物聯(lián)網系統(tǒng)中的低功耗廣覆蓋物聯(lián)網無線通訊方案_lora模組

物聯(lián)網系統(tǒng)中為什么要使用LORA模塊

物聯(lián)網系統(tǒng)中使用LoRa模塊的原因主要有以下幾點：

LoRa模塊的技術優(yōu)勢

遠距離通信：LoRa模塊通過LoRa技術實現(xiàn)無線通信，LoRa技術具有超鏈接預算，能顯著提高接收機的靈敏度，因此即使在較低的發(fā)射功率下也能實現(xiàn)較遠的通信距離。這對于物聯(lián)網系統(tǒng)中廣泛分布的設備間通信尤為重要。

低功耗：LoRa模塊設計為低功耗，適用于那些需要長時間運行但又不能頻繁更換電池的設備。低功耗特性有助于延長設備的續(xù)航時間，降低維護成本。

低數(shù)據(jù)速率：雖然LoRa的傳輸效率略有犧牲，但其低數(shù)據(jù)速率特性適用于物聯(lián)網中大量不需要高傳輸速率的數(shù)據(jù)傳輸場景。這種特性使得LoRa模塊在物聯(lián)網應用中更加經濟高效。

LoRa模塊在物聯(lián)網系統(tǒng)中的應用場景

智能城市：在智能城市領域，LoRa模塊可用于智能抄表、環(huán)境監(jiān)測、智能停車等場景。通過LoRa網絡，城市管理者可以實時獲取各類設備的狀態(tài)信息，從而實現(xiàn)對城市的智能化管理和控制。

農業(yè)物聯(lián)網：在農業(yè)領域，LoRa模塊可用于土壤濕度監(jiān)測、作物生長監(jiān)測等場景。通過遠距離、低功耗的通信方式，農民可以方便地獲取農田的實時數(shù)據(jù)，從而進行科學的農業(yè)生產管理。

工業(yè)物聯(lián)網：在工業(yè)領域，LoRa模塊可用于工廠自動化、設備監(jiān)控等場景。通過LoRa網絡，企業(yè)可以實現(xiàn)對生產設備的遠程監(jiān)控和管理，提高生產效率和安全性。

通信距離，數(shù)量與場景關系

遠距離大數(shù)量：

密集建筑環(huán)境要覆蓋多棟，或空曠環(huán)境下千米級的情況屬于遠距離，一個網關下屬節(jié)點超過200屬于大數(shù)量，如能耗集抄，智慧農業(yè)，調光路燈。這種條件下應盡量采用輪詢的方式，碼分多址和頻分多址的方式來避免相互干擾，這是對信道利用率最高的方式，但實時性不高。

近距離大數(shù)量：

可視見或在普通建筑內同一層屬于近距離，Semtech 針對室內應用場景也在 sx126x 中新增了擴頻因子5和6，具有較高的通信速率，通信速率較高的話，監(jiān)聽避讓和 RTS-CTS 機制也較為有效，數(shù)量大的情況結合合理的組網策略也可以滿足應用要求。

遠距離小數(shù)量：

一般有些工業(yè)場景如油田，電站會有這種場景，數(shù)據(jù)量不大，但是很分散，這種場景一般不考慮產品美觀小巧，選用高增益天線，調整饋線阻抗匹配，高擴頻因子低編碼率來適應場景。

LoRa模塊與其他通信技術的比較

與其他無線通信技術相比，LoRa模塊在物聯(lián)網系統(tǒng)中具有獨特的優(yōu)勢。例如，與藍牙和WiFi相比，LoRa模塊具有更遠的通信距離和更低的功耗；與ZigBee相比，LoRa模塊在傳輸距離和穿透能力上更具優(yōu)勢。因此，在物聯(lián)網系統(tǒng)中選擇LoRa模塊可以更好地滿足長距離、低功耗的通信需求。

