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LoRaWAN的技术原理和在水电气中的应用

日期:2020-12-04 14:11:47 点击:

  随着物联网的逐步发展,许多物联网应用数据封包小、对于延迟容忍程度较大,需要广范围布建,或是地处偏远、位于地下室、地底等屏蔽较严重的地点,既有无线通信或移动通讯技术之传输讯号到达不易,针对上述应用,发展出具备长距离低功耗的通讯技术,统称为低功耗广域网技术(Low Power Wide Area Network, LPWAN)。LPWAN由于具有低功耗长距离超大连接的优势,因此适用于需要广范围布建且传输数据量小的应用领域,这一特点非常符合智能app的信息采集的应用需求。LPWAN依使用频段可分为授权频段与非授频段权两大阵营,非授权频段LPWAN技术发展较早,主要技术为 LoRaWAN。

  一、LoRaWAN简介

  LoRaWAN是为LoRa远距离通信网络设计的一套通讯协议和系统架构。它定义了数据在LoRaWAN网络里是怎样传输的(这里的网络指的是节点、网关和服务器),定义了消息的类型,数据帧结构和安全加密方法;并且介绍了入网的具体操作,说明了主从机之间的区别。

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  LoRaWAN在协议和网络架构的设计上,充分考虑了节点功耗,网络容量,安全性和网络应用多样性等几个因素。

  二、LoRaWAN 网络架构

  如下是LoRa的网络架构图:

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  一个LoRaWAN网络架构中包含了终端、基站、NS(网络服务器)、应用服务器这四个部分。基站和终端之间采用星型和蜂窝网络拓扑,由于LoRa的长距离特性,它们之间得以使用单跳传输。终端节点可以同时发给多个基站。基站则对NS和终端之间的LoRaWAN协议数据做转发处理,将LoRaWAN数据分别承载在了LoRa射频传输和TCP/IP上。

  三、LoRaWAN协议概述

  1、终端节点的分类

  在技术规格方面,LoRaWAN传输速率约在30bit/s-50kbit/s之间,传输距离在市区约2=5公里,郊区较长可达15公里,支持双向传输,传输方式依据延迟要求与功耗大小可分为Baseline(Class A)、Beacon(Class B)以及Continuous(Class C)三种等级,其中Class A方式只有当终端装置发送要求时才会进行传输,功耗较低,应用在水表和气表中;Class C为持续传输数据,传输延迟时间较短,在电表中一般使用Class C。

  2、终端节点的上下行传输

  这是Class A 上下行的时序图,目前接收窗口RX1一般是在上行后1秒开始,接收窗口RX2是在上行后2秒开始。

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  Class C 和 A 基本是相同的,只是在 Class A 休眠的期间,它都打开了接收窗口RX2。

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  3、终端节点的加网

  终端入网有两种加网方式:Over-the-Air Activation(空中激活方式 OTAA),Activation by Personalization(独立激活方式 ABP)。

  商用的LoRaWAN网络一般都是走OTAA激活流程,这样安全性才得以保证。此种方式需要准备 DevEUI,AppEUI,AppKey 这三个参数。

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  DevEUI 是一个类似IEEE EUI64的全球唯一ID,标识唯一的终端设备。相当于是设备的MAC地址。

  AppEUI 是一个类似IEEE EUI64的全球唯一ID,标识唯一的应用提供者。。

  AppKey 是由应用程序拥有者分配给终端。

 

  终端在发起加网join流程后,发出加网命令,NS(网络服务器)确认无误后会给终端做加网回复,分配网络地址 DevAddr(32位ID),双方利用加网回复中的相关信息以及AppKey,产生会话密钥NwkSKey和AppSKey,用来对数据进行加密和校验。

  如果是采用第二种加网方式,即ABP激活,直接配置 DevAddr,NwkSKey,AppSKey 这三个LoRaWAN较终通讯的参数,不再需要join流程。在这种情况下,这个设备是可以直接发应用数据的。

