基于LORA技術(shù)實(shí)現(xiàn)MESH組網(wǎng)的LoRaMESH技術(shù)在智慧社區(qū)的應(yīng)用

梁竣杰

廣州市智慧城市投資運(yùn)營(yíng)有限公司，廣東 廣州 510000

0 引言

在2007年初，上海市組織了無(wú)線MESH技術(shù)的組網(wǎng)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，一方面，用于了解和掌握4.9GMESH系統(tǒng)的功能原理，驗(yàn)證在高密度城區(qū)復(fù)雜環(huán)境下部署4.9GMESH實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用性能；另一方面，結(jié)合全面的技術(shù)測(cè)試和驗(yàn)證工作，對(duì)4.9GMESH無(wú)線通信技術(shù)的體制進(jìn)行準(zhǔn)確定位，以此明確技術(shù)的應(yīng)用能力。在現(xiàn)代技術(shù)研究創(chuàng)新中，以MESH技術(shù)為核心的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有效集成了安全性和客觀理性等多項(xiàng)特征，擁有對(duì)局部區(qū)域安全覆蓋能力，這符合智慧社區(qū)的建設(shè)管理要求。因此，在城市化進(jìn)程加快和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步的背景下，我國(guó)要充分運(yùn)用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，為社區(qū)居民構(gòu)建安全舒適、方便有效的智慧化生活環(huán)境。本文主要研究基于LORA技術(shù)實(shí)現(xiàn)MESH組網(wǎng)的技術(shù)，其在智慧社區(qū)中應(yīng)用的主要內(nèi)容。

1 智慧社區(qū)及LORA技術(shù)MESH組網(wǎng)的運(yùn)作機(jī)制

1.1 智慧社區(qū)

簡(jiǎn)單來(lái)講，智慧社區(qū)是指運(yùn)用新一代信息技術(shù)，為社區(qū)居民構(gòu)建具有舒適性、便利性、安全性的現(xiàn)代化生活環(huán)境，在建設(shè)發(fā)展中構(gòu)成以信息化和智能化為核心的社會(huì)管理與服務(wù)模式。在人們對(duì)社區(qū)功能要求越來(lái)越高的情況下，只利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)支撐的智能社區(qū)很難滿足人們的需求，而物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的快速發(fā)展為構(gòu)建智慧型社區(qū)提供了有利條件，能真正滿足人們對(duì)智慧社區(qū)提出的各種要求。從2010年到2015年，我國(guó)云計(jì)算市場(chǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的年均復(fù)合增長(zhǎng)率分別達(dá)到了40%和30%，由此結(jié)合智慧社區(qū)進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，能在集中處理各項(xiàng)信息資源的同時(shí)，增強(qiáng)系統(tǒng)運(yùn)行的可擴(kuò)展性和安全性[1]。其中，智慧社區(qū)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 智慧社區(qū)的結(jié)構(gòu)圖

1.2 LORA技術(shù)

LORA作為常見(jiàn)的一種擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，最早是由法國(guó)一家創(chuàng)業(yè)公司Cycleo提出的，被稱(chēng)作遠(yuǎn)距離無(wú)線電。在2012年，Semtech收購(gòu)了這家企業(yè)，并將LORA調(diào)制技術(shù)封裝到芯片中，基于LORA技術(shù)開(kāi)發(fā)出一整套通信芯片解決方案。在此之后，以LORA技術(shù)為核心的產(chǎn)品開(kāi)始在全國(guó)范圍內(nèi)推廣，LORA技術(shù)逐漸滲透到物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的各個(gè)方面。其中，LORA技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 LORA技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.3 MESH組網(wǎng)

