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基于Lora通信技术实现智慧城市应用构建生态化物联网
摘要:近年来出现了一种面向远距离、低功耗设备的无
线技术,LongRange(简称LoRa)。它是一种远距离、低功
耗、低数据速率、低复杂度、低成本的双向无线通信技术,
主要适用于自动控制、数据采集和物联网等领域,同时旨在
构建生态物联网的一种技术。本文对LoRa的基本原理和理
论依据进行分析,指出了LoRa技术的优势和特点,分析了
LoRa所采用的调制模式和无线传输保障机制,以LoRa技术
指导下智能建筑能耗管理系统的设计为例,进而阐述LoRa
通信系统在物联网中的应用以及对于构建生态物联网的作
用。
关键词:LoRa优势和特点智能建筑物联网应用
引言:低功耗广域网技术(LPWAN,LowPowerWideArea
Network)技术是一种革命性的物联网无线接入新技术,与
Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等现有成熟商用的无线技术相比,
具有远距离、低功耗、低成本、覆盖容量大等优点,适合于
在长距离发送小数据量且使用电池供电方式的物联网终端
设备。LPWAN作为一个新兴的、刚起步的技术,其市场普遍
被看好,各厂商争先研究LPWAN,参与标准制定,设商用试
点,市场呈现百家争鸣、蓬勃发展的态势。LoRa作为非授权:.
频谱的一种LPWAN无线技术,相比于其他无线技术(如
Sigfox、NWave等),其产业链更为成熟、商业化应用较早。
LoRa技术经过Semtech、美国思科、IBM、荷兰KPN电信和
韩国SK电信等组成的LoRaAlliance国际组织进行全球推
广后,目前已成为新物联网应用和智慧城市发展的重要基础
支撑技术。
1、LoRa技术的技术特点和优势
目前LoRa的技术特点和优势主要有以下几个方面:
的链路预算,使其通信距离可达15公里(与环境有关)。其接收
电流仅10mA,睡眠电流小于200nA,这大大延迟了电池的使用
寿命。
表1LORA技术适用于物联网应用部署的关键特性
关键特性优势
157dB链路预算
远距离
距离大于15千米
最小的基础设施成本
易于建设和部署
使用网关/集中器扩展系统容
电池寿命大于10年
延长电池寿命
接收电流-10mA,休眠电流小
免牌照的频段
低成本
基础设施成本低
节点/终端成本低
:.
,
系统容量大
网关是节点与IP网络之间的桥梁(通过2G/3G/4G或
者Ethernet)。每个网关每天可以处理500万次各节点之间
的通信(假设每次发送10Bytes,网络占用率10%)。如果把网关
安装在现有移动通信基站的位置,发射功率20dBm(100mW),
那么在搞建筑密集的城市环境可以覆盖2公里左右,而在密
度较低的郊区,覆盖范围可达10公里。该网关/集中器还包
含MAC层协议,对于高层它是透明的。
定位
LoRa对距离的测量是基于信号的空中传输时间而非
传统的RSSI(ReceivedSignalSterngthIndication),
而定位则基于多点(网关)对一点(节点)的空中传输时
间差的测量。其定位精度可达5m(假设10km的范围)。
2、LoRa在无线技术中的位置
根据LoRa技术的关键特点可知,LoRa非常适用于要求
具备功耗低、距离远、容量大以及可定位跟踪等特点的物联
网应用,如智能抄表、智能停车、车辆追踪、宠物跟踪、
智慧农业、智慧工业、智慧城市、智慧社区等应用和领域。
:.
表3所示为LoRa网络适用的应用案例:
场景应用案例
智能产业资产跟踪、资产过程自动化、自动化、
环境监测、工业照明、商业安全、基础
设施监测、水管里和其他各种应用等
水、电、煤气的智能化管理(最主要是
智能公共设施施智能计量)
与市政资源和服务的管理相关的应用,
智能城市如街道照明、垃圾管理、停车管理环境
暖通空调(采暖、通风、空调)、能源
智能建筑管理、安全、照明和房间自动化等应用
目前,LoRa网络已经在全球多地进行试点或部署。据最
新公布的相关数据显示,全球有十六个国家正在部署LoRa
网络,56个国家开始进行试点,如美国、法国、德国、澳大
利亚、印度等。荷兰KPN电信、韩国SK电信在2016年上半
年部署了覆盖全国的LoRa网络,提供基于LoRa的物联网服
务。相对于LoRa技术在国外发展的如火如荼,国内LoRa应
用略显冷淡。目前可看到的公开应用是国内AUGTEK公司在:.
京杭大运河开展的LoRa网络(智慧航道)建设,据悉目前
已经完成江苏段的全线覆盖。其实国内从事LoRa模块和方
案开发的厂商并不少,除AUGTEK之外,还有洲斯物联、思
创汇连、普天通达、NPLink、门思科技、利尔达、唯传科技、
三凡信息、成都博高等众多公司。随着国内广域物联网喷发
式的发展和CLAA组织对LoRa应用的积极推动,国内基于
LoRa应用的试点将会越来越多地被部署在各行各业,以提供
优质高效的物联网服务。
目前来说比较先进的电力抄表系统是智能型直读表抄表
系统,这种技术是采用无源总线制进行数据的传输,具有无需对
信号进行转换和累计的特点,避免出现计数误差,而且进行
抄表时省去对底数、常数进行设置、存储的麻烦,计量准确
可靠,抗干扰性好,不会因为突然断电或者系统故障而引起的用
户用电数据丢失,功耗降低,延长了使用年限。远程电力抄
表系统得到政府的支持,而且随着科学技术的发展,电力远程
抄表的智能化趋势已是必然,尤其是智能型直读表抄表系统
将会成为远程电力抄表系统在未来几年的发展趋势,会得到
不断发展和完善。
4、基于LoRa的智能建筑管理系统分析与设计
通过需求分析可得知,建筑物的能耗主要由供暖、空调、:.
