基于Lora通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)智慧城市應(yīng)用構(gòu)建生態(tài)化物聯(lián)網(wǎng)

1、基于Lora通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)智慧城市應(yīng)用構(gòu)建生態(tài)化物聯(lián)網(wǎng)摘要：近年來(lái)出現(xiàn)了一種面向遠(yuǎn)距離、低功耗設(shè)備的無(wú)線技術(shù)，Long Range(簡(jiǎn)稱LoRa）。它是一種遠(yuǎn)距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低復(fù)雜度、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要適用于自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)采集和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，同時(shí)旨在構(gòu)建生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的一種技術(shù)。本文對(duì)LoRa的基本原理和理論依據(jù)進(jìn)行分析，指出了LoRa技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，分析了LoRa所采用的調(diào)制模式和無(wú)線傳輸保障機(jī)制，以LoRa技術(shù)指導(dǎo)下智能建筑能耗管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，進(jìn)而闡述LoRa通信系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用以及對(duì)于構(gòu)建生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)的作用。關(guān)鍵詞：LoRa 優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn) 智能建筑 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用引言：

2、低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)（LPWAN，Low Power Wide Area Network）技術(shù)是一種革命性的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線接入新技術(shù),與Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee等現(xiàn)有成熟商用的無(wú)線技術(shù)相比，具有遠(yuǎn)距離、低功耗、低成本、覆蓋容量大等優(yōu)點(diǎn)，適合于在長(zhǎng)距離發(fā)送小數(shù)據(jù)量且使用電池供電方式的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備。LPWAN作為一個(gè)新興的、剛起步的技術(shù)，其市場(chǎng)普遍被看好，各廠商爭(zhēng)先研究LPWAN，參與標(biāo)準(zhǔn)制定，設(shè)商用試點(diǎn)，市場(chǎng)呈現(xiàn)百家爭(zhēng)鳴、蓬勃發(fā)展的態(tài)勢(shì)。LoRa作為非授權(quán)頻譜的一種LPWAN無(wú)線技術(shù)，相比于其他無(wú)線技術(shù)（如Sigfox、NWave等），其產(chǎn)業(yè)鏈更為成熟、商業(yè)化應(yīng)用較早。LoRa技術(shù)經(jīng)過Semte

3、ch、美國(guó)思科、IBM、荷蘭KPN電信和韓國(guó)SK電信等組成的LoRaAlliance國(guó)際組織進(jìn)行全球推廣后，目前已成為新物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和智慧城市發(fā)展的重要基礎(chǔ)支撐技術(shù)。1、LoRa技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)目前LoRa的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)主要有以下幾個(gè)方面：1.1新型擴(kuò)頻技術(shù)大大改善接收的靈敏度高達(dá)157db的鏈路預(yù)算，使其通信距離可達(dá)15公里（與 環(huán) 境 有 關(guān)）。其接收電流僅10mA,睡眠電流小于200nA，這大大延遲了電池的使用壽命。 表1LORA技術(shù)適用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用部署的關(guān)鍵特性關(guān)鍵特性優(yōu)勢(shì)157dB鏈路預(yù)算遠(yuǎn)距離距離大于15千米最小的基礎(chǔ)設(shè)施成本易于建設(shè)和部署使用網(wǎng)關(guān)/集中器擴(kuò)展系統(tǒng)容量電池壽命大

4、于10年延長(zhǎng)電池壽命接收電流-10mA,休眠電流小于200nA免牌照的頻段低成本基礎(chǔ)設(shè)施成本低節(jié)點(diǎn)/終端成本低1.2網(wǎng)關(guān)/集中器支持多信道多數(shù)據(jù)速率的并行處理，系統(tǒng)容量大網(wǎng)關(guān)是節(jié)點(diǎn)與IP網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁（通過2G/3G/4G或者Ethernet）。每個(gè)網(wǎng)關(guān)每天可以處理500萬(wàn)次各節(jié)點(diǎn)之間的通信（假設(shè)每次發(fā)送10Bytes,網(wǎng)絡(luò)占用率10%）。如 果 把 網(wǎng) 關(guān) 安 裝 在 現(xiàn)有移動(dòng)通信基站的位置，發(fā)射功率20dBm（100mW），那么在搞建筑密集的城市環(huán)境可以覆蓋2公里左右，而在密度較低的郊區(qū)，覆蓋范圍可達(dá)10公里。該網(wǎng)關(guān)/集中器還包含MAC層協(xié)議，對(duì)于高層它是透明的。1.3基于終端和集中器/網(wǎng)