無(wú)線MESH網(wǎng)絡(luò)是新時(shí)代下新提出的一種無(wú)線寬帶接入網(wǎng)絡(luò)，有效利用了無(wú)線局域網(wǎng)和AdHoc網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在實(shí)踐應(yīng)用中具有覆蓋范圍更廣、運(yùn)行速率更快、儲(chǔ)存容量更多的特征，屬于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)接入的重要有效手段[2]。同時(shí)，MESH網(wǎng)絡(luò)作為一種獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)思想，主要在于路由判斷選擇、多級(jí)跳接、自主網(wǎng)、無(wú)中心等工作中。結(jié)合如圖3所示的無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)結(jié)構(gòu)圖分析可知，整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含以下特征。①自形成。無(wú)論是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)還是授權(quán)用戶，都可以進(jìn)入到網(wǎng)絡(luò)中，在擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍時(shí)，與其他節(jié)點(diǎn)有效連接。②自愈性。如果網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題，亦或是被拆卸，整體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行都會(huì)直接適應(yīng)這種變化。在發(fā)端到對(duì)端尋找全新的路由時(shí)，如果兩者之間包含多臺(tái)中繼設(shè)備，那么也會(huì)進(jìn)行自主優(yōu)化。③多跳式。無(wú)論是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)還是用戶設(shè)備，都可以通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)運(yùn)輸?shù)綄?duì)端數(shù)據(jù)包中，以此準(zhǔn)確掌握最佳的路由發(fā)送路程。④點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。由于自組織網(wǎng)絡(luò)是利用平等網(wǎng)元形成的，所以可以讓發(fā)端和對(duì)端直接連接，只要確保兩者的距離足夠近，那么并不需要中央管理節(jié)點(diǎn)。

圖3 無(wú)線組網(wǎng)的技術(shù)結(jié)構(gòu)圖

2 LORA技術(shù)實(shí)現(xiàn)MESH組網(wǎng)分析

2.1 產(chǎn)品形式

基于LORA技術(shù)實(shí)現(xiàn)MESH組網(wǎng)設(shè)計(jì)，可以看作是以Semtech為核心的LORA直序擴(kuò)頻通信技術(shù)和分布式數(shù)據(jù)采集的一種物聯(lián)網(wǎng)解決方案，從實(shí)踐應(yīng)用角度來(lái)看，這種方案具有多接口、好管理、可擴(kuò)展、遠(yuǎn)距離、低消耗等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。整體產(chǎn)品形式分為以下內(nèi)容。①云端。云端支持?jǐn)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)警反饋、后臺(tái)數(shù)據(jù)計(jì)算，因此可以為用戶定制開(kāi)發(fā)功能豐富的后臺(tái)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。這種方案既能改變以往對(duì)傳輸距離和功能消耗的研究問(wèn)題，又可以為用戶提供一種簡(jiǎn)單，且具有多項(xiàng)功能的系統(tǒng)，以此擴(kuò)展傳感網(wǎng)絡(luò)。②網(wǎng)關(guān)。LoRaMESH網(wǎng)關(guān)可以從節(jié)點(diǎn)到云端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并不需要自己搭建服務(wù)器，原因在于其擁有4 x 1T1R通道，4 x PA/LNA。一方面網(wǎng)關(guān)下屬多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)會(huì)加密傳輸，另一方面可以靈活運(yùn)用網(wǎng)關(guān)架構(gòu)，支持不同的通信錄網(wǎng)方式，比如說(shuō)USB、網(wǎng)口、SR485等。同時(shí)，網(wǎng)關(guān)還支持DNS定位功能，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)關(guān)所在位置。③節(jié)點(diǎn)。LoRaMESH節(jié)點(diǎn)可以利用LoRa模塊RF-AL42UH，其中內(nèi)部的ASR6501芯片采用內(nèi)核32bits 48MHz Cortex-M0+，擁有128KB Flash和16KB SRAM，功耗睡眠最低功耗3.2μA。通常來(lái)講，節(jié)點(diǎn)主要支持兩種角色，一種是指中繼節(jié)點(diǎn)，另一種是指終端節(jié)點(diǎn)，前者將終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳遞到網(wǎng)關(guān)，以此擴(kuò)大組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。④傳感器。節(jié)點(diǎn)網(wǎng)關(guān)會(huì)在迅速組網(wǎng)之后，構(gòu)建多層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且支持多種傳感器[3]。比如說(shuō)，在智慧社區(qū)中部署加載溫濕度傳感器的節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)時(shí)獲取有關(guān)環(huán)境的數(shù)據(jù)信息，并將其上傳到云端，幫助管理人員查詢(xún)分析。節(jié)點(diǎn)加載不同的傳感器，可以運(yùn)用在不同的物聯(lián)網(wǎng)中。