生活热水、照明、动力、办公设备及其他用电形式构成。其
主要的能源形式有电、水、气(天然气或煤气)、集中供热
耗热量、集中供冷耗冷量及其他能源应用量(如热水、煤、
油、可再生能源等)。能源消耗在建筑物的各个地点都在发
生,每个电能表、水表、冷热量表都记录着其所属范围内的
能量消耗,如果采用人工抄表的方式,就必须得根据建筑物
规模为此项工作配备一定数量的人员进行巡查,使其成为一
项日常工作。这对于整个建筑的运营来说是一笔巨大的开
支,尤其是在如今这个人工费用愈加高昂的社会,日常抄表
所带来的成本投入相当可观,更不用提数据采集之后便要跟
进的数据录入工作了。如果采用数据自动采集,则又存在着
建筑物内数据点位分散,数据集中传输面临着空间距离跨度
大,网关、中继器设置地点选择困难等问题。
传统的建筑物能耗系统以计算机、通讯设备、测控单元
为基本工具,根据现场实际情况采用现场总线或光纤环网的
组网方式,为大型公共建筑的实时数据采集、开关状态监测
及远程管理与控制提供了基础平台。本文选择了以LoRa无
线技术为核心,通过无线传输方式将数据集中到云服务器进
行存储,管理层终端可以通过在云端读取数据分析,并对整
个能耗管理系统进行有效优化,从而形成一个良性循环,最
终得出能耗管理的最佳方案,极大地提升能源利用效率,改
善能源浪费现象,节能减排,构建了一种良性的生态物联网。:.
以某市级综合医院为例,建筑物存在单一层建筑平面内
面积大,各功能分区结构复杂,房间分隔数量众多,能耗种
类呈现出多样化态势等特点。如采用传统综合布线方式,会
出现施工体量巨大、布线设备光纤成本高、时间跨度大、后
期维护更换难度大等问题,而且智能化建筑能耗管理系统的
建设属于后期改造,受到建筑建设初期电缆井设置部位的影
响,很可能需要大范围的重复布线,这本身就是一种能源浪
费,在改造时还会妨碍医院的正常运营,效率极低。因此,
考虑到已投入运行的医院实际情况,选择了无线数据传输这
样的方式,最大程度地加快建设进程,节约资源,同时又能
把对运营产生的影响降到最低。根据智能化能耗管理系统的
特点,针对某市级综合医院的实际情况,将系统分为4层:
现场采集设备、网关、终端数据处理设备、云端。采用LoRa
技术进行无线数据传输,免去了综合布线的线缆成本投入,
降低施工难度,极大地减短了施工时间并且简化了后期维护
过程,便于对各节点设备进行维修更换,具体结构见图(一)。
:.
图(一)
图(二)
:.
图(三)
针对现场数据采集设备,本文系统选择带有继电器的远
传电能表、水表和冷热量表,通过有线的方式连接LoRa模
块。电表采集到的RS485数据信号通过LoRa模块上的IN引
脚传入模块内,经过模块转换传输到LoRa网关,网关与云
端服务器相连接,实现数据的集中上传和统一管理。在管理
层设置计算机终端,对其开放接入云端服务器的权限,实现
数据的调取,实时分析能耗情况,对建筑物的能源消耗进行
管理。通过长时间、大量数据的收集,建立建筑物能耗管理
的数据库。通过对数据的分类、汇总,查看数据的发展方向
和趋势,深入挖掘数据中潜藏的内在规律,形成大数据,最
终总结出一种适合建筑物的最佳能耗管理方案,快速推动建
筑节能的发展与革新。
LoRa具有典型的星形拓扑结构,由图(一)网络架构可:.
知,某市级综合医院智能化能耗管理系统中LoRa网关是一
个透明的中继,连接云端和终端处理设备。网关通过标准IP
与服务器连接,而终端设备采用单跳模式,实现与一个或多
个网关的通信,所有的节点均是双向通信。
这些计量设备之间相对独立,分布在建筑的各个位置,
通过LoRa模块实现现场设备的数据监测,集中上传到云端
服务器进行储存,并由管理层设备调取分析。通过长时间大
量数据的收集,建立建筑物能耗管理数据库,构架了一种良
性的生态物联网。LoRa技术的采用让公司的发展获得了一个
巨大的飞跃,以博高信息公司为例,博高信息是一家专注于
提供用电信息采集领域的技术研发、设备生产、销售以及安
装、调试、运行维护等整体解决方案与服务的运营商。
结语:
随着可持续发展理念的进一步深入,智慧城市的发展,
信息传输技术的革新,对远距离、低功耗传输技术的需求越
来越大,而LoRa技术正好迎合了这种需求。LoRa对物联网
技术进化的意义巨大,对构建良性的生态物联网来说,更是
提供了技术支持。目前的建筑能耗管理系统依赖于物联网技
术,所以说LoRa技术是建筑能耗管理系统智能化发展的关
键。在可以预见的未来,这种远距离、低功耗、寿命长的无
线传输技术将取代现有的综合布线通过光纤传输的方式,成:.
为物联网技术的主流。在LoRa技术的配合下,物联网领域
的生态系统将会一步步搭建。
参考文献:
【1】【EB/OL】
【2】
些突破?
【3】王文蔚,
【J】.电气时代,2001,zl:B18-B19.