5、關(guān)的系統(tǒng)可以支持測(cè)距和定位LoRa對(duì)距離的測(cè)量是基于信號(hào)的空中傳輸時(shí)間而非傳統(tǒng)的RSSI（ReceivedSignalSterngthIndication），而定位則基于多點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)）對(duì)一點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)）的空中傳輸時(shí)間差的測(cè)量。其定位精度可達(dá)5m（假設(shè)10km的范圍）。2、LoRa在無(wú)線技術(shù)中的位置根據(jù)LoRa技術(shù)的關(guān)鍵特點(diǎn)可知，LoRa非常適用于要求具備功耗低、距離遠(yuǎn)、容量大以及可定位跟蹤等特點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如智能抄表、智能停車、車輛追 蹤、寵物跟蹤、智慧農(nóng)業(yè)、智慧工業(yè)、智慧城市、智慧社區(qū)等應(yīng)用和領(lǐng)域。表3所示為L(zhǎng)oRa網(wǎng)絡(luò)適用的應(yīng)用案例：場(chǎng)景應(yīng)用案例智能產(chǎn)業(yè)資產(chǎn)跟蹤、資產(chǎn)過程自動(dòng)化、自動(dòng)化、環(huán)境監(jiān)

6、測(cè)、工業(yè)照明、商業(yè)安全、基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)測(cè)、水管里和其他各種應(yīng)用等智能公共設(shè)施施水、電、煤氣的智能化管理（最主要是智能計(jì)量）智能城市與市政資源和服務(wù)的管理相關(guān)的應(yīng)用，如街道照明、垃圾管理、停車管理環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通監(jiān)測(cè)、應(yīng)急管理和公共交通管理等智能建筑暖通空調(diào)（采暖、通風(fēng)、空調(diào)）、能源管理、安全、照明和房間自動(dòng)化等應(yīng)用目前，LoRa網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在全球多地進(jìn)行試點(diǎn)或部署。據(jù)最新公布的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，全球有十六個(gè)國(guó)家正在部署LoRa網(wǎng)絡(luò)，56個(gè)國(guó)家開始進(jìn)行試點(diǎn)，如美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、澳大利亞、印度等。荷蘭KPN電信、韓國(guó)SK電信在2016年上半年部署了覆蓋全國(guó)的LoRa網(wǎng)絡(luò)，提供基于LoRa的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。相對(duì)于Lo

7、Ra技術(shù)在國(guó)外發(fā)展的如火如荼，國(guó)內(nèi)LoRa應(yīng)用略顯冷淡。目前可看到的公開應(yīng)用是國(guó)內(nèi)AUGTEK公司在京杭大運(yùn)河開展的LoRa網(wǎng)絡(luò)（智慧航道）建設(shè)，據(jù)悉目前已經(jīng)完成江蘇段的全線覆蓋。其實(shí)國(guó)內(nèi)從事LoRa模塊和方案開發(fā)的廠商并不少，除AUGTEK之外，還有洲斯物聯(lián)、思創(chuàng)匯連、普天通達(dá)、NPLink、門思科技、利爾達(dá)、唯傳科技、三凡信息、成都博高等眾多公司。隨著國(guó)內(nèi)廣域物聯(lián)網(wǎng)噴發(fā)式的發(fā)展和CLAA組織對(duì)LoRa應(yīng)用的積極推動(dòng)，國(guó)內(nèi)基于LoRa應(yīng)用的試點(diǎn)將會(huì)越來(lái)越多地被部署在各行各業(yè)，以提供優(yōu)質(zhì)高效的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。3.智能抄表的發(fā)展趨勢(shì)目前來(lái)說(shuō)比較先進(jìn)的電力抄表系統(tǒng)是智能型直讀表抄表系統(tǒng)，這種技術(shù)是采用

