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          LoRaWAN的技術原理和在水電氣中的應用

          日期:2020-12-04 14:11:47 點擊:

            隨著物聯網的逐步發展,許多物聯網應用數據封包小、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之傳輸訊號到達不易,針對上述應用,發展出具備長距離低功耗的通訊技術,統稱為低功耗廣域網技術(Low Power Wide Area Network, LPWAN)。LPWAN由于具有低功耗、長距離超大連接的優勢,因此適用于需要廣范圍布建且傳輸數據量小的應用領域,這一特點非常符合智能電能表的信息采集的應用需求。LPWAN依使用頻段可分為授權頻段與非授頻段權兩大陣營,非授權頻段LPWAN技術發展較早,主要技術為 LoRaWAN。

            一、LoRaWAN簡介

            LoRaWAN是為LoRa遠距離通信網絡設計的一套通訊協議和系統架構。它定義了數據在LoRaWAN網絡里是怎樣傳輸的(這里的網絡指的是節點、網關和服務器),定義了消息的類型,數據幀結構和安全加密方法;并且介紹了入網的具體操作,說明了主從機之間的區別。

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            LoRaWAN在協議和網絡架構的設計上,充分考慮了節點功耗,網絡容量,安全性和網絡應用多樣性等幾個因素。

            二、LoRaWAN 網絡架構

            如下是LoRa的網絡架構圖:

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            一個LoRaWAN網絡架構中包含了終端、基站、NS(網絡服務器)、應用服務器這四個部分。基站和終端之間采用星型和蜂窩網絡拓撲,由于LoRa的長距離特性,它們之間得以使用單跳傳輸。終端節點可以同時發給多個基站?;緞t對NS和終端之間的LoRaWAN協議數據做轉發處理,將LoRaWAN數據分別承載在了LoRa射頻傳輸和TCP/IP上。

            三、LoRaWAN協議概述

            1、終端節點的分類

            在技術規格方面,LoRaWAN傳輸速率約在30bit/s-50kbit/s之間,傳輸距離在市區約2=5公里,郊區較長可達15公里,支持雙向傳輸,傳輸方式依據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送要求時才會進行傳輸,功耗較低,應用在水表和氣表中;Class C為持續傳輸數據,傳輸延遲時間較短,在電表中一般使用Class C。

            2、終端節點的上下行傳輸

            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。

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            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。

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            3、終端節點的加網

            終端入網有兩種加網方式: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網絡一般都是走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。

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            DevEUI 是一個類似IEEE EUI64的全球唯一ID,標識唯一的終端設備。相當于是設備的MAC地址。

            AppEUI 是一個類似IEEE EUI64的全球唯一ID,標識唯一的應用提供者。。