綜上所述，物聯(lián)網系統(tǒng)中使用LoRa模塊是因為其具備遠距離通信、低功耗和低數(shù)據(jù)速率等技術優(yōu)勢，適用于各種物聯(lián)網應用場景。通過LoRa模塊的應用，物聯(lián)網系統(tǒng)可以更加高效地實現(xiàn)設備間的互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)傳輸。

本文會再為大家詳解無線通信器件家族中的一員——LORA模塊

1、LoRa簡介

LoRa是semtech公司開發(fā)的一種低功耗局域網無線標準，其名稱“LoRa”是遠距離無線電（Long Range Radio），它最大特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠，實現(xiàn)了低功耗和遠距離的統(tǒng)一，在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無線通信射頻通信距離擴大 3-5 倍。

2、 LoRa 與其它無線技術對比

組網方式	基于 LoRa 網關	基于蜂窩網	基于 Zigbee 網關	基于無線路由器	基于 Mesh 網關
部署方式	節(jié)點 + 網關	節(jié)點	節(jié)點 + 網關	節(jié)點 + 路由器	節(jié)點
傳輸距離	遠距離 城鎮(zhèn)：2-5KM 郊區(qū): up to 15KM	遠距離 一般 10KM 以上	短距離 10-100M	短距離| 50M	短距離 10-100M
單網節(jié)點容量	約 6 萬，實際受網關信道數(shù)量，節(jié)點發(fā)包頻率，數(shù)據(jù)包大小約束，一般有 5000左右節(jié)點	約 20 萬	理論 6 萬，受實際網絡限制，一般 200-500個	約 50個	理論 6 萬個，一般有 2000 個左右
電池續(xù)航	理論約 10 年/AA電池	理論約 10 年/AA電池	理論約 2 年/AA電池	數(shù)小時	理論約 2 年/AA電池
成本	模塊約 5$	模塊約 5-10$	模塊約 1-2$	模塊約 7-8$	模塊約 <1$
傳輸速度	0.3-50kbps	理論 160k-250kbps,一般小于 100kbps	理論 250kbps,一般小于 100kbps	2.4G: 1-11M 5G: 1-500M	1M-2M
網絡延時	依賴于頻率，擴頻因子，編碼率等	6-10s	<1s	<1s	<1s
適合領域	LPWAN 智慧路燈 智慧建筑 智慧農業(yè) …	LPWAN 智慧城市 智能抄表 …	智能家居 小范圍傳感器 室內覆蓋	常用于室內場景	智能家居 智慧樓宇 室內覆蓋

3、 LoRa 的優(yōu)勢和劣勢

優(yōu)勢：

通訊距離遠，+22dBm 功率放大器和超過-148dBm 的高靈敏度使得 LoRa 可以在復雜的環(huán)境中通信。

150–960MHz 的頻率范圍加上 5到 12 的擴頻因子可以相互組合成互不干擾的多信道通信。

低功耗，小于 120mA 的發(fā)射電流和小于 10mA 的接收電流可以保證同樣電池下待機更久。

劣勢：

在高擴頻因子下發(fā)射速率慢，例如擴頻因子 11 帶寬 250k 發(fā)射 100 字節(jié)大約需要 1 秒。

在高擴頻因子下由于發(fā)射速率慢，所以發(fā)射時間長，耗能更多；占用信道時間長，增加沖突的可能性。

LoRa 幀結構

LoRa 幀分為兩種，分別為固定長度和可變長度。區(qū)別在于固定長度的幀則不存在 Header 域。

4、LoRa 常用公式

符號速率 (發(fā)送信號為恒包絡信號，每赫茲每秒發(fā)送一個碼片)

Rs = BW / (2^SF) Rs：符號速率； BW：帶寬；SF：擴頻因子

傳輸時間

ToA = ( (2^SF) / BW ) * Nsymbol SF：擴頻因子；BW：帶寬；ToA：空中傳輸時間，單位為毫秒；Nsymbol：符號數(shù)

