物联网技术之LoRa通信(一)
时间：2021-09-06 15:23:42
[导读]▼点击下方名片，关注公众号▼ 当前物联网市场发展迅速，各种新技术不断的被应用与实际的解决方案中，这里从这一篇短文开始一块探讨一下物联网终端无线通信技术中的佼佼者-LORA，本篇主要介绍一下Lora到底是啥？相对其它无线通信技术有啥优缺点？实际的应用场景是啥？01LoRa是啥？...
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LoRa是啥？
Lora的英文全称是Long Range，取得两个单词的前两个字母组成，从字面意思可以理解到是一种长距离通信技术，其工作在免费的工作频段（即非授权频段），包括433MHz、470MHz、868MHz、915MHz等。使用时不需要申请，在我国实际解决方案中使用最多的频段主要在410MHz-510MHz，按照1MHz间隔一个信道去算，能够支持100多个信道，实际可以缩短信道之间的间隔，扩宽频段来增加信道的数量。 Lora在我们的实际应用中共有两种方式，我把它们分为组网模式和非组网，组网主要以星型网络为主的网关带节点的通信方式，lorawan也是其中一种，后面会专门讲解Lora完的相关知识；非组网模式主要是点对点，也就是单个lora设备和单个Lora设备建立的通信方式。当然还有不同的用法，前面我说的两种用法只是使用场景最多的两种方式。 LoRa因其功耗低、传输距离远、组网灵活等诸多特性与物联网碎片化、低成本、大连接的需求十分的契合，因此被广泛部署在智慧社区、智能家居和楼宇、智能表计、智慧农业、智能物流等多个垂直行业，前景广阔。 LoRa基本技术指标如下：
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LoRa相比其他无线技术有啥优缺点？
无线通信技术较多，这里我们主要列举几种物联网领域用到较多的无线通信技术来作比较：蓝牙、wifi、NFC、zigbee、UWB。蓝牙 蓝牙（Bluetooth）是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇、个人之间的 短距离数据交换（使用2.4～2.48GHz的ISM波段的UHF无线电波）。蓝牙可连接多个 设备，克服了数据同步的难题。从音频传输、图文传输、视频传输，再到以低功耗为主的物联 网传输，蓝牙应用的场景也越来越广。目前蓝牙的协议经过多年的发展，从我们熟知的蓝牙协议3.0、4.0发展到现在的5.0协议，最新小版本协议应该已经到了5.3协议，蓝牙协议发展到5代后，在低功耗模式下具备更快更远的传输能力，传输速率是上代技术的2倍（速率上限为2Mb/s），有效传输距离是上一代技术的4倍（理论上可达300m），数据包容量更是上一代技术的8倍。同时，为了更好地服务物联网，蓝牙技术发展了一套Mesh网状网络，有别于传统的蓝牙连接的“一对一”配对，Mesh网络能够使设备实现“多对多”的关系。WiFi Wifi是我们目前最常见的一种无线技术，我们常用的手机、pc、智能音箱等设备都支持wifi技术。人们目前所使用的WiFi标准是由最早于1997年发布的802.11b演变而来， 802. 11b的速率仅为2Mb/s， 1999年提出的802. 11g将速率提升至11Mb/s目前最新的802. 11ax（ Wi—Fi 6）理论最大速率为10Gb/s左右。 