâlâ en yaygın saha protokollerinden biridir.

• Modbus RTU: RS-485 üzerinde ikili formatta çalışır. Tek bir master cihazları sırayla sorgular. 247 adrese kadar cihaz tanımlanabilir. Tekrarlayıcı olmadan bir segmentte tipik olarak 32 birim yük desteklenir. Düşük hızlarda hat uzunluğu 1200 m'ye kadar çıkabilir. Yaygın hızlar 9600–115200 bit/s'tir.
• Modbus TCP: Ethernet/IP üzerinde, TCP 502 numaralı portta çalışır ve birden fazla istemciye izin verir. Protokolün kendisinde kimlik doğrulama veya şifreleme yoktur. Bu yüzden ayrı bir VLAN'da veya VPN arkasında tutulmalıdır. TLS kullanan Modbus/TCP Security uzantısı da var.
• Veri modeli: Coil, discrete input, input register ve holding register alanlarından oluşur. Her cihazın kendi register haritası vardır. 32 bit ondalıklı sayılar iki 16 bitlik register'a bölünür ve kelime sırası (word order) üreticiye göre değişir. Entegrasyonlardaki hataların en sık kaynağı budur.

MQTT

MQTT, bir broker üzerinden çalışan, yayınla/abone ol (publish/subscribe) modelli hafif bir mesajlaşma protokolüdür. MQTT 3.1.1 bir OASIS standardıdır ve ISO/IEC 20922 olarak da yayımlanmıştır. MQTT 5.0 hata kodları, mesaj ömrü ve paylaşımlı abonelik gibi özellikler ekler.

• Konular (topic): Hiyerarşiktir, örneğin tesis/gebze/pano1/aktif_guc. + ve # joker karakterleriyle toplu abonelik yapılabilir.
• QoS seviyeleri: 0 (en fazla bir kez), 1 (en az bir kez), 2 (tam olarak bir kez).
• Faydalı özellikler: Retained mesajlar son değeri saklar. Last Will mesajı, cihazın bağlantısı beklenmedik biçimde koptuğunda platforma haber verir.
• Güvenlik: Standart portlar 1883 (şifresiz) ve 8883'tür (TLS). Sahada TLS, cihaz başına kimlik bilgisi veya sertifika ve konu bazlı erişim listeleri (ACL) kullanın.

MQTT'nin kendi radyo katmanı yoktur. Ethernet, Wi-Fi, LTE veya NB-IoT gibi herhangi bir IP bağlantısının üzerinde çalışır.

Karşılaştırma tablosu

Senaryolar

Enerji izleme (fabrika, AVM, GES)

• Pano analizörleri ve sayaçlar Modbus RTU ile bir ağ geçidine bağlanır. Ağ geçidi register'ları belirli aralıklarla (örneğin 15 saniye ile 1 dakika arası) okur ve MQTT/TLS ile platforma gönderir.
• Bağlantı kesildiğinde ölçümler kaybolmasın diye ağ geçidinde yerel tampon (store-and-forward) bulunmalıdır.
• Aktif ve reaktif enerji, güç faktörü, harmonik bozulma (THD), faz dengesizliği ve talep değerleri izlenir. Reaktif enerji sınırlarına veya talep zirvelerine yaklaşıldığında alarm üretilir.
• GES invertörleri çoğunlukla Modbus TCP ve SunSpec veri modellerini destekler. Yerel ağı olmayan uzak sayaç noktalarında NB-IoT pratik bir alternatiftir.

Sera

• Hava sıcaklığı ve nemi, toprak nemi ve sıcaklığı, EC, CO2 ve ışık (PAR) ölçülür. Sıcaklık ve nemden hesaplanan buhar basıncı açığı (VPD), bitki stresi için kullanışlı bir göstergedir.
• Birden fazla serayı kapsayan pilli sensörler için LoRaWAN uygundur. Tek bir direğe monte edilen gateway geniş bir alanı karşılayabilir.
• Fan, havalandırma kapağı, sulama vanası ve ısıtıcı kontrolü yerel kontrolörde (Modbus üzerinden PLC) kalmalıdır. Platform alarm ve öneri üretir. Asıl kontrol döngüsü ise internet bağlantısına bağımlı olmamalıdır. LoRaWAN Class A cihazlarda aşağı yön komutlarının gecikmeli ulaştığını da hesaba katın.