不同的調制參數(shù)，符號數(shù)計算的方式也不同。

5、LoRa 帶寬

增加信號帶寬可以使用更高的數(shù)據(jù)速率，因此會減少傳輸時間，代價是降低了接收靈敏度。LoRa 調制解調器工作在中心頻率的一個可編程的帶寬中。

LoRa 帶寬支持以下設置：

6、LoRa 收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖區(qū) (雙向 FIFO)

LoRa 內部的收發(fā)緩沖區(qū)大小為 256 字節(jié)，如果設備工作在半雙工模式下，則可以收發(fā)獨占 256 字節(jié)；如果工作在全雙工模式，則收發(fā)共享 256 字節(jié)(一般做法是各自占 128 字節(jié))。

7、SPI 時序圖 (LoRa 端為 Slave, SPI_Mode=0x00)

8、注意事項

8.1活動信道檢測 (CAD)

CAD 模式下接收機周期性檢測信道中的前導碼，如果發(fā)現(xiàn)前導碼則喚醒進入接收模式，CAD 的周期應短于前導碼發(fā)射時長，發(fā)送者前導碼發(fā)送的越短接收機越要頻繁的檢測，要想降低檢測頻率則需要發(fā)送很長的前導碼，需要根據(jù)應用場景權衡。

8.2組網

LoRa 一般為星型網絡連接，為了增加網絡容量和改善通信質量，一般會吧一個網關下屬的節(jié)點分配為多個頻率或多個擴頻因子，sx126x 和 sx127x 同一時間只能監(jiān)測一個信道，有網關專用芯片 sx1301，可以同時監(jiān)控 8 個頻率下的 6 個擴頻因子，相當于同時監(jiān)控 48 個信道，但是價格昂貴。在智能家居場景下網關可以采用兩個 sx126x 來替代，通過將數(shù)據(jù)幀根據(jù)上下行，根據(jù)功能和重要程度區(qū)分為多個信道，結合 RTS (request to send) -CTS (Clear to send) 機制可以避免擁塞，具體策略可以根據(jù)需求再詳細定。

網關信道

網關信道選擇配置文件，基準頻率是471.4MHz，下面8個分別是頻率的偏移量，可以知道網關能同時監(jiān)聽8個不同的信道。

網關負載

一般情況下，LoRa物聯(lián)網絡采用的是LoRaWAN協(xié)議，從而其組網方式一般采用的是協(xié)議中的星形拓撲網絡，星形拓撲網絡示意圖如圖所示。

星形拓撲結構

從上圖中可以看出，該組網方式屬于單跳網絡，傳感器終端與網關直接通信，再由網關將數(shù)據(jù)透傳至服務器。在這個網絡架構中，LoRa網關是一個透明傳輸?shù)闹欣^，連接終端設備和后端中央服務器。終端設備采用單跳與一個或多個網關通信，所有的節(jié)點與網關之間均是雙向通信。

星型拓撲結構的優(yōu)點是:網絡結構簡單,組網容易,方便管理與控制,網絡延遲短,傳輸誤碼率低.。星型拓撲結構的主要缺點是：由于采用中央節(jié)點集中控制，因而資源共享能力差，而且一旦中央節(jié)點出現(xiàn)問題,將導致整個網絡癱瘓。然而，在地質災害監(jiān)測應用領域，或是監(jiān)測范圍覆蓋廣泛，或是安裝環(huán)境復雜危險、或是兩者兼具，因此一旦出現(xiàn)網絡癱瘓，常常需要耗費大量的人力物力進行設備的維護，這就在相當程度上增加了監(jiān)測成本、也降低了監(jiān)測效果的持續(xù)性與穩(wěn)定性。

因為星形組網里網關是最重要的一環(huán)，如果網關超負荷，那么整個網絡系統(tǒng)將癱瘓，所以要重點關注網關的負載量，也就是單網關能容納的節(jié)點數(shù)量。