传统的Wi—Fi使用2.4GHz频段，随着使用2.4GHz频段的设备越来越多，比如上面说到的蓝牙技术就是2.4GHz频率，相互之间干扰增强，因此第五代Wi—Fi技术研制了运行在5GHz以上的高频段。理论上5GHz频段相较2.4GHz速率更高，但两者各有优缺点。2. 4GHz穿墙衰减更少，传播距离更远，但使用设备多，干扰大；5GHz网速更稳定，速率更高，但穿墙等衰减大，覆盖距离小。对于5GHz频率可以做一个试验，使用pc下载文件，会发现靠近路由器很近的时候速率非常快，距离稍微拉远一点就会变慢很多，相对2.4GHz效果会比较明显。NFC NFC (Near-Field Communication,近场通信)是一种短距高频的无线电技术,属于 RFID技术的一种，该技术是我接触最早的一种技术，记得初中时食堂的饭卡就是使用的这种技术，该技术工作频率在13. 56MHz，有效工作距离在20cm以内。其传输速率有 106k/s.212b/s或者424kb/s三种。较近的传输距离帮助我们防止同学盗刷我们的饭卡了。 NFC技术存在很多优点，例如通信保密性好、无功耗、方案的成本较低等，尤其NFC能够通过 简单的碰触瞬间完成连接。在整合至IoT设备中 之后，可以通过物联网系统收集与用户有关的习 惯和使用方式等数据，之后再提供给云端或大数 据服务器做数据分析，提高用户生活质量。就像我们使用的泉城一卡通，既可以使用其乘坐公交车，也可以实现乘坐地铁，所有的数据都会通过刷卡机上传到服务器进行相关的操作，实现数据的同步等功能。NFC技术的缺点也是相当明显，通信距离短，数据传输量小，也限制了近场通信的使用场景，不过随着物联网的发展，NFC会和其它技术进行深入的融合，从而发挥其优势，丰富应用场景。Zigbee Zigbee是我接触的第一种组网通信方式，ZigBee是一种可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915MHz（美国流行）3个频段上的无线连接技术，分别具有最高250kb／s、20kb／s和40kb／s的传输速率，它的传输距离为10～75m，但可以通过Mesh继续增加。zigbee技术发展至今已经发展到了3.0版本，在组网性能上，ZigBee可以构造为星状网络或者点对点对等网络，广泛的应用于智慧医疗、智能家居等领域。UWB UWB是一种超宽带技术，是近年来新兴的一项全新的、与传统通信技术有极大差异的无线通信新技术。它无须使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或微秒级以 下的极窄脉冲来传输数据，从而具有3.1～10.6GHz量级的带宽。通过在较宽的频谱上传 送极低功率的信号，UWB能在10m左右的范围内实现数百兆比特每秒至数吉比特每秒的数据传输速率。 除了高传输速率外，UWB技术还有发射功率较低、穿透能力较强、抗干扰性能强等优点，在室内定位领域可得到较为精确的结果，广泛应用于小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、 地面和身体的雷达和图像系统中。我曾经用uwb技术做过一个定位系统，该系统主要有3个基站和1个标签，标签放置在AGV小车上，同UWB的定位功能可以实现AGV小车在区域内的精确定位，经过多次试验确认其测距的精度最小10cm，且容易受到旁边铁皮的影响，，基站的摆放位置也是影响因素。 上面已经介绍完了5种技术，下面进行了总结，通过列出的参数对比一下第一节中介绍lora可以清晰知道孰优孰劣。 在低功耗、长距离通信的应用场景中，lora技术与其它技术打擂台的话，应该是直接KO.