8、無(wú)源總線制進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，具有無(wú)需對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和累計(jì)的特點(diǎn)，避免出現(xiàn)計(jì)數(shù)誤差，而且進(jìn)行抄表時(shí)省去對(duì)底數(shù)、常數(shù)進(jìn)行設(shè)置、存儲(chǔ)的麻煩，計(jì)量準(zhǔn)確可靠，抗干擾性好，不會(huì)因?yàn)橥蝗粩嚯娀蛘呦到y(tǒng)故障而引起的用戶用電數(shù)據(jù)丟失，功耗降低，延長(zhǎng)了使用年限。遠(yuǎn)程電力抄表系統(tǒng)得到政府的支持，而且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電力遠(yuǎn)程抄表的智能化趨勢(shì)已是必然，尤其是智能型直讀表抄表系統(tǒng)將會(huì)成為遠(yuǎn)程電力抄表系統(tǒng)在未來(lái)幾年的發(fā)展趨勢(shì)，會(huì)得到不斷發(fā)展和完善。4、基于LoRa的智能建筑管理系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)4.1智能建筑管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析通過需求分析可得知，建筑物的能耗主要由供暖、空調(diào)、生活熱水、照明、動(dòng)力、辦公設(shè)備及其他用電形式構(gòu)成。其主

9、要的能源形式有電、水、氣（天然氣或煤氣）、集中供熱耗熱量、集中供冷耗冷量及其他能源應(yīng)用量（如熱水、煤、油、可再生能源等）。能源消耗在建筑物的各個(gè)地點(diǎn)都在發(fā)生，每個(gè)電能表、水表、冷熱量表都記錄著其所屬范圍內(nèi)的能量消耗，如果采用人工抄表的方式，就必須得根據(jù)建筑物規(guī)模為此項(xiàng)工作配備一定數(shù)量的人員進(jìn)行巡查，使其成為一項(xiàng)日常工作。這對(duì)于整個(gè)建筑的運(yùn)營(yíng)來(lái)說(shuō)是一筆巨大的開支，尤其是在如今這個(gè)人工費(fèi)用愈加高昂的社會(huì)，日常抄表所帶來(lái)的成本投入相當(dāng)可觀，更不用提數(shù)據(jù)采集之后便要跟進(jìn)的數(shù)據(jù)錄入工作了。如果采用數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，則又存在著建筑物內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)位分散，數(shù)據(jù)集中傳輸面臨著空間距離跨度大，網(wǎng)關(guān)、中繼器設(shè)置地點(diǎn)選擇困難

10、等問題。傳統(tǒng)的建筑物能耗系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)、通訊設(shè)備、測(cè)控單元為基本工具，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用現(xiàn)場(chǎng)總線或光纖環(huán)網(wǎng)的組網(wǎng)方式，為大型公共建筑的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程管理與控制提供了基礎(chǔ)平臺(tái)。本文選擇了以LoRa無(wú)線技術(shù)為核心，通過無(wú)線傳輸方式將數(shù)據(jù)集中到云服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)，管理層終端可以通過在云端讀取數(shù)據(jù)分析，并對(duì)整個(gè)能耗管理系統(tǒng)進(jìn)行有效優(yōu)化，從而形成一個(gè)良性循環(huán)，最終得出能耗管理的最佳方案，極大地提升能源利用效率，改善能源浪費(fèi)現(xiàn)象，節(jié)能減排，構(gòu)建了一種良性的生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)。4.2基于LoRa的智能建筑數(shù)據(jù)傳輸組網(wǎng)設(shè)計(jì)以某市級(jí)綜合醫(yī)院為例，建筑物存在單一層建筑平面內(nèi)面積大，各功能分區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，房間