論值

假設單個網關每天最多可以接收a個數(shù)據(jù)包，每個節(jié)點的應用發(fā)包頻率是每小時b個數(shù)據(jù)包的話，那么，單個網關最多可以容納的節(jié)點的數(shù)目的理論值的計算式如下：

S=a/(24*b)。

比如，單個LoRaWAN網關如果搭載一個SX1301芯片的話，其每天最多可以接收150萬個數(shù)據(jù)包，如果應用發(fā)包頻率是每小時1包的話，那么理論上該LoRaWAN網關可以接入的節(jié)點的數(shù)目 S = 1500000/(24*1) = 62500個。

實際值

單個網關可以容納的節(jié)點的數(shù)目的實際值比理論值的計算要復雜的多。對于確定的某個網關來說，其每天最多可以接收的數(shù)據(jù)包也是確定的，難就難在每個節(jié)點到底每天發(fā)多少個包。

在同一個應用場景下，我們每天需要該節(jié)點發(fā)送的總的數(shù)據(jù)長度是確定的，但是，確定長度的數(shù)據(jù)到底要以怎樣的封包長度、發(fā)送速率來發(fā)送，就不確定了。封包長度如果不同，勢必需要發(fā)送的包的數(shù)量也就不同。

比如，在不同的信號強度下，所用到的擴頻因子SF也不同，那么，能發(fā)送的數(shù)據(jù)的長度也就不同，每次能發(fā)送的數(shù)據(jù)的長度不同就會導致需要分成的包的數(shù)量也不相同，從而導致即使使用同樣的網關、同樣的節(jié)點，但在節(jié)點的不同業(yè)務模式下，也會出現(xiàn)單個網關容納節(jié)點的最大數(shù)目并不相同的情況。

對于有8個信道的網關來說，在沒有LBT(發(fā)包前監(jiān)聽信道)的前提下，具體的計算公式為：

信道容量（即節(jié)點數(shù)量）S=8T/2et0

其中，8代表8個信道，T代表發(fā)送間隔，跟封包長度、速率有關系，1/2e 是基本Aloha算法最大吞吐量，e是常數(shù)，等于2.718，t0代表單包的ToA（Time on Air）。

在10字節(jié)負載的前提下，速率與ToA的關系如下表所示。

舉一個例子，假如使用SX1301芯片，在沒有LBT(發(fā)包前監(jiān)聽信道)的情況下，并且平均每個包空中飛行時間t0=100ms（因此t0=0.1s），平均每個包一分鐘發(fā)一次（因此T=60s），那么可以容納多少這樣的平均節(jié)點呢？S=8*60/(2*2.718*0.1)=883 ，因此，可以容納883個節(jié)點。

而且，采用不同算法，也會導致最大吞吐量的變化，從而引起理論容量的變化。

比如，如果前提條件修改成每個節(jié)點都帶有LBT功能，采用時隙Aloha算法而不是之前的基本Aloha算法來評估，則由于算法不同，導致最大吞吐量不同，此時最大吞吐量是1/e，因此信道容量（即節(jié)點數(shù)量）S=8T/et0 ，從而 ，則理論容量增加一倍，即883*2=1766個節(jié)點。

LoRa模塊信道

由以上網關設置可以知道，與網關通訊需要和網關處于同一頻段，本節(jié)點通過配置可使用全頻段，但為了與網關匹配，將幾點信道設置為CN470中國頻段的信道1（470.5MHz）。需要將模塊設置為跳頻模式，即終端聯(lián)網模式，然后再配置接收及發(fā)送頻率符合網關的信道范圍，如圖，將LoRa模塊信道配置為470.5MHz。