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LoRa实际应用场景是啥？
在说我们实际应用场景之前，先抛出一个问题，那就是lora到底能传多远，第一节中说到的都是城镇、地面空旷，那如果是在太空中呢？其实现在有很多家卫星公司吧lora发射到了近地卫星轨道，近地卫星轨道的高度一般为600-1600km，在地面上只要使用lorawan的设备就能接收到lora信号，牛不牛？再回到我们的实际场景，根据lora的特点我们总结出来主要以下3大类场景：
蜂窝信号弱或不可用场景 1）农业和畜牧业中的位置跟踪和动植物健康状况监测：灌溉设备跟踪管理等项目由于此类应用的环境多为农村或偏僻地区，这里的蜂窝网络覆盖比较差，且要介入系统的物联网设备较多，最好的实现方式就是使用LoRa自建网络。2）采矿和石油作业：这个场景所处的地方基本都属于无人区，环境偏僻恶劣，缺少人烟，基本没有移动网络覆盖，尤其是矿井下等一些有安全要求区域的网络覆盖，lora能够很好的满足要求。3）森林火灾监测：森林区域人烟稀少，且部署蜂窝网基站的成本偏高（需要光纤接人），而架设LoRa网络成本很低且覆盖范围广泛，成本低。4）环境监测；环境监测的监测点种类繁多，有的漂浮在江河中，有的在高山悬崖边，许多加方便。区域信号覆盖较差，而且这些环境监测的传感器具有一定的分布特性，使用LoRa网络会更加方便。
功耗、距离要求严格的应用 1）水、气表：水、气表一般的工作寿命都要8～10年，尤其是水表在整个生命周期中是无法更换电池的，这就需要超低的功耗，所以LoRa非常适合这样的应用场景。2）泊车传感器／锁具：泊车系统传感器的电池更换很困难，尤其路内停车的地磁传感器，埋入地下后更换电池成本很高，这就需要有非常好的功耗。现在市场上绝大多数的泊车传感器都是使用LoRa技术的。3）门禁、烟感、垃圾监测：这类应用传感器都要求轻量级且电池很小，然而需要工作2～3年不更换电池，再加上这类应用的工作距离也有一定的要求，LoRa技术就比较合适。 4）智能穿戴：智能穿戴对功耗要求严格，尤其一些针对户外的远距离应用，采用LoRa技术是最佳的选择。
私有／企业网络 工业控制／生产线监测：一般的客户对于生产控制以及生产数据管理都是非常看重的，多数都会使用私有或企业物联网，而LoRa的灵活部署、超强的抗干扰特性（产线的射频干扰较大）对于智慧工业的应用是非常合适的。 园区、物业管理：大量的住宅小区和商业地产，都对其内部管理以及设施服务进行升级，而且更希望是自己可以掌控的私有网络，当前国内前几名的房地产公司均在其物业采用了LoRa网络的覆盖，对其小区及商业地产进行精细化管理。 上面主要就文章开头提出的三个问题进行了简单的回答，下一篇我们将对无线的调制方式进行剖析。end
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LoRa是啥？
Lora的英文全称是Long Range，取得两个单词的前两个字母组成，从字面意思可以理解到是一种长距离通信技术，其工作在免费的工作频段（即非授权频段），包括433MHz、470MHz、868MHz、915MHz等。使用时不需要申请，在我国实际解决方案中使用最多的频段主要在410MHz-510MHz，按照1MHz间隔一个信道去算，能够支持100多个信道，实际可以缩短信道之间的间隔，扩宽频段来增加信道的数量。 Lora在我们的实际应用中共有两种方式，我把它们分为组网模式和非组网，组网主要以星型网络为主的网关带节点的通信方式，lorawan也是其中一种，后面会专门讲解Lora完的相关知识；非组网模式主要是点对点，也就是单个lora设备和单个Lora设备建立的通信方式。当然还有不同的用法，前面我说的两种用法只是使用场景最多的两种方式。 LoRa因其功耗低、传输距离远、组网灵活等诸多特性与物联网碎片化、低成本、大连接的需求十分的契合，因此被广泛部署在智慧社区、智能家居和楼宇、智能表计、智慧农业、智能物流等多个垂直行业，前景广阔。 LoRa基本技术指标如下：
- 传输距离：城镇可达5km，郊区可达15km。·工作频率：ISM频段包括433MHz、470MHz、868MHz、915MHz等。·标准：IEEE 802.15.4g、LoRaWAN。·调制方式：基于扩频技术，CSS的一个变种，具有前向纠错能力。
- 容量：一个lora网关可以连接成千上万个节点。
- 电池寿命：长达十年。
- 安全：AES128位加密。
- 传输速率：18b/s~62.5kb/s.