11、分隔數(shù)量眾多，能耗種類呈現(xiàn)出多樣化態(tài)勢(shì)等特點(diǎn)。如采用傳統(tǒng)綜合布線方式，會(huì)出現(xiàn)施工體量巨大、布線設(shè)備光纖成本高、時(shí)間跨度大、后期維護(hù)更換難度大等問題，而且智能化建筑能耗管理系統(tǒng)的建設(shè)屬于后期改造，受到建筑建設(shè)初期電纜井設(shè)置部位的影響，很可能需要大范圍的重復(fù)布線，這本身就是一種能源浪費(fèi)，在改造時(shí)還會(huì)妨礙醫(yī)院的正常運(yùn)營(yíng)，效率極低。因此，考慮到已投入運(yùn)行的醫(yī)院實(shí)際情況，選擇了無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸這樣的方式，最大程度地加快建設(shè)進(jìn)程，節(jié)約資源，同時(shí)又能把對(duì)運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生的影響降到最低。根據(jù)智能化能耗管理系統(tǒng)的特點(diǎn)，針對(duì)某市級(jí)綜合醫(yī)院的實(shí)際情況，將系統(tǒng)分為層：現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、終端數(shù)據(jù)處理設(shè)備、云端。采用LoRa技術(shù)進(jìn)

12、行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，免去了綜合布線的線纜成本投入，降低施工難度，極大地減短了施工時(shí)間并且簡(jiǎn)化了后期維護(hù)過程，便于對(duì)各節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行維修更換，具體結(jié)構(gòu)見圖（一）。 圖（一）圖（二）圖（三）針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備，本文系統(tǒng)選擇帶有繼電器的遠(yuǎn)傳電能表、水表和冷熱量表，通過有線的方式連接LoRa模塊。電表采集到的RS485數(shù)據(jù)信號(hào)通過LoRa模塊上的IN引腳傳入模塊內(nèi)，經(jīng)過模塊轉(zhuǎn)換傳輸?shù)絃oRa網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)與云端服務(wù)器相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中上傳和統(tǒng)一管理。在管理層設(shè)置計(jì)算機(jī)終端，對(duì)其開放接入云端服務(wù)器的權(quán)限，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的調(diào)取，實(shí)時(shí)分析能耗情況，對(duì)建筑物的能源消耗進(jìn)行管理。通過長(zhǎng)時(shí)間、大量數(shù)據(jù)的收集，建立建筑物能耗

13、管理的數(shù)據(jù)庫(kù)。通過對(duì)數(shù)據(jù)的分類、匯總，查看數(shù)據(jù)的發(fā)展方向和趨勢(shì)，深入挖掘數(shù)據(jù)中潛藏的內(nèi)在規(guī)律，形成大數(shù)據(jù)，最終總結(jié)出一種適合建筑物的最佳能耗管理方案，快速推動(dòng)建筑節(jié)能的發(fā)展與革新。LoRa具有典型的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由圖（一）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可知，某市級(jí)綜合醫(yī)院智能化能耗管理系統(tǒng)中LoRa網(wǎng)關(guān)是一個(gè)透明的中繼，連接云端和終端處理設(shè)備。網(wǎng)關(guān)通過標(biāo)準(zhǔn)IP與服務(wù)器連接，而終端設(shè)備采用單跳模式，實(shí)現(xiàn)與一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)的通信，所有的節(jié)點(diǎn)均是雙向通信。這些計(jì)量設(shè)備之間相對(duì)獨(dú)立，分布在建筑的各個(gè)位置，通過LoRa模塊實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，集中上傳到云端服務(wù)器進(jìn)行儲(chǔ)存，并由管理層設(shè)備調(diào)取分析。通過長(zhǎng)時(shí)間大量數(shù)據(jù)的收集，建立建筑物能耗管理數(shù)據(jù)庫(kù)，構(gòu)架了一種良性的生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)。LoRa技術(shù)的采用讓公司的發(fā)展獲得了一個(gè)巨大的飛躍，以博高信息公司為例，博高信息是一家專注于提供用電信息采集領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)、設(shè)備生產(chǎn)、銷售以及安裝、調(diào)試、運(yùn)行維護(hù)等整體解決方案與服務(wù)的運(yùn)營(yíng)商。結(jié)語(yǔ)：隨著可持續(xù)發(fā)展理念的進(jìn)一步深入，智慧城市的發(fā)展，信息傳輸技術(shù)的革新，對(duì)遠(yuǎn)距離、低功耗傳輸技術(shù)的需求越來(lái)越大，而LoRa技術(shù)正好迎合了這種需求。LoRa對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)化的意義巨大，對(duì)構(gòu)建良性的生態(tài)物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)，更是提供了技術(shù)支持。目前的建筑能耗管理系統(tǒng)依賴于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，所以說(shuō)LoRa技術(shù)