LoRa 技術在低功耗智能抄表系統中的應用研究*

廖志遠，楊順韜

（廣西交通職業技術學院，廣西南寧 530023）

0 引言

計算機網絡技術從服務“人-人、人-物、物-物”的互聯歷經了幾十年的發展，無線技術的不斷突破更新將信息互聯帶入了萬物互聯、萬物智聯的物聯網（LOT）時代。在2019 年世界物聯網大會上，世界物聯網大會主席何緒明表示物聯網的發展不僅推動了數字經濟智能化、社會發展的進步，還促進了社會變革和產能轉型，并預計到2025 年全球物聯網市場體量將達到30 萬億美元。[1]無線通信技術是物聯網的傳輸基礎，隨著智慧交通、智慧城市、智慧水務、智能電網等大應用成為物聯網發展的戰略高地，傳統的GPRS、4G 等面向移動互聯網絡接入以及Wi-Fi、ZigBee 等短距離傳輸技術已經無法滿足應用需求，因此以LoRa、Sigfox 和NB-IoT 為代表的LPWAN(Low Power Wide Area Network）低功耗廣域網技術順勢而生，并在物聯網技術應用領域中大放異彩。[2]

1 中長距無線傳輸技術橫向對比分析

LPWAN 真正實現了大范圍覆蓋區域物聯網低成本、長距離全覆蓋，是對目前蜂窩通信網絡的重要技術補充，同時也解決了物聯網末端的通訊連接問題，成為物聯網應用和智慧互聯的重要基礎支撐技術。如表1 所示，LPWAN 低功耗廣域網技術中的Sigfox、LTE-M 和NB-IoT 組網技術依賴于ISP 運營商的通信網絡，而LoRa 組網是用戶可以根據用網需求靈活建網，不用依賴于ISP 運營商的網絡接入基礎設施平臺，可以做到一次性投入、按需拓展、簡易維護。LoRa 技術在LPWAN 中目前是發展較為迅速且相對成熟的技術，其可達20 km 的傳輸距離以及其較低的節點功耗與續航能力是非常適合低投資和維護成本，且有個性化需求的物聯網項目建設的。

表1 中長距無線傳輸技術橫向對比分析表

2 LoRa 技術的優勢

LoRa 技術由Semtech 公司于2013 年正式發布，并于2015 年聯合了多國電信運營商與系統集成商等生態鏈企業組建了LoRa 聯盟，針對能源、交通、制造、工商、農業等諸多產業領域的垂直行業提供解決方案與技術服務，目前已在70 多個國家進行建網和開放試點。LoRa 技術之所以能夠得到行業領域的高度認可,是因其具備有如下技術優勢：

（1）靈活部署。LoRa 可以根據應用領域、應用場景以及應用環境進行有針對性的靈活規劃與網絡部署，根據現場環境布放LoRa 基站與網關設備，并結合用戶用網需求設計可視化后臺數據采集、分析系統，同時可針對數據進行加密，能夠有效提高系統的可用性與安全可靠性。

（2）輕量級。相比于其他LPWAN 技術，由于不用依賴于ISP 運營商的基礎網絡設施平臺與入網門檻，LoRa 的系統結構復雜度更低，網絡硬件平臺部署實施簡單，軟件系統更容易實現，輕量級的系統架構對資源要求較低，更容易改善盲區網絡覆蓋質量的同時還可以降低功耗。

（3）低成本。LoRa 聯盟通過整合技術生態環境與生產資源，大幅度降低了LoRa 系統節點功能模塊與LoRa 網關的供應價格，整套系統部署的資金投入是符合絕大數用戶可接收范圍的，LoRa 月租可達eMTC 月租的1/5 至1/10 甚至更低，再加上系統一次性投入、靈活拓展、簡易維護與百萬數量級節點接入的特性能夠有效控制生產運營的成本。

3 LoRa 技術的特性

3.1 線性調頻擴頻

根據公式（1）香農公式所示：

在確定信道容量C的數值時，信號帶寬W與信道輸出信噪比S/N是互逆的，通過降低信噪比可以增加信號帶寬。loRa 利用較寬的信道帶寬來換取較低的信道輸出信噪比，甚至允許信號功率接近或淹沒在噪聲之下也能讓信號接收機能夠正確地還原信號，這就是擴頻通信的基本思想與理論依據。[3]

基于擴頻技術，Semtech 公司發明了一種線性調制擴頻（CSS）技術，采用了恒包絡的線性調頻擴頻通信調制機制在芯片發射的信號時域上進行信號調制，也稱為Chrip 信號。Chrip 信號因其在調制解調時絕大多數的參數完全一致，使得信號接收端的設計更簡單，這就可以讓低功率下的信號可以具有較強的抗干擾能力。[4]

3.2 終端喚醒機制

LoRa 通信協議是LoRaWAN 協議棧下的子集，而LoRaWAN 是一種基于ALOHA 的異步協議，[5]其特點就是可以讓終端節點可以按需激活喚醒，非必要時可以進入睡眠工作模式，從而避免了終端節點因長期活躍占用信道帶寬、損耗系統功耗且降低使用壽命的問題。同時，配合使用時分復用技術劃分若干時隙，可支持不同時段下準確傳輸不同數據而互不干擾，讓LoRa 可以根據實際的應用場景與數據采集需求靈活設置多種在線工作模式。

