LoRa 技術(shù)在低功耗智能抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用研究*

廖志遠(yuǎn)，楊順韜

（廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧 530023）

0 引言

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)從服務(wù)“人-人、人-物、物-物”的互聯(lián)歷經(jīng)了幾十年的發(fā)展，無線技術(shù)的不斷突破更新將信息互聯(lián)帶入了萬物互聯(lián)、萬物智聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)（LOT）時(shí)代。在2019 年世界物聯(lián)網(wǎng)大會(huì)上，世界物聯(lián)網(wǎng)大會(huì)主席何緒明表示物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展不僅推動(dòng)了數(shù)字經(jīng)濟(jì)智能化、社會(huì)發(fā)展的進(jìn)步，還促進(jìn)了社會(huì)變革和產(chǎn)能轉(zhuǎn)型，并預(yù)計(jì)到2025 年全球物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)體量將達(dá)到30 萬億美元。[1]無線通信技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的傳輸基礎(chǔ)，隨著智慧交通、智慧城市、智慧水務(wù)、智能電網(wǎng)等大應(yīng)用成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的戰(zhàn)略高地，傳統(tǒng)的GPRS、4G 等面向移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)接入以及Wi-Fi、ZigBee 等短距離傳輸技術(shù)已經(jīng)無法滿足應(yīng)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(wǎng)技術(shù)順勢(shì)而生，并在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中大放異彩。[2]

1 中長(zhǎng)距無線傳輸技術(shù)橫向?qū)Ρ确治?/h2>

LPWAN 真正實(shí)現(xiàn)了大范圍覆蓋區(qū)域物聯(lián)網(wǎng)低成本、長(zhǎng)距離全覆蓋，是對(duì)目前蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)補(bǔ)充，同時(shí)也解決了物聯(lián)網(wǎng)末端的通訊連接問題，成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和智慧互聯(lián)的重要基礎(chǔ)支撐技術(shù)。如表1 所示，LPWAN 低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)中的Sigfox、LTE-M 和NB-IoT 組網(wǎng)技術(shù)依賴于ISP 運(yùn)營(yíng)商的通信網(wǎng)絡(luò)，而LoRa 組網(wǎng)是用戶可以根據(jù)用網(wǎng)需求靈活建網(wǎng)，不用依賴于ISP 運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)接入基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)，可以做到一次性投入、按需拓展、簡(jiǎn)易維護(hù)。LoRa 技術(shù)在LPWAN 中目前是發(fā)展較為迅速且相對(duì)成熟的技術(shù)，其可達(dá)20 km 的傳輸距離以及其較低的節(jié)點(diǎn)功耗與續(xù)航能力是非常適合低投資和維護(hù)成本，且有個(gè)性化需求的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)的。

表1 中長(zhǎng)距無線傳輸技術(shù)橫向?qū)Ρ确治霰?/p>

2 LoRa 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

LoRa 技術(shù)由Semtech 公司于2013 年正式發(fā)布，并于2015 年聯(lián)合了多國(guó)電信運(yùn)營(yíng)商與系統(tǒng)集成商等生態(tài)鏈企業(yè)組建了LoRa 聯(lián)盟，針對(duì)能源、交通、制造、工商、農(nóng)業(yè)等諸多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的垂直行業(yè)提供解決方案與技術(shù)服務(wù)，目前已在70 多個(gè)國(guó)家進(jìn)行建網(wǎng)和開放試點(diǎn)。LoRa 技術(shù)之所以能夠得到行業(yè)領(lǐng)域的高度認(rèn)可,是因其具備有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

（1）靈活部署。LoRa 可以根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域、應(yīng)用場(chǎng)景以及應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行有針對(duì)性的靈活規(guī)劃與網(wǎng)絡(luò)部署，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境布放LoRa 基站與網(wǎng)關(guān)設(shè)備，并結(jié)合用戶用網(wǎng)需求設(shè)計(jì)可視化后臺(tái)數(shù)據(jù)采集、分析系統(tǒng)，同時(shí)可針對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，能夠有效提高系統(tǒng)的可用性與安全可靠性。

（2）輕量級(jí)。相比于其他LPWAN 技術(shù)，由于不用依賴于ISP 運(yùn)營(yíng)商的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施平臺(tái)與入網(wǎng)門檻，LoRa 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度更低，網(wǎng)絡(luò)硬件平臺(tái)部署實(shí)施簡(jiǎn)單，軟件系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)，輕量級(jí)的系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)資源要求較低，更容易改善盲區(qū)網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量的同時(shí)還可以降低功耗。