2.2 組網(wǎng)形式

LoRaMESH網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為三種形式：①形狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要運(yùn)用在家用路由器、LoRaWAN、Modbus等方面，既可以有效維護(hù)管理，又能重新配置靈活應(yīng)用，但整體的擴(kuò)展性較低；②樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及MESH網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，尋找故障更快；③MESH網(wǎng)絡(luò)，整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)是相互連通的，實(shí)際應(yīng)用的效率更高，網(wǎng)絡(luò)的自律性更強(qiáng)。

結(jié)合表1的對(duì)比結(jié)果分析可知，LoRaMESH和LoRaWAN作為兩種常見(jiàn)的無(wú)線寬帶接入網(wǎng)絡(luò)形式，前者屬于星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)際連接距離較短，擴(kuò)展性較低；而后者屬于混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)際連接距離更遠(yuǎn)，擴(kuò)展性更強(qiáng)。

表1 LoRaMES和LoRaWAN的對(duì)比結(jié)果

而對(duì)比分析LoRaMESH和ZigBee可以發(fā)現(xiàn)前者作為通信技術(shù)中的一種形式，是結(jié)合LoRa擴(kuò)頻技術(shù)設(shè)計(jì)超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案，結(jié)合表2的LoRa技術(shù)優(yōu)勢(shì)分析可知，其主要是在全國(guó)免費(fèi)頻段中運(yùn)行，可以進(jìn)行數(shù)十公里的數(shù)據(jù)傳輸，適用場(chǎng)景更加廣泛；而后者屬于一種近距離的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要在傳輸效率不高、功能損耗較低、應(yīng)用距離較短的設(shè)備中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，ZigBee工作在2.4GHz頻段上，傳輸距離控制在100m到300m之間，因此實(shí)際應(yīng)用存在局限性問(wèn)題[4]。

表2 LoRa技術(shù)的優(yōu)勢(shì)分析

2.3 特色功能

（1）硬件。①?gòu)闹欣^功能角度來(lái)看，LoRaMESH的節(jié)點(diǎn)包含普通節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)兩種形式，其會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)普通節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)，持續(xù)擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的覆蓋范圍。就算是處在網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍之外的節(jié)點(diǎn)，也可以利用中繼節(jié)點(diǎn)將其傳輸?shù)皆贫酥?。同時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)還可以為用戶定制開(kāi)發(fā)I/O功能的優(yōu)質(zhì)服務(wù)。②LoRaMESH節(jié)點(diǎn)只需要配置好本地網(wǎng)絡(luò)，就可以在添加入網(wǎng)白名單后，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)入網(wǎng)。③LoRaMESH利用混合網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重新連接，可以利用多種智能重連機(jī)制保障網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的穩(wěn)定性[5]。比如說(shuō)，在節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)連接通信的狀態(tài)下，如果出現(xiàn)掉線則會(huì)自動(dòng)重新和網(wǎng)關(guān)建立連接關(guān)系；在節(jié)點(diǎn)和中繼節(jié)點(diǎn)連接通信的狀態(tài)下，如果出現(xiàn)掉線，那么會(huì)自動(dòng)尋找其他中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新連接；在節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)連接通信的狀態(tài)下，如果出現(xiàn)掉線，那么會(huì)自動(dòng)和鄰近的中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新連接。④LoRaMESH技術(shù)支持本地管理，本地可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的通信方式，獲取發(fā)送頻段。同時(shí)，還可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的白名單進(jìn)行有效管理，提高網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運(yùn)行的安全性。