（1）節點主動上報工作模式。終端節點模塊可設定為定時上報和預警上報兩種工作模式，在多節點傳輸過程中，可以通過系統后臺認為或自動地為每個節點設置參數與傳輸時間坐標，所有節點會根據對應時間與LoRa 網關進行有序傳輸，從而可以減少終端節點在上傳數據時產生擁塞與干擾，提升效率與準確性。

（2）輪詢喚醒工作模式。通過系統后臺設置為輪詢喚醒工作模式時，LoRa 網關會通過Modbus 指令依次激活、輪詢各個終端節點，終端節點激活并完成數據的上/下行發送后自行進入睡眠模式，同樣可以避免擁塞、干擾與大幅減少網絡數據流量，但能耗增加。

（3）服務器下發工作模式。采用LoRa 集中器的中間層直接與終端節點實時進行數據傳輸，在中間層統一采集數據后通過LoRa 網關傳輸至系統后臺，適用于大規模數據傳輸且無須考慮功耗控制的應用領域。

4 基于LoRa 的智能抄表系統應用設計

在水力、電力、燃氣以及數據監測等生產生活需求方面，因其涉及的用戶群體十分龐大且在地域上較為分散，針對不同用戶的終端用量數據進行采集、計算、繳費以及輔助決策分析是一項非常龐大和繁復的工作，而傳統的人工抄表、半自動化抄表不僅效率低下、用人成本高還經常存在錯漏的情況，雖然后期出現的有線嵌入式抄表系統在一定程度上解決部分問題，但其復雜高昂的布線施工、系統功耗與維護成本在復雜環境中難以推廣使用。所以，一種低成本、低功耗、簡易部署、性能穩定可靠的無線智能抄表系統是解決目前傳統人工抄表存在的效率、準確率低下且成本高昂的有效途徑。[6]

通過上文對幾種目前較成熟的LPWAN 技術的對比以及對LoRa 技術的分析，結合水、電、燃氣等應用較為廣泛的抄表系統應用場景與系統功能需求，筆者提出了如圖1 所示的智能抄表系統設計方案。

如圖1 所示，系統按功能層次共劃分為5 個部分，總體采用星型架構進行組網設計，使用Lo?RaWAN 通信協議和TCP/IP 協議進行數據封裝與傳輸。終端節點的用戶設備通過加裝LoRa 通訊模組利用LoRa 無線信號將終端數據傳輸至LoRa 網關，網關作為信號中繼設備，一方面可以通過LAN 有線或無線局域網將數據統一標識、封裝、加密后發送到應用中心的接收端，另一方面也可以通過ISP 運營商提供的WAN 廣域網將數據上傳至云平臺，而后通過應用中心的軟硬件平臺進行數據相關處理。值得一提的是整個過程終端節點不與特定網關關聯，其上傳的數據通常由多個網關接收，上傳至應用中心服務器的重復數據會被服務器過濾，對其進行數據安全性、完整性的檢查與糾錯，提升數據的準確率與安全可靠性。

圖1 智能抄表系統架構圖

水、電、燃氣抄表系統在實際應用中對數據的采集頻率其實并不頻繁，幾乎是一月一抄，對系統的功耗要求很低。針對這一應用特點，系統采用如圖2 所示的定時喚醒與主動上報的工作模式，即LoRa 網關以月份為時間周期、以24 小時劃分時間間隙對終端設備下發激活碼，將終端設備喚醒后上報終端采集的實時數據，或當設備終端采集的數據出現異常（超出系統設置閾值）時將自我喚醒并主動上報異常數據。如此，終端節點長期處于休眠狀態的工作模式就能大大降低系統的運行功耗，同時也能提高終端節點的使用壽命。

圖2 LoRa 主動上報工作模式示意圖

在該系統架構中，終端節點的數量都是以萬作為單位的，大量的LoRa 通信模組與網關在通信過程中會受到各種干擾信號和多徑衰落效應的影響，Lo?Ra 技術在信道編碼的差錯控制中采用了前向糾錯（FEC）技術，以降低數據的誤碼率從而提高長距離通信的可靠性。而在數據的安全保密方面，LoRa 技術規范為不同的應用場景定義了三種不同的數據接收窗口模式，并且支持終端節點與網關使用AES-128 加密密鑰對數據進行加密，以確保信道安全。

5 結語

本文通過介紹LoRa 技術的優勢及其物理特性，結合低功耗智能抄表系統的應用場景與用戶需求，提出了一套系統構建與信號采集、傳遞、處理的設計方案構想，為后續的研究與系統實現提供研究思路與實施策略。LoRa 技術未來將會廣泛應用在工業物聯網、農業物聯網、智能抄表應用、基礎設施監測、環境監測等領域，但同時LoRa 技術采用的是開放頻段，盡管自身具有較強的抗干擾與規避干擾的能力，但在密集部署的場景下也很難完全避免物理干擾。因此，LoRa 技術在較長的一段時間中需要做到去碎片化、更輕量化、更低成本的同時也應統一規劃建設LPWAN 廣域網網絡，從通信頻譜的分配和管理提出一個統一協調管理的機制，使其在社會經濟發展上更加具備推廣應用價值。