（3）低成本。LoRa 聯(lián)盟通過整合技術(shù)生態(tài)環(huán)境與生產(chǎn)資源，大幅度降低了LoRa 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)功能模塊與LoRa 網(wǎng)關(guān)的供應(yīng)價(jià)格，整套系統(tǒng)部署的資金投入是符合絕大數(shù)用戶可接收范圍的，LoRa 月租可達(dá)eMTC 月租的1/5 至1/10 甚至更低，再加上系統(tǒng)一次性投入、靈活拓展、簡(jiǎn)易維護(hù)與百萬數(shù)量級(jí)節(jié)點(diǎn)接入的特性能夠有效控制生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的成本。

3 LoRa 技術(shù)的特性

3.1 線性調(diào)頻擴(kuò)頻

根據(jù)公式（1）香農(nóng)公式所示：

在確定信道容量C的數(shù)值時(shí)，信號(hào)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(hào)帶寬。loRa 利用較寬的信道帶寬來?yè)Q取較低的信道輸出信噪比，甚至允許信號(hào)功率接近或淹沒在噪聲之下也能讓信號(hào)接收機(jī)能夠正確地還原信號(hào)，這就是擴(kuò)頻通信的基本思想與理論依據(jù)。[3]

基于擴(kuò)頻技術(shù)，Semtech 公司發(fā)明了一種線性調(diào)制擴(kuò)頻（CSS）技術(shù)，采用了恒包絡(luò)的線性調(diào)頻擴(kuò)頻通信調(diào)制機(jī)制在芯片發(fā)射的信號(hào)時(shí)域上進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，也稱為Chrip 信號(hào)。Chrip 信號(hào)因其在調(diào)制解調(diào)時(shí)絕大多數(shù)的參數(shù)完全一致，使得信號(hào)接收端的設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，這就可以讓低功率下的信號(hào)可以具有較強(qiáng)的抗干擾能力。[4]

3.2 終端喚醒機(jī)制

LoRa 通信協(xié)議是LoRaWAN 協(xié)議棧下的子集，而LoRaWAN 是一種基于ALOHA 的異步協(xié)議，[5]其特點(diǎn)就是可以讓終端節(jié)點(diǎn)可以按需激活喚醒，非必要時(shí)可以進(jìn)入睡眠工作模式，從而避免了終端節(jié)點(diǎn)因長(zhǎng)期活躍占用信道帶寬、損耗系統(tǒng)功耗且降低使用壽命的問題。同時(shí)，配合使用時(shí)分復(fù)用技術(shù)劃分若干時(shí)隙，可支持不同時(shí)段下準(zhǔn)確傳輸不同數(shù)據(jù)而互不干擾，讓LoRa 可以根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景與數(shù)據(jù)采集需求靈活設(shè)置多種在線工作模式。

（1）節(jié)點(diǎn)主動(dòng)上報(bào)工作模式。終端節(jié)點(diǎn)模塊可設(shè)定為定時(shí)上報(bào)和預(yù)警上報(bào)兩種工作模式，在多節(jié)點(diǎn)傳輸過程中，可以通過系統(tǒng)后臺(tái)認(rèn)為或自動(dòng)地為每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置參數(shù)與傳輸時(shí)間坐標(biāo)，所有節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)間與LoRa 網(wǎng)關(guān)進(jìn)行有序傳輸，從而可以減少終端節(jié)點(diǎn)在上傳數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生擁塞與干擾，提升效率與準(zhǔn)確性。

（2）輪詢喚醒工作模式。通過系統(tǒng)后臺(tái)設(shè)置為輪詢喚醒工作模式時(shí)，LoRa 網(wǎng)關(guān)會(huì)通過Modbus 指令依次激活、輪詢各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)激活并完成數(shù)據(jù)的上/下行發(fā)送后自行進(jìn)入睡眠模式，同樣可以避免擁塞、干擾與大幅減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量，但能耗增加。

（3）服務(wù)器下發(fā)工作模式。采用LoRa 集中器的中間層直接與終端節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在中間層統(tǒng)一采集數(shù)據(jù)后通過LoRa 網(wǎng)關(guān)傳輸至系統(tǒng)后臺(tái)，適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸且無須考慮功耗控制的應(yīng)用領(lǐng)域。

4 基于LoRa 的智能抄表系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

在水力、電力、燃?xì)庖约皵?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)等生產(chǎn)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(duì)不同用戶的終端用量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、計(jì)算、繳費(fèi)以及輔助決策分析是一項(xiàng)非常龐大和繁復(fù)的工作，而傳統(tǒng)的人工抄表、半自動(dòng)化抄表不僅效率低下、用人成本高還經(jīng)常存在錯(cuò)漏的情況，雖然后期出現(xiàn)的有線嵌入式抄表系統(tǒng)在一定程度上解決部分問題，但其復(fù)雜高昂的布線施工、系統(tǒng)功耗與維護(hù)成本在復(fù)雜環(huán)境中難以推廣使用。所以，一種低成本、低功耗、簡(jiǎn)易部署、性能穩(wěn)定可靠的無線智能抄表系統(tǒng)是解決目前傳統(tǒng)人工抄表存在的效率、準(zhǔn)確率低下且成本高昂的有效途徑。[6]

通過上文對(duì)幾種目前較成熟的LPWAN 技術(shù)的對(duì)比以及對(duì)LoRa 技術(shù)的分析，結(jié)合水、電、燃?xì)獾葢?yīng)用較為廣泛的抄表系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景與系統(tǒng)功能需求，筆者提出了如圖1 所示的智能抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

如圖1 所示，系統(tǒng)按功能層次共劃分為5 個(gè)部分，總體采用星型架構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)設(shè)計(jì)，使用Lo?RaWAN 通信協(xié)議和TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝與傳輸。終端節(jié)點(diǎn)的用戶設(shè)備通過加裝LoRa 通訊模組利用LoRa 無線信號(hào)將終端數(shù)據(jù)傳輸至LoRa 網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)作為信號(hào)中繼設(shè)備，一方面可以通過LAN 有線或無線局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)統(tǒng)一標(biāo)識(shí)、封裝、加密后發(fā)送到應(yīng)用中心的接收端，另一方面也可以通過ISP 運(yùn)營(yíng)商提供的WAN 廣域網(wǎng)將數(shù)據(jù)上傳至云平臺(tái)，而后通過應(yīng)用中心的軟硬件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)處理。值得一提的是整個(gè)過程終端節(jié)點(diǎn)不與特定網(wǎng)關(guān)關(guān)聯(lián)，其上傳的數(shù)據(jù)通常由多個(gè)網(wǎng)關(guān)接收，上傳至應(yīng)用中心服務(wù)器的重復(fù)數(shù)據(jù)會(huì)被服務(wù)器過濾，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)安全性、完整性的檢查與糾錯(cuò)，提升數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率與安全可靠性。

圖1 智能抄表系統(tǒng)架構(gòu)圖

水、電、燃?xì)獬硐到y(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)數(shù)據(jù)的采集頻率其實(shí)并不頻繁，幾乎是一月一抄，對(duì)系統(tǒng)的功耗要求很低。針對(duì)這一應(yīng)用特點(diǎn)，系統(tǒng)采用如圖2 所示的定時(shí)喚醒與主動(dòng)上報(bào)的工作模式，即LoRa 網(wǎng)關(guān)以月份為時(shí)間周期、以24 小時(shí)劃分時(shí)間間隙對(duì)終端設(shè)備下發(fā)激活碼，將終端設(shè)備喚醒后上報(bào)終端采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，或當(dāng)設(shè)備終端采集的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常（超出系統(tǒng)設(shè)置閾值）時(shí)將自我喚醒并主動(dòng)上報(bào)異常數(shù)據(jù)。如此，終端節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期處于休眠狀態(tài)的工作模式就能大大降低系統(tǒng)的運(yùn)行功耗，同時(shí)也能提高終端節(jié)點(diǎn)的使用壽命。

圖2 LoRa 主動(dòng)上報(bào)工作模式示意圖

在該系統(tǒng)架構(gòu)中，終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)量都是以萬作為單位的，大量的LoRa 通信模組與網(wǎng)關(guān)在通信過程中會(huì)受到各種干擾信號(hào)和多徑衰落效應(yīng)的影響，Lo?Ra 技術(shù)在信道編碼的差錯(cuò)控制中采用了前向糾錯(cuò)（FEC）技術(shù)，以降低數(shù)據(jù)的誤碼率從而提高長(zhǎng)距離通信的可靠性。而在數(shù)據(jù)的安全保密方面，LoRa 技術(shù)規(guī)范為不同的應(yīng)用場(chǎng)景定義了三種不同的數(shù)據(jù)接收窗口模式，并且支持終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)使用AES-128 加密密鑰對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，以確保信道安全。

5 結(jié)語

本文通過介紹LoRa 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及其物理特性，結(jié)合低功耗智能抄表系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景與用戶需求，提出了一套系統(tǒng)構(gòu)建與信號(hào)采集、傳遞、處理的設(shè)計(jì)方案構(gòu)想，為后續(xù)的研究與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提供研究思路與實(shí)施策略。LoRa 技術(shù)未來將會(huì)廣泛應(yīng)用在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、智能抄表應(yīng)用、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，但同時(shí)LoRa 技術(shù)采用的是開放頻段，盡管自身具有較強(qiáng)的抗干擾與規(guī)避干擾的能力，但在密集部署的場(chǎng)景下也很難完全避免物理干擾。因此，LoRa 技術(shù)在較長(zhǎng)的一段時(shí)間中需要做到去碎片化、更輕量化、更低成本的同時(shí)也應(yīng)統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)LPWAN 廣域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，從通信頻譜的分配和管理提出一個(gè)統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理的機(jī)制，使其在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展上更加具備推廣應(yīng)用價(jià)值。