LoRa在物聯網中應用淺析

陳卓逸

（華中師范大學第一附屬中學朝陽學校,北京 100025）

0 引言

WSN的發展催生了一系列工業，科學，交通，城市基礎設施和安全等方面的潛在應用。WSN將傳感技術，計算機和通信技術集成到一個單獨的微設備上，稱之為感知節點。典型的WSN由大量的具有處理能力，感知能力，電源，存儲能力和射頻技術的感知設備組成。這些大量的傳感器應用于物聯網的各個領域，監視著物理或環境條件的變化，產生相應的感知信息，并且對這些信息做出進一步的處理。

無線網絡整個產業正逐漸朝著LPWAN方向演進。LPWAN相關技術可以很好地處理從幾公里到十幾公里廣域范圍內的低速率，低功耗和低流量的連接問題。LPWAN是智慧城市建設最有潛力的技術，比如智能測量，智能停車，最優路徑選擇，核能輻射測量，自適應街燈，智能垃圾管理，建康檢測，空氣污染檢測，廢水泄露檢測，森林防火檢測等等。

1 WSN幾種常用技術

無線傳感網絡由許多分散的無線節點組成，相互通信更容易受到不同的影響，比如無線傳輸效應，網絡干擾和熱噪聲等。同時由于無線頻譜資源緊張，在一個較大的無線網絡里很難有無干擾的通信。這些干擾都會引起通信網絡的性能下降。本文針對LPWAN技術用到的相關技術，比如Bluetooth,ZigBee，WiFi等進行了簡單的分析。重點描述了LoRa(Long Range)的技術優勢，同時結合智能城市建設，提出了幾種應用場景。表1是這幾種技術的主要特性比較。

表1 通信協議比較

1.1 Bluetooth

Bluetooth是無線個域網(WPAN)通信協議，工作頻段2.4GHz,容易受到干擾，使用跳頻擴展技術(FHSS)，最大傳輸速率1Mb/s。Bluetooth會話可以同時連接八個節點，采用主從方式，傳輸距離與能量損耗緊密相關，主要用來傳輸多媒體和文本信息。Bluetooth的擴展協議用于處理低速數據處理，因此具有更長的電池使用壽命。Bluetooth技術的挑戰主要是兩個方面：1.標準，不同廠家藍牙芯片要實現互聯，測試和認證復雜，落后于市場需求。2.價格，藍牙芯片組的價格高，普及難度增大。

1.2 ZigBee

Zigbee在低速無線個域網（LR-WPAN）的應用中最普遍，工作頻段2.4GHz,使用直序擴頻技術(DSSS)，最大傳輸速率250Kb/s，支持星型或點對點的拓撲，可以連接65000個節點。Zigbee的最大特點是可自組網，網絡節點數最大可達65000個。但是ZigBee也有缺點，首先是價格相對昂貴，其次協議棧帶寬的開銷對信道帶寬要求更高，反過來會影響通信距離和環境適應性，在實際應用中只好提高發射功率，這又與ZigBee的低功耗優點相矛盾。

1.3 WiFi

盡管bluetooth和ZigBee是低功耗和低復雜度的無線感知技術,但是他們也有限制，比如低數據速率，短距離和穿透性弱。WiFi是無線局域網(WLAN)技術，基于WSN的WiFi可以是以網絡為中心或以數據為中心，組成許多低功耗的節點分布在廣泛的區域。提供11-54Mb/s的傳輸速率，覆蓋范圍100m。整個網絡的節點數量取決與IP地址的多少。WiFi是目前應用最廣泛的無線通信技術，傳輸距離在100-300M，速率可達300Mbps，功耗10-50mA。

這3種無線技術，從傳輸距離來說，是WiFi＞ZigBee＞藍牙;從功耗來說，是WiFi＞藍牙＞ZigBee，后兩者僅靠電池供電即可；從傳輸速率來講，是WiFi＞藍牙＞ZigBee。

目前來說，WiFi的優勢是應用廣泛，已經普及到千家萬戶；ZigBee的優勢是低功耗和自組網；藍牙的優勢組網簡單。然而，這3種技術，也都有各自的不足，沒有一種技術能完全滿足智能城市的全部要求。

2 LoRa技術

LPWAN在通信產業發展迅猛。半導體Semtech公司利用高級擴頻技術，提出了一種低功率，長距離的LoRa技術。與傳統的調制技術比較，LoRa里用到的擴頻調制技術針對網絡干擾的影響只要增加很少的鏈路開銷。LoRa使用125kHz或以上的帶寬來廣播信號，使得其更容易受到信道噪聲，相對頻率，多普勒效應和信號衰落的影響。但是通過寬帶將窄帶信號進行擴頻，可以在低效的頻譜使用情況下增加系統容量。