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LoRa相比其他无线技术有啥优缺点？
无线通信技术较多，这里我们主要列举几种物联网领域用到较多的无线通信技术来作比较：蓝牙、wifi、NFC、zigbee、UWB。蓝牙 蓝牙（Bluetooth）是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇、个人之间的 短距离数据交换（使用2.4～2.48GHz的ISM波段的UHF无线电波）。蓝牙可连接多个 设备，克服了数据同步的难题。从音频传输、图文传输、视频传输，再到以低功耗为主的物联 网传输，蓝牙应用的场景也越来越广。目前蓝牙的协议经过多年的发展，从我们熟知的蓝牙协议3.0、4.0发展到现在的5.0协议，最新小版本协议应该已经到了5.3协议，蓝牙协议发展到5代后，在低功耗模式下具备更快更远的传输能力，传输速率是上代技术的2倍（速率上限为2Mb/s），有效传输距离是上一代技术的4倍（理论上可达300m），数据包容量更是上一代技术的8倍。同时，为了更好地服务物联网，蓝牙技术发展了一套Mesh网状网络，有别于传统的蓝牙连接的“一对一”配对，Mesh网络能够使设备实现“多对多”的关系。WiFi Wifi是我们目前最常见的一种无线技术，我们常用的手机、pc、智能音箱等设备都支持wifi技术。人们目前所使用的WiFi标准是由最早于1997年发布的802.11b演变而来， 802. 11b的速率仅为2Mb/s， 1999年提出的802. 11g将速率提升至11Mb/s目前最新的802. 11ax（ Wi—Fi 6）理论最大速率为10Gb/s左右。 传统的Wi—Fi使用2.4GHz频段，随着使用2.4GHz频段的设备越来越多，比如上面说到的蓝牙技术就是2.4GHz频率，相互之间干扰增强，因此第五代Wi—Fi技术研制了运行在5GHz以上的高频段。理论上5GHz频段相较2.4GHz速率更高，但两者各有优缺点。2. 4GHz穿墙衰减更少，传播距离更远，但使用设备多，干扰大；5GHz网速更稳定，速率更高，但穿墙等衰减大，覆盖距离小。对于5GHz频率可以做一个试验，使用pc下载文件，会发现靠近路由器很近的时候速率非常快，距离稍微拉远一点就会变慢很多，相对2.4GHz效果会比较明显。NFC NFC (Near-Field Communication,近场通信)是一种短距高频的无线电技术,属于 RFID技术的一种，该技术是我接触最早的一种技术，记得初中时食堂的饭卡就是使用的这种技术，该技术工作频率在13. 56MHz，有效工作距离在20cm以内。其传输速率有 106k/s.212b/s或者424kb/s三种。较近的传输距离帮助我们防止同学盗刷我们的饭卡了。 NFC技术存在很多优点，例如通信保密性好、无功耗、方案的成本较低等，尤其NFC能够通过 简单的碰触瞬间完成连接。在整合至IoT设备中 之后，可以通过物联网系统收集与用户有关的习 惯和使用方式等数据，之后再提供给云端或大数 据服务器做数据分析，提高用户生活质量。就像我们使用的泉城一卡通，既可以使用其乘坐公交车，也可以实现乘坐地铁，所有的数据都会通过刷卡机上传到服务器进行相关的操作，实现数据的同步等功能。NFC技术的缺点也是相当明显，通信距离短，数据传输量小，也限制了近场通信的使用场景，不过随着物联网的发展，NFC会和其它技术进行深入的融合，从而发挥其优势，丰富应用场景。Zigbee Zigbee是我接触的第一种组网通信方式，ZigBee是一种可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915MHz（美国流行）3个频段上的无线连接技术，分别具有最高250kb／s、20kb／s和40kb／s的传输速率，它的传输距离为10～75m，但可以通过Mesh继续增加。zigbee技术发展至今已经发展到了3.0版本，在组网性能上，ZigBee可以构造为星状网络或者点对点对等网络，广泛的应用于智慧医疗、智能家居等领域。UWB UWB是一种超宽带技术，是近年来新兴的一项全新的、与传统通信技术有极大差异的无线通信新技术。它无须使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或微秒级以 下的极窄脉冲来传输数据，从而具有3.1～10.6GHz量级的带宽。通过在较宽的频谱上传 送极低功率的信号，UWB能在10m左右的范围内实现数百兆比特每秒至数吉比特每秒的数据传输速率。 除了高传输速率外，UWB技术还有发射功率较低、穿透能力较强、抗干扰性能强等优点，在室内定位领域可得到较为精确的结果，广泛应用于小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、 地面和身体的雷达和图像系统中。我曾经用uwb技术做过一个定位系统，该系统主要有3个基站和1个标签，标签放置在AGV小车上，同UWB的定位功能可以实现AGV小车在区域内的精确定位，经过多次试验确认其测距的精度最小10cm，且容易受到旁边铁皮的影响，，基站的摆放位置也是影响因素。 上面已经介绍完了5种技术，下面进行了总结，通过列出的参数对比一下第一节中介绍lora可以清晰知道孰优孰劣。 在低功耗、长距离通信的应用场景中，lora技术与其它技术打擂台的话，应该是直接KO.