  4、数据收发

  入网之后,应用数据就被加密处理了。

  LoRaWAN规定数据帧类型有 Confirmed 或者 Unconfirmed 两种,即 需要应答 和不需要应答类型。厂商可以根据应用需要选择合适的类型。

  另外,从介绍中可以看到,LoRaWAN设计之初的一大考虑就是要支持应用多样性。除了利用 AppEUI 来划分应用外,在传输时也可以利用 FPort 应用端口来对数据分别处理。FPort 的取值范围是(1~223),由应用层来指定。

  5、ADR 机制

  LoRa调制中有扩频因子,不同的扩频因子会有不同的传输距离和传输速率,且对数据传输互不影响。

  为了扩大LoRaWAN网络容量,在协议上了设计一个LoRa速率自适应(Adaptive data rate - ADR)机制,不同传输距离的设备会根据传输状况,尽可能使用较快的数据速率。这样也使得整体的数据传输更有效率。

  四、LORAWAN特点

  LoRaWAN具有无线传输、抗干扰能力强、加密通信、广覆盖、低功耗、大连接、低成本的特点。

  长距离:得益于扩频调制和前向纠错码的增益,LoRa取得大约2倍蜂窝技术的通信距离。

  大容量:物联网的节点特别多,一个LoRaWAN网络能轻松连接上万节点。

  轻松扩容:当一个LoRaWAN网络需要增加容量时,通过增加网关即可。

  安全:LoRaWAN是双重加密的物联网。适合在水电气表的信息采用应用中。

  五、网关和模组的技术指标

  1、网关

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  2、Lorawan模组

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  六、实测数据

  1、拉距测试

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  在距测试天线直线距离3.7KM处,信号强度-94,信噪比 -6.0 ,内置天线和外置天线数据包正常。

  2、楼宇内穿透测试:网关安装在黄金口滨江花园1期4栋15楼表井内

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  上表数据中,信号强度在-100dbm以上(远大于模块的接收灵敏度极限-139dbm),信噪比在-10以上可以实现双向可靠通信,因此把网关放在15楼,就可以实现对整栋32层楼的信号覆盖。

  3、数据上传成功率测试

  测试条件:120只电表,一个网关(8通道半双工)

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  从以上测试数据可以看出,120只表在3分钟以内可以完成数据的上传,平均成功率在99%以上。

  结论:

  1、市内采用内置天线可以保证2-3km内正常通信,采用外置天线可以达到更远的距离。

  2、可以穿透10-15层楼。

  3、用一个8通道半双工网关带120台表,3分钟内完成数据可靠传输,再16通道半双工网关可以实现大于200台电表数据可靠传输。

  LoRaWAN技术能够有效实现水电气表信息的采集。

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针对这个我们推出了系列LoRaWAN产品:

 

序号 名称 型号 产品图片
1 伟德通信模块 RDK-LoRaWAN型DWA RDK-LoRaWAN型DWA 伟德通信模块 .jpg
2 三相通信模块 RDK- LoRaWAN型SWA RDK-LoRaWAN型SWA 三相通信模块.jpg
3 伟德电子式app DDS155型BR DDS155型BR(LoRaWAN) 伟德电子式app.jpg
4 三相电子式app DTS150型FBR DTS150型FBR(LoRaWAN) 三相电子式app.jpg
5 伟德负载识别智能表(一进三出) DDZY150-M型M3/R DDZY150型M3伟德负载识别智能app (一进三出双国际).jpg
6 伟德智能表 DDZY150-M型R DDZY150-M型R(LoRaWAN)伟德智能表.jpg
7 三相智能表 DTZY150-M型R DABUIABACGAAg4O6n-gUo8LeBhAEwoAY42AQTZY150-Z型R(LoRaWAN)三相智能表.jpg
8 伟德智能伟德伟德(2P导轨) DDS155型G2BR DDS155型G2R(LoRaWAN) 伟德电子式app-2P导轨.jpg
9 智能插座 RDK-iSP10型BR 智能插座.jpg
10 采集器(RS485-> LoRaWAN ) DCRL12-RDK150型G2AY DCRL12-RDK150型G2AY LoRaWAN通用采集器.jpg
11 智能水表 智能水表 LXZ型WL R (LoRaWAN)智能水表.jpg

 

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