首先使用中國地區(qū)頻段CN470：

其次固定通訊頻率為信道1：

節(jié)點入網

設備為了與服務器通訊并加入LoRaWAN網絡，需要將設備獨一無二的注冊信息填入服務器，用于服務器對節(jié)點進行判認，使被允許的設備入網，這個過程就叫節(jié)點入網或者說時設備激活。通常有兩種激活設備的方式。一種是OTAA (Over-The-Air Activation) 激活方式也叫空中激活方式，是在部署設備或者重置設備時使用的激活方式。另一種是ABP入網方式 (Activation By Personalization)也叫作獨立激活方式，這種入網方式的特點是設備的初始化和激活是一并完成的。

在激活之后，終端設備會將DevAddr（節(jié)點地址），AppEUI（應用程序ID），NwkSKey (網絡安全密碼)，AppSKey (應用安全密碼)存儲在自己的運行空間內。

9、Lora模塊介紹

LoRa模塊為基于LPWAN的遠距離無線通信模塊，支持LORAWAN標準協(xié)議，串口數(shù)據(jù)透傳雙向通訊，主要應用在智能抄表、智慧路燈、智慧農業(yè)、智能停車、智能安防等領域。LoRa技術具有遠距離、低功耗、多節(jié)點、低成本的特性基于LoRaWAN的網絡能夠提供安全的數(shù)據(jù)傳輸距離遠的雙向通信，并且用最少的網絡基礎設施覆蓋城市區(qū)域，LoRa技術在智慧農業(yè)、智慧建筑、智慧物流等多種應用場景中都將得到廣泛應用。

9.1 LoRa所擁有頻段

915 MHz：在美國，有功率限制，沒有占空比限制；

868 MHz：在歐洲；

433 MHz：在亞洲。中國目前LoRa組網頻段:470-510MHz。

9.2模塊分類

以華普為Lora模塊為例，Lora模塊分為：Lora SPI模塊，Lora 透傳模塊，Lorawan模塊

9.3模塊選型

我們可以從以下五種方面對LoRa模塊進行考量。

9.4終端LoRa應用方案

LoRa數(shù)據(jù)傳輸是無線核輻射監(jiān)測系統(tǒng)的第二個環(huán)節(jié)，選定合適的探測設備后，將探測設備與終端連接，將前端探測設備測量的數(shù)據(jù)傳輸至終端中，當需要更新數(shù)據(jù)時，網關發(fā)送Beacon信號，Lora模塊和終端繼而被喚醒，有一段Ping slot接收窗口接收到來自服務器的信息，接收到信息后，節(jié)點被喚醒，繼而發(fā)送數(shù)據(jù)至網關和服務器

設備喚醒

當服務器需要更新數(shù)據(jù)時，向網關發(fā)送信號，網關再向LoRa模塊發(fā)送喚醒信號，繼而通過MCU喚醒終端設備。具體終端通訊連接圖和空中喚醒流程圖如圖。

喚醒流程圖

數(shù)據(jù)發(fā)送

LoRa數(shù)據(jù)傳輸是無線核輻射監(jiān)測系統(tǒng)的第二個環(huán)節(jié)，選定合適的探測設備后，將探測設備與終端連接，將前端探測設備測量的數(shù)據(jù)傳輸至終端中，當需要更新數(shù)據(jù)時，網關發(fā)送Beacon信號，Lora模塊和終端繼而被喚醒，有一段Ping slot接收窗口接收到來自服務器的信息，接收到信息后，節(jié)點被喚醒，繼而發(fā)送數(shù)據(jù)至網關和服務器。

終端硬件組網

10、縮寫

縮寫 全稱 含義

ACR Adjacent Channel Rejection 鄰道擬制

β Modulation Index 調制指數(shù)