Hayvancılık

• Ahırda sıcaklık ve nemden hesaplanan sıcaklık-nem indeksi (THI) ısı stresini gösterir. Amonyak (NH3) ve CO2 ölçümleri havalandırma kararlarına yardımcı olur.
• Soğutma tankındaki süt sıcaklığı gıda güvenliği açısından sürekli izlenmelidir. Su tüketimindeki ani değişimler hem tesisat arızası hem sürü sağlığı için erken uyarı olabilir.
• Merada GPS takip cihazları ve uzak su yalakları için LoRaWAN, yerel ağı olmayan jeneratör veya güneş enerjili noktalar için NB-IoT uygundur. Aktivite ve geviş izleme boyunlukları genellikle üreticiye özel sistemlerdir ve API üzerinden entegre edilir.

Protokol seçerken sorulacak sorular

1. Cihaz şebeke enerjili mi, pilli mi?
2. Veri ne sıklıkta ve hangi büyüklükte gönderilecek?
3. Saha kendi alanınız mı (tesis, sera, çiftlik), yoksa şehir geneline mi dağılmış?
4. Çift yönlü kontrol ve düşük gecikme gerekiyor mu?
5. Mevcut cihazların arayüzü ne (RS-485 Modbus, Ethernet, analog/pulse çıkış)?
6. İşletme modeli: SIM başına aylık ücret mi, gateway yatırımı mı daha uygun?
7. Güvenlik: TLS, anahtar yönetimi ve ağ ayrımı nasıl sağlanacak?

Metrik (yakında) üzerinde çalışıyoruz. Amacı, NB-IoT, Modbus, MQTT, LoRaWAN ve LoRa üzerinden gelen verileri enerji, sera ve hayvancılık senaryoları için aynı platformda toplamak. Ağ ve saha donanımı wi.com.tr üzerinden alınabilir.

Sık sorulan sorular

LoRa ile LoRaWAN aynı şey mi?

Hayır. LoRa fiziksel katmandaki radyo modülasyonudur. LoRaWAN ise LoRa üzerinde çalışan ağ yapısını, adreslemeyi, güvenliği ve cihaz sınıflarını tanımlayan protokoldür. Her LoRaWAN cihazı LoRa kullanır, ama her LoRa uygulaması LoRaWAN değildir.

NB-IoT mi, LoRaWAN mı seçmeliyim?

Cihazlarınız geniş bir coğrafyaya dağılmışsa ve operatör kapsaması iyiyse NB-IoT ile altyapı kurmadan hızlı başlarsınız. Sera, çiftlik veya tesis gibi sınırları belli bir alanda çok sayıda sensörünüz varsa, SIM ücreti olmayan kendi LoRaWAN ağınız genellikle daha esnek ve ekonomik olur.

MQTT, LoRaWAN'ın alternatifi mi?

Hayır, farklı katmanlarda çalışırlar. LoRaWAN veriyi sensörden ağ sunucusuna kablosuz olarak taşır. MQTT ise genellikle ağ sunucusundan veya ağ geçidinden platforma veri aktarmak için kullanılır. Birçok LoRaWAN ağ sunucusunda hazır MQTT entegrasyonu bulunur.

Modbus TCP cihazlarını doğrudan internete açabilir miyim?

Açmamalısınız. Modbus TCP'de kimlik doğrulama ve şifreleme yoktur. İnternete açık bir cihaz yetkisiz okuma ve yazmaya karşı savunmasızdır. Cihazları ayrı bir VLAN'da tutun ve veriyi dışarıya giden MQTT/TLS bağlantısıyla ya da VPN üzerinden aktarın.

Pilli bir IoT sensörü kaç yıl dayanır?

Tek bir cevabı yok. Pil ömrü raporlama sıklığına, radyo koşullarına (LoRaWAN'da yayılma faktörü, NB-IoT'de kapsama seviyesi), sensörün kendi tüketimine, pil kapasitesine ve ortam sıcaklığına bağlıdır. Üretici tahminlerini kendi raporlama senaryonuzla doğrulamanız gerekir.