03
LoRa实际应用场景是啥？
在说我们实际应用场景之前，先抛出一个问题，那就是lora到底能传多远，第一节中说到的都是城镇、地面空旷，那如果是在太空中呢？其实现在有很多家卫星公司吧lora发射到了近地卫星轨道，近地卫星轨道的高度一般为600-1600km，在地面上只要使用lorawan的设备就能接收到lora信号，牛不牛？再回到我们的实际场景，根据lora的特点我们总结出来主要以下3大类场景：
蜂窝信号弱或不可用场景 1）农业和畜牧业中的位置跟踪和动植物健康状况监测：灌溉设备跟踪管理等项目由于此类应用的环境多为农村或偏僻地区，这里的蜂窝网络覆盖比较差，且要介入系统的物联网设备较多，最好的实现方式就是使用LoRa自建网络。2）采矿和石油作业：这个场景所处的地方基本都属于无人区，环境偏僻恶劣，缺少人烟，基本没有移动网络覆盖，尤其是矿井下等一些有安全要求区域的网络覆盖，lora能够很好的满足要求。3）森林火灾监测：森林区域人烟稀少，且部署蜂窝网基站的成本偏高（需要光纤接人），而架设LoRa网络成本很低且覆盖范围广泛，成本低。4）环境监测；环境监测的监测点种类繁多，有的漂浮在江河中，有的在高山悬崖边，许多加方便。区域信号覆盖较差，而且这些环境监测的传感器具有一定的分布特性，使用LoRa网络会更加方便。
功耗、距离要求严格的应用 1）水、气表：水、气表一般的工作寿命都要8～10年，尤其是水表在整个生命周期中是无法更换电池的，这就需要超低的功耗，所以LoRa非常适合这样的应用场景。2）泊车传感器／锁具：泊车系统传感器的电池更换很困难，尤其路内停车的地磁传感器，埋入地下后更换电池成本很高，这就需要有非常好的功耗。现在市场上绝大多数的泊车传感器都是使用LoRa技术的。3）门禁、烟感、垃圾监测：这类应用传感器都要求轻量级且电池很小，然而需要工作2～3年不更换电池，再加上这类应用的工作距离也有一定的要求，LoRa技术就比较合适。 4）智能穿戴：智能穿戴对功耗要求严格，尤其一些针对户外的远距离应用，采用LoRa技术是最佳的选择。
私有／企业网络 工业控制／生产线监测：一般的客户对于生产控制以及生产数据管理都是非常看重的，多数都会使用私有或企业物联网，而LoRa的灵活部署、超强的抗干扰特性（产线的射频干扰较大）对于智慧工业的应用是非常合适的。 园区、物业管理：大量的住宅小区和商业地产，都对其内部管理以及设施服务进行升级，而且更希望是自己可以掌控的私有网络，当前国内前几名的房地产公司均在其物业采用了LoRa网络的覆盖，对其小区及商业地产进行精细化管理。 上面主要就文章开头提出的三个问题进行了简单的回答，下一篇我们将对无线的调制方式进行剖析。end
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