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LoRaWAN的技術(shù)原理和在水電氣中的應(yīng)用
日期：2020-12-04 14:11:47 點擊：
隨著物聯(lián)網(wǎng)的逐步發(fā)展，許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)封包小、對于延遲容忍程度較大，需要廣范圍布建，或是地處偏遠、位于地下室、地底等屏蔽較嚴重的地點，既有無線通信或移動通訊技術(shù)之傳輸訊號到達不易，針對上述應(yīng)用，發(fā)展出具備長距離低功耗的通訊技術(shù)，統(tǒng)稱為低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)(Low Power Wide Area Network, LPWAN)。LPWAN由于具有低功耗、長距離和超大連接的優(yōu)勢，因此適用于需要廣范圍布建且傳輸數(shù)據(jù)量小的應(yīng)用領(lǐng)域，這一特點非常符合智能電能表的信息采集的應(yīng)用需求。LPWAN依使用頻段可分為授權(quán)頻段與非授頻段權(quán)兩大陣營，非授權(quán)頻段LPWAN技術(shù)發(fā)展較早，主要技術(shù)為 LoRaWAN。
一、LoRaWAN簡介
LoRaWAN是為LoRa遠距離通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的一套通訊協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)。它定義了數(shù)據(jù)在LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)里是怎樣傳輸?shù)?這里的網(wǎng)絡(luò)指的是節(jié)點、網(wǎng)關(guān)和服務(wù)器)，定義了消息的類型，數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)和安全加密方法;并且介紹了入網(wǎng)的具體操作，說明了主從機之間的區(qū)別。
LoRaWAN在協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計上，充分考慮了節(jié)點功耗，網(wǎng)絡(luò)容量，安全性和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用多樣性等幾個因素。
二、LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
如下是LoRa的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖：
一個LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中包含了終端、基站、NS(網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器)、應(yīng)用服務(wù)器這四個部分。基站和終端之間采用星型和蜂窩網(wǎng)絡(luò)拓撲，由于LoRa的長距離特性，它們之間得以使用單跳傳輸。終端節(jié)點可以同時發(fā)給多個基站。基站則對NS和終端之間的LoRaWAN協(xié)議數(shù)據(jù)做轉(zhuǎn)發(fā)處理，將LoRaWAN數(shù)據(jù)分別承載在了LoRa射頻傳輸和TCP/IP上。
三、LoRaWAN協(xié)議概述
1、終端節(jié)點的分類
在技術(shù)規(guī)格方面，LoRaWAN傳輸速率約在30bit/s-50kbit/s之間，傳輸距離在市區(qū)約2=5公里，郊區(qū)較長可達15公里，支持雙向傳輸，傳輸方式依據(jù)延遲要求與功耗大小可分為Baseline(Class A)、Beacon(Class B)以及Continuous(Class C)三種等級，其中Class A方式只有當終端裝置發(fā)送要求時才會進行傳輸，功耗較低，應(yīng)用在水表和氣表中;Class C為持續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，傳輸延遲時間較短，在電表中一般使用Class C。
2、終端節(jié)點的上下行傳輸
這是Class A 上下行的時序圖，目前接收窗口RX1一般是在上行后1秒開始，接收窗口RX2是在上行后2秒開始。
Class C 和 A 基本是相同的，只是在 Class A 休眠的期間，它都打開了接收窗口RX2。
3、終端節(jié)點的加網(wǎng)
終端入網(wǎng)有兩種加網(wǎng)方式：Over-the-Air Activation(空中激活方式 OTAA)，Activation by Personalization(獨立激活方式 ABP)。
商用的LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)一般都是走OTAA激活流程，這樣安全性才得以保證。此種方式需要準備 DevEUI，AppEUI，AppKey 這三個參數(shù)。
DevEUI 是一個類似IEEE EUI64的全球唯一ID，標識唯一的終端設(shè)備。相當于是設(shè)備的MAC地址。
AppEUI 是一個類似IEEE EUI64的全球唯一ID，標識唯一的應(yīng)用提供者。。
AppKey 是由應(yīng)用程序擁有者分配給終端。