BER Bit Error Rate 誤碼率

BR Bit Rate 比特率

BT Bandwidth-Time bit period product -

BW BandWidth 帶寬

CAD Channel Activitiy Detection 信道活動檢測

CPOL Clock Polarity 時鐘極性

CPHA Clock Phase 時鐘相位

CR Coding Rate 編碼率

CW Continuous Wave 連續(xù)波

POR Power On Reset 上電復位

DIO Digital Input / Output 數(shù)字 IO

DSB Double Side Band 雙邊帶

FEC Forward Error Correction 前向糾錯

FSK Frequency Shift Keying 頻移鍵控

GFSK Gaussian Frequency Shift Keying 高斯頻移鍵控

GMSK Gaussian Minimum Shift Keying 高斯最小移位鍵控

IF Intermediate Frequencies 中頻

DC-DC Direct Current to Direct Current converter 直流-直流電壓轉換

LDO Low-Dropout 低壓差線穩(wěn)壓器

LDRO Low Data Rate Optimization 低數(shù)據(jù)速率優(yōu)化

LFSR Linear-Feedback Shift Register 線性移位寄存器

LNA Low-Noise Amplifier 低噪放

LO Local Oscillator 本地震蕩器

NRZ Non-Return-to-Zero 不歸零編碼

OCP Over Current Protection 過流保護

PA Power Amplifier 功放

PER Packet Error Rate 包錯誤率

RFO Radio Frequency Output 射頻輸出

SF Spreading Factor 擴頻因子

SNR Signal to Noise Ratio 信噪比

TCXO Temperature-Compensated Crystal Oscillator 溫度補償晶體振蕩器

XOSC Crystal Oscillator 晶體振蕩器

RSSI Received Signal Strength Indicator 接收信號強度指示器

ADR Adaptive Data Rate 自適應數(shù)據(jù)速率

AFA Adaptive Frequency Agility -

LBT Listen Before Talk 對講前監(jiān)聽

SSL Secure Socket Layer 安全套接字層

供應商A：華普微

https://www.hoperf.cn/

1、產品能力

（1）選型手冊

https://www.hoperf.cn/Home/Product/moreProduct/from_id/237.html

（2）主推型號1：RFM68LC

對應的產品詳情介紹

RFM68LC 是一款基于 Semtech LLCC68 收發(fā)器芯片開發(fā)的超低功耗、高性能、適用于各種 150MHz 至 960MHz 長距離無線應用的 LoRa 收發(fā)模塊。RFM68LC 的高度集成化，可以簡化系統(tǒng)設計中所需的外圍 器件，高達+22dBm 的發(fā)射功率以及-129dBm 的接收靈敏度可以極大地優(yōu)化無線應用的鏈路性能。RFM68LC 在-129dBm 接收靈敏度的工作條 件下，電流損耗僅為 8.8mA，如果工作在超低功耗接收模式下，還可 以進一步降低電流損耗。RFM68LC 還支持 Duty-Cycle 運行模式，信道偵聽，高精度 RSSI，上電復位等功能，使得客戶的應用設計更加 靈活，更容易實現(xiàn)產品的差異化。

LoRa收發(fā)模塊RFM68LC應用范圍

自動抄表、家居安防及樓宇自動化、ISM 波段數(shù)據(jù)通訊、工業(yè)監(jiān)控及控制、安防系統(tǒng)、遙控應用、智能儀表、供應鏈與物流、智能農業(yè)、智慧城市、零售業(yè)、資產跟蹤、智慧路燈、智能停車、環(huán)境監(jiān)測、健康監(jiān)測

硬件參考設計

研發(fā)設計注意使用事項

1、LORA板載天線與主板鋪銅間距需要保持3mm以上，π型電路走線線寬需要保持一致

2、a為保證天線性能，調試射頻電路，做50歐姆阻抗匹配，測試天線輻射功率。詳見：AE23080260測試方案 LORA PCB天線測試方案庫沉淀項目

3、LORA模塊接口電平為3.3V, 如主控接口電平為3.3V，可以直接連接無需電平轉換，例如：芯海GS32L010, 否則需要增加電平轉換電路,如AM430EV5,IO接口電平為1.8v,需增加電平轉換電路。

核心料（哪些項目在用）

奇跡物聯(lián)測溫終端項目、奇跡物聯(lián)壓力檢測終端項目、奇跡物聯(lián)Lora開源網關項目

2、支撐

（1）技術產品

技術資料

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