（2）云服務(wù)。①LoRaMESH云端可以開(kāi)放接口。LoRaMESH技術(shù)可以為客戶云端提供API接口，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)直接連接到客戶的服務(wù)器，將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存處理等直接交給客戶操作，以此滿足他們的個(gè)性化和安全性要求。②分布式多網(wǎng)關(guān)。LoRaMESH技術(shù)可以利用分布式網(wǎng)關(guān)，在一定范圍內(nèi)設(shè)置一個(gè)網(wǎng)關(guān)采集范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，多個(gè)網(wǎng)關(guān)采集數(shù)據(jù)上擴(kuò)大數(shù)據(jù)采集的覆蓋范圍，要比傳統(tǒng)意義上的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍更廣，采集的節(jié)點(diǎn)數(shù)量更多。③云透?jìng)?。LoRaMESH技術(shù)方案是從節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)再到云端，可以一鍵將收集到的數(shù)據(jù)透明傳輸?shù)皆贫耍贫藭?huì)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾砥脚_(tái)，而管理平臺(tái)下發(fā)的指令會(huì)通過(guò)完整的LoRaMESH網(wǎng)絡(luò)透明傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)[6]。透明的數(shù)據(jù)傳輸方式可以幫助客戶有效開(kāi)發(fā)調(diào)試，縮短技術(shù)研發(fā)周期。

3 LoRaMESH技術(shù)在智慧社區(qū)中的應(yīng)用分析

3.1 智能安全防護(hù)

（1）云監(jiān)控。監(jiān)控前端設(shè)備實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，系統(tǒng)用戶可以在手機(jī)、iPad等移動(dòng)客戶端有效查看。比如說(shuō)，系統(tǒng)會(huì)直接對(duì)接公安綜治平臺(tái)；會(huì)利用AI識(shí)別分析觀察人員聚集、違規(guī)停車(chē)等現(xiàn)象；會(huì)對(duì)高中低層進(jìn)行視頻全面覆蓋監(jiān)管；會(huì)對(duì)智慧社區(qū)內(nèi)部的陌生人軌跡進(jìn)行追蹤調(diào)查，如果在識(shí)別分析中發(fā)現(xiàn)異常情況，會(huì)將相關(guān)圖像信息提供給物業(yè)管理人員；會(huì)預(yù)警儲(chǔ)存電動(dòng)車(chē)進(jìn)入電梯的具體行為，根據(jù)電梯內(nèi)部的智能分析攝像機(jī)，在檢測(cè)到電動(dòng)車(chē)物體時(shí)，會(huì)直接與本地聲光報(bào)警器聯(lián)動(dòng)，向乘坐電梯人員和物業(yè)管理人員提出警告。