發射裝置通過改變相鄰的連續符號間的頻率并且保持相位不變，生成一種Chrip信號。這種信號和噪聲很像，容易受到多徑衰落和多普勒頻移，干擾和擁塞，并且很難被竊聽解碼。接收裝置可以解碼，甚至在信號衰減到低于噪聲水平19.5dB的情況。Chrip信號也屬于DSSS的范疇，一個Chrip信號傳輸1bit信息。如果要提高數據速率就需要較寬的信號帶寬。

LoRa技術優勢，如圖1 LoRa的擴頻調制方案和傳輸數據速率與靈敏度的關系。

由圖1可以得到：

（1）實際使用中LoRa技術的系統容量更接近香濃理論極限。（2）突破了傳統窄帶系統FSK的使用下限。

由圖2 LoRa擴頻調制信號功率譜，可以看出LoRa的技術優勢：

（1）在噪聲基底水平下可以解調信號;（2）靈敏度高于FSK;（3）抗干擾，噪聲和擁塞；（4）擴頻因子不同可以同時使用一個信道。

同時LoRa與DSSS也有不同：

（1）相比于其他系統(CDMA,WIFI…) LoRa是專為低數據速率設計的;（2）LoRa使用較高的擴頻因子以獲得較高的增益，非常適合低功耗操作;（3）LoRa對頻率偏移不敏感，其他系統對晶振要求很高。

3 LoRa在智慧城市中的應用場景

（1）智慧停車。車位狀態實時檢測；信息透明，杜絕城市停車管理混亂。

（2）智能井蓋。實時監控城市井蓋位置信息對于井蓋異常丟失，異常開啟，破損等狀態信息，實時傳輸用于數據分析和預警。

（3）路燈檢測。遠距離路燈控制，故障，線路檢測，實現動態照明，節省管理。

（4）物流追蹤。追蹤或者定位市場的一個重要的需求就是終端的電池使用壽命。物流追蹤可以作為混合型不熟的實際案例。物流企業可以根據定位的需要在相關場所布網，可以是倉庫或者運輸車輛上，便攜式的基站(LoRa網關)便派上了用場，而LPWAN網絡使用網關/集中器擴展系統容量，基礎設施容易建設和部署。

（5）智能工業。工廠機器的運行需要實時的監控，不僅可以保證生產效率而且通過遠程監控可以提高人工效率。在工廠的自動化制造和生產中，有許多不同類型的傳感器和設備。一些場景需要低成本的傳感器配以低功耗和長壽命的電池來追蹤設備，監控狀態。

（6）智慧農業。對農業來說，低功耗低成本的傳感器是迫切需要的。溫濕度，二氧化碳，鹽堿度等傳感器的應用對于農業提高產量，減少水資源的消耗等有重要的意義，這些傳感器需要定期地上傳數據，而且很多偏遠的農場或者耕地并沒有覆蓋蜂窩網，更不用說4G/LTE了，而LoRa十分適用于這樣的場景。

（7）共享行業。以共享單車為例，給城市出行和減少排放提供解決方案。共享單車的解鎖技術目前用的是GSM網，成本高，能耗高。為了降低企業運營成本，可以在相關環境組建LPWAN網絡，LoRa技術可以很好地解決成本和能耗問題。ofo單車已經采用Semtech公司的LoRa芯片來擴大單車的跟蹤范圍。

4 結論

不同的LPWAN技術之間競爭激烈，本文主要介紹了一種最有潛力的LPWAN技術——LoRa，通過幾種技術特性的比較分析和智能城市使用場景，可以看出來LoRa在未來的發展布局速度會越來越快，覆蓋的范圍和應用場景也越來越豐富。

[1]鄭華開.LoRa技術給未來物聯網產品帶來新的起點[J].電子世界,2016(15).

[2]趙靜，蘇光添.LoRa無線網絡技術分析[J].移動通信,2016(11).

[3]劉琛,邵震,夏瑩瑩.低功耗廣域LoRa技術分析與應用建議[J].電信技術,2016(05).

[4]龔天平.LORA技術實現遠距離、低功耗無線數據傳輸[J].電子世界,2016(10).

[5]趙靜.低速率物聯網蜂窩通信技術現狀及發展趨勢[J].移動通信,2016(07).

[6]戴國華,余駿華.NB-IoT的產生背景、標準發展以及特性和業務研究[J].移動通信,2016(07).