終端在發(fā)起加網(wǎng)join流程后，發(fā)出加網(wǎng)命令，NS(網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器)確認無誤后會給終端做加網(wǎng)回復(fù)，分配網(wǎng)絡(luò)地址 DevAddr(32位ID)，雙方利用加網(wǎng)回復(fù)中的相關(guān)信息以及AppKey，產(chǎn)生會話密鑰NwkSKey和AppSKey，用來對數(shù)據(jù)進行加密和校驗。
如果是采用第二種加網(wǎng)方式，即ABP激活，直接配置 DevAddr，NwkSKey，AppSKey 這三個LoRaWAN較終通訊的參數(shù)，不再需要join流程。在這種情況下，這個設(shè)備是可以直接發(fā)應(yīng)用數(shù)據(jù)的。
4、數(shù)據(jù)收發(fā)
入網(wǎng)之后，應(yīng)用數(shù)據(jù)就被加密處理了。
LoRaWAN規(guī)定數(shù)據(jù)幀類型有 Confirmed 或者 Unconfirmed 兩種，即 需要應(yīng)答 和不需要應(yīng)答類型。廠商可以根據(jù)應(yīng)用需要選擇合適的類型。
另外，從介紹中可以看到，LoRaWAN設(shè)計之初的一大考慮就是要支持應(yīng)用多樣性。除了利用 AppEUI 來劃分應(yīng)用外，在傳輸時也可以利用 FPort 應(yīng)用端口來對數(shù)據(jù)分別處理。FPort 的取值范圍是(1~223)，由應(yīng)用層來指定。
5、ADR 機制
LoRa調(diào)制中有擴頻因子，不同的擴頻因子會有不同的傳輸距離和傳輸速率，且對數(shù)據(jù)傳輸互不影響。
為了擴大LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)容量，在協(xié)議上了設(shè)計一個LoRa速率自適應(yīng)(Adaptive data rate - ADR)機制，不同傳輸距離的設(shè)備會根據(jù)傳輸狀況，盡可能使用較快的數(shù)據(jù)速率。這樣也使得整體的數(shù)據(jù)傳輸更有效率。
四、LORAWAN特點
LoRaWAN具有無線傳輸、抗干擾能力強、加密通信、廣覆蓋、低功耗、大連接、低成本的特點。
長距離：得益于擴頻調(diào)制和前向糾錯碼的增益，LoRa取得大約2倍蜂窩技術(shù)的通信距離。
大容量：物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點特別多，一個LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)能輕松連接上萬節(jié)點。
輕松擴容：當一個LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)需要增加容量時，通過增加網(wǎng)關(guān)即可。
安全：LoRaWAN是雙重加密的物聯(lián)網(wǎng)。適合在水電氣表的信息采用應(yīng)用中。
五、網(wǎng)關(guān)和模組的技術(shù)指標
1、網(wǎng)關(guān)
2、Lorawan模組
六、實測數(shù)據(jù)
1、拉距測試
在距測試天線直線距離3.7KM處，信號強度-94，信噪比 -6.0 ，內(nèi)置天線和外置天線數(shù)據(jù)包正常。
2、樓宇內(nèi)穿透測試：網(wǎng)關(guān)安裝在黃金口濱江花園1期4棟15樓表井內(nèi)
上表數(shù)據(jù)中，信號強度在-100dbm以上(遠大于模塊的接收靈敏度極限-139dbm)，信噪比在-10以上可以實現(xiàn)雙向可靠通信，因此把網(wǎng)關(guān)放在15樓，就可以實現(xiàn)對整棟32層樓的信號覆蓋。
3、數(shù)據(jù)上傳成功率測試
測試條件：120只電表，一個網(wǎng)關(guān)(8通道半雙工)
從以上測試數(shù)據(jù)可以看出，120只表在3分鐘以內(nèi)可以完成數(shù)據(jù)的上傳，平均成功率在99%以上。
結(jié)論：
1、市內(nèi)采用內(nèi)置天線可以保證2-3km內(nèi)正常通信，采用外置天線可以達到更遠的距離。
2、可以穿透10-15層樓。
3、用一個8通道半雙工網(wǎng)關(guān)帶120臺表,3分鐘內(nèi)完成數(shù)據(jù)可靠傳輸,再16通道半雙工網(wǎng)關(guān)可以實現(xiàn)大于200臺電表數(shù)據(jù)可靠傳輸。
LoRaWAN技術(shù)能夠有效實現(xiàn)水電氣表信息的采集。
針對這個我們推出了系列LoRaWAN產(chǎn)品：
| 序號 | 名稱 | 型號 | 產(chǎn)品圖片 |
| 1 | 單相通信模塊 | RDK-LoRaWAN型DWA |  |
| 2 | 三相通信模塊 | RDK- LoRaWAN型SWA |  |
| 3 | 單相電子式電能表 | DDS155型BR |  |
| 4 | 三相電子式電能表 | DTS150型FBR |  |
| 5 | 單相負載識別智能表(一進三出) | DDZY150-M型M3/R |  |
| 6 | 單相智能表 | DDZY150-M型R |  |
| 7 | 三相智能表 | DTZY150-M型R |  |
| 8 | 單相智能電能監(jiān)測儀(2P導(dǎo)軌) | DDS155型G2BR |  |
| 9 | 智能插座 | RDK-iSP10型BR |  |
| 10 | 采集器(RS485-> LoRaWAN ) | DCRL12-RDK150型G2AY |  |
| 11 | 智能水表 | 智能水表 |  |
