分类于: 嵌入式
关键词: LoRa, LoRaWAN, 无线通信

LoRa 简介

LoRa(Long Range)是一种基于超低功耗无线电技术的长距离、低数据速率无线通信技术,能够实现数公里范围内的低功耗、低成本、广域覆盖的物联网通信。 LoRa 技术是由 Semtech 公司提出的,其最大的优势是可以通过简单的硬件设计和低功耗实现远距离的通信,同时还具有较强的抗干扰能力和安全性。

传统的无线通信时,采用的调制技术有三种基本形式:振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。

LoRa 技术的核心是 LoRa 调制技术,其基于 chirp 调制解调技术,保持与 FSK 调制相同的低功率特性的同时可以将信号在频率和时间上进行扩展,从而实现对信号的增强和抗干扰能力的提升,同时还可以通过不同的扩频因子和带宽来实现不同的数据传输速率和距离覆盖范围。另外,LoRa 技术还采用了自适应速率调节和前向纠错等技术来提高通信质量和可靠性。

总的来说,LoRa 和 FSK 都是在无线通信的时候使用的一种调制解调技术

LoRaWAN 简介

Semtech 公司把 LoRa 的无线调制技术芯片化之后,为促进其他公司参与到 LoRa 的生态中,与 2015 年 3 月联合 Actility 、 Cisco 和 IBM 等多家厂商共同创立了 LoRa 联盟,并推出不断迭代的 LoRaWAN 规范。

2021年12月,LoRaWAN 被国际电信联盟(ITU)正式批准成为低功耗广域网络(LPWAN)的通信标准。该标准名为《ITU-T Y.4480 建议书:广域无线网络的低功率协议》,由国际电信联盟电信标准化部门(ITU-T)负责制定。LoRaWAN L2 通信规范 (1.0.4版) 现已转变为ITU规范,支持芯片到云端的通信,成为首个被认证为 ITU-T 建议书(标准)的 LPWAN 标准。作为LoRa发展历程的重要里程碑,获批不仅肯定了LoRa技术和生态的发展成果,更证明了LoRa在物联网市场的应用前景。

LoRaWAN 架构

LoRaWAN 的主要网络拓扑结构选择了星形结构。LoRaWAN 标准定义了节点(End Node)、网关(Concentrator/Gateway)、网络服务器(Network Server)和应用服务器(Application Server)等不同的内容。

LoRaWAN架构

  • 节点(End Node): 也称为传感器节点,是连接物理传感器和网络的设备,可以通过 LoRa 技术将传感器数据发送到网关。
  • 网关(Concentratro/Gateway): 是连接节点和网络服务器的设备,其可以接收和转发节点的数据,同时还可以对节点进行管理和配置。
  • 网络服务器(Network Server): 是协调节点和网关之间通信的设备,其主要负责节点的接入、数据的路由、安全认证和数据存储等功能。
  • 应用服务器(Application Server): 主要用于处理并解析从终端设备上传的数据,并将数据传递给应用程序进行分析和处理。

LoRaWAN 节点(End Node)

LoRaWAN 节点是连接物理传感器和网络的设备,其主要作用是将传感器数据通过 LoRa 技术发送到网关,从而实现物联网的数据采集和传输。具体来说,LoRaWAN 节点通常包括以下几个部分:

  • 传感器:用于采集环境参数、物理量、状态等信息,如温度、湿度、光照、气压、加速度等。
  • 处理器:用于对传感器数据进行处理和存储,通常包括微控制器、存储器、时钟等。
  • 通信模块:用于将处理后的数据通过 LoRa 技术发送到网关,通常包括 LoRa 射频芯片和天线。
  • 电源:用于为节点提供电力,通常采用电池供电,也可以采用太阳能电池板、环境能源收集器等。

Semtech 为节点设备并没有提供统一的节点设备,转变为提供 LoRa 层的调制/解调芯片用来完成 LoRaWAN 节点设备的通信。比较常用的无线射频芯片主要有: SX1268 和 SX1278 等。

LoRaWAN 节点的作用主要有以下几个方面:

  1. 数据采集:通过连接传感器,实现对环境参数、物理量、状态等信息的采集。
  2. 数据处理和存储:通过处理器对采集到的数据进行处理和存储,如数据压缩、加密、滤波、噪声消除等。
  3. 数据传输:通过 LoRa 技术将处理后的数据发送到网关,实现远距离、低功耗、广域覆盖的数据传输。
  4. 能耗管理:通过优化节点的能耗管理,延长节点的使用寿命和电池寿命。

LoRaWAN 节点是物联网系统中的重要组成部分,其通过采集、处理、传输和管理数据,为应用提供了可靠、安全、低成本、低功耗的物联网通信方案。

LoRaWAN 网关(Concentrator/Gateway)

LoRaWAN 网关作为网络的通信节点,主要的作用是接收和转发来自终端设备的信息,并将其发送到云端服务器。同时,LoRaWAN 网关也可以将云端服务器发送的指令传输到终端设备,从而实现双向通信。

具体来说,LoRaWAN 网关的功能包括以下几个方面:

  • 接收来自设备的信息: LoRaWAN 网关可以接收来自终端设备的信息,包括传感器数据、位置信息等。
  • 转发信息到应用服务器: LoRaWAN 网关将从终端设备接收到的信息发送到云端的应用服务器,并将应用服务器的响应指令转发回终端设备。
  • 网络管理: LoRaWAN 网关可以进行网络管理,包括设备接入、数据传输等方面的管理。
  • 网络安全: LoRaWAN 网关可以对网络进行安全管理,包括数据加密、认证、授权等措施,保障网络数据的安全性。

LoRaWAN 网关是 LoRaWAN 网络中至关重要的组成部分,它的作用是将设备与云端服务器连接起来,从而实现物联网的应用。

LoRaWAN 网络服务器(Network Server)

网络服务器(Network Server)处理 LoRaWAN 网络层的相关数据,主要包括 MAC 命令、区域参数和自适应数据速率(ADR),主要作用是为LoRaWAN网络中的端设备(End Device)提供网络连接、设备管理和数据处理等能力。

具体来说,LoRaWAN网络服务器可以实现以下功能:

  • 设备连接管理:LoRaWAN网络服务器可以管理网络中所有的端设备的连接,包括接入、认证、分配网络地址、配置设备参数等。
  • 数据传输:LoRaWAN网络服务器可以接收来自端设备的数据包,并将其传输至应用服务器,同时也负责向端设备发送数据包,如下发控制命令等。
  • 安全管理:LoRaWAN网络服务器可以对数据传输过程中的安全问题进行管理,包括数据加密和认证等。
  • 设备管理:LoRaWAN网络服务器可以对不同类型的端设备进行不同的管理策略,如管理其功耗、数据传输频率、重传策略等。

LoRaWAN 应用服务器(Application Server)

应用服务器(Application Server)处理从终端设备接收到的特定于应用程序的数据消息。它还生成所有应用程序层下行有效载荷,并通过网络服务器将其发送到连接到的终端设备。一个 LoRaWAN 网络可以拥有多个应用服务器。应用程序可以通过应用一些技术,例如机器学习和人工智能来解释收集到的数据,以解决业务问题。

它的主要作用有:

  • 数据解码和处理:应用服务器可以解码从设备发送的原始数据,将其转化为人类可读的格式,并进行进一步处理和分析,以便为应用程序提供更有用的数据。
  • 数据存储和管理:应用服务器可以将解码后的数据存储在本地数据库或云服务中,并进行管理和维护,以便后续的数据查询和分析。
  • 应用程序与设备的交互:应用服务器作为应用程序和LoRaWAN设备之间的桥梁,可以向设备发送控制指令或配置信息,也可以从设备接收数据或状态信息。
  • 应用程序接口:应用服务器可以提供一些API接口,让应用程序可以通过这些接口进行数据查询、设备管理或控制等操作。

LoRaWAN 应用场景及前景

由于 LoRa 物理层的技术特点,LoRaWAN 适用于传感器和需要在不同环境下每小时发送少量数据的应用场景。从设计之处就是天生为物联网(IoT)应用诞生的无线通信技术。由于 LoRaWAN 物联网应用的种类繁多,市场上的应用大致分为以下几大类:

  • 环境监测: LoRaWAN网关可以通过连接到传感器网络,实时地监测环境因素,如气体浓度、温度、湿度等,以便警报和决策制定。
  • 智能能源管理: LoRaWAN技术可以用于智能电表和电网监测,以便实时监测能源流量,优化能源使用,减少浪费和成本。
  • 农业和环保: LoRaWAN技术可以用于智能灌溉、土壤、气象和水质监测,帮助优化农业生产和环保措施。
  • 智慧楼宇: 由于水表、气表类表计等许多都是放置在表井中或者厨房的橱柜内部,这些区域的蜂窝网信号很弱,利用 LoRa 技术的较强的穿透性,保证数据的传输。

根据 LoRa 联盟(LoRa Alliance)在2022年度报告中披露,2020-2022年 LoRa 的运营商增长了66%,LoRa 联盟的成员新增93个。LoRaWAN 网络覆盖了全球 181 个国家和地区。

并且,LoRa 联盟在2022年举办了 LoRaWAN 世界博览会,LoRaWAN 作为 LPWAN 技术之一,被广泛应用于各种智能设备和传感器的通信连接中,涉及到的垂直市场有:智慧农业、智慧建筑、智慧城市、智慧工业等。

LoRa联盟还针对 LoRaWAN 的具体应用场景和需求,在不断完善 LoRaWAN 的通信标准。

  • TS003-2.0.0 Application Layer Clock Synchronization
  • TS004-2.0.0 Fragmented Data Block Transport
  • TS005-2.0.0 Remote Multicast Setup Specification
  • TS006-1.0.0 LoRaWAN® Firmware Management Protocol Specification
  • TS007-1.0.0 LoRaWAN® Multi Package Access Protocol Specification
  • TS010-1.0.0 LoRaWAN® IPv6 Adaptation Layer for End-Devices Specification
  • TS011-1.0.0 LoRaWAN® Relay Specification
  • TS013-1.0.0 Application Payload Codec API Specification

无论是从市场发展情况,还是从技术发展的角度来看,LoRa 和 LoRaWAN 在全球的发展史非常迅速的,潜力巨大。