（2）云停車(chē)管理。定向應(yīng)用是指對(duì)進(jìn)出智慧社區(qū)的機(jī)動(dòng)車(chē)進(jìn)行管理，并將其上傳到街道中心管理平臺(tái)。具體內(nèi)容涉及以下幾點(diǎn)。①云門(mén)禁和云對(duì)講。這種智能安全防護(hù)技術(shù)設(shè)計(jì)，可以直接通過(guò)公眾號(hào)或是APP向小區(qū)業(yè)主提出呼叫，會(huì)在小區(qū)入口區(qū)域安裝人臉識(shí)別的閘機(jī)，以此快速掌握無(wú)卡通行的人臉信息。②智能電梯控制系統(tǒng)。為了科學(xué)管理電梯的停運(yùn)功能，當(dāng)前小區(qū)物業(yè)管理提出利用電梯卡、藍(lán)牙、人臉識(shí)別等方式乘坐電梯，只有小區(qū)業(yè)主被授權(quán)之后才能安全乘坐電梯。這種設(shè)計(jì)方式既可以有效預(yù)防外來(lái)人員隨意進(jìn)出小區(qū)，又能從基礎(chǔ)上保障社區(qū)內(nèi)部的安全性。③智能井蓋管理系統(tǒng)。根據(jù)以往社區(qū)建設(shè)管理經(jīng)驗(yàn)顯示，由井蓋造成的安全風(fēng)險(xiǎn)非常高。因此，當(dāng)前智慧社區(qū)加大了井蓋的管控力度。通常情況下，在井蓋直徑超過(guò)800mm時(shí)，就需要對(duì)社區(qū)內(nèi)部的井蓋進(jìn)行全面監(jiān)控，主要判斷其是否丟失或開(kāi)啟，并將有關(guān)信息提供給物業(yè)管理人員，要求部門(mén)員工嚴(yán)格按照規(guī)定要求進(jìn)行日常維護(hù)。④智能電氣火災(zāi)的監(jiān)控系統(tǒng)。智慧社區(qū)的管理人員要重點(diǎn)監(jiān)管電器線路和用電設(shè)備，這樣既可以快速掌握線路設(shè)備的應(yīng)用狀態(tài)，又能有效規(guī)避常見(jiàn)的安全事故，以此從基礎(chǔ)上提高社區(qū)內(nèi)部住戶的生活質(zhì)量。⑤探測(cè)可燃?xì)怏w設(shè)備裝置。這項(xiàng)內(nèi)容通常會(huì)安裝在燃?xì)夤艿阑驈N房周邊，需要結(jié)合燃?xì)夥N類(lèi)的密度科學(xué)調(diào)整探頭位置，以此確保居民在日常生活中得到有效保護(hù)[7]。

3.2 社區(qū)居家養(yǎng)老

從智慧社區(qū)的居家養(yǎng)老情況來(lái)看，在智能化設(shè)計(jì)中，要根據(jù)老年群體的生活狀態(tài)和健康需求入手，做好以下工作。①計(jì)量分析用水?dāng)?shù)據(jù)，可以準(zhǔn)確判斷老年群體是否處在正常生活狀態(tài)下；②安裝緊急救助設(shè)備，能幫助老年群體在遇到突發(fā)狀況或問(wèn)題時(shí)，快速求助專(zhuān)業(yè)人員或子女；③重視電氣火災(zāi)的監(jiān)控系統(tǒng)，可以在減少生活安全隱患的基礎(chǔ)上，向管理人員或子女提出求助；④全面探測(cè)建筑內(nèi)部的可燃?xì)怏w，能避免引發(fā)更大的安全事故；⑤火災(zāi)預(yù)防和探測(cè)系統(tǒng)具有相同作用，可以直接向管理人員或子女提出預(yù)警信息；⑥監(jiān)測(cè)老年群體的健康參數(shù)，其中包含心率、睡眠狀態(tài)、血壓、血氧、血糖等內(nèi)容[8]。

3.3 物業(yè)管理服務(wù)

從智慧社區(qū)建設(shè)角度來(lái)看，運(yùn)用LoRaMESH技術(shù)實(shí)現(xiàn)物業(yè)管理服務(wù)涉及以下幾點(diǎn)。①供配電。主要是監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)、全電量參數(shù)、變壓器的運(yùn)行狀態(tài)。②給排水。主要是監(jiān)測(cè)滲水、生活水泵壓力、生活水，池水位等內(nèi)容。③消防監(jiān)測(cè)。主要監(jiān)測(cè)消防末端管道壓力、消防水池水量、消防通道占道情況等內(nèi)容。④電梯檢測(cè)。一方面要堅(jiān)持電梯的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，在發(fā)生故障時(shí)要及時(shí)報(bào)警，保障業(yè)主人員的生命安全；另一方面要監(jiān)測(cè)分析歷史數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)判斷電梯保養(yǎng)時(shí)間和檢查故障，以此做好有效排查和安全防護(hù)工作。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，智慧社區(qū)作為新時(shí)代下信息通信技術(shù)在城市建設(shè)發(fā)展中的應(yīng)用成果，利用LoRaMESH技術(shù)實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)功能，既可以滿足人們的生活和工作需求，又可以在多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合和區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋中，解決更多技術(shù)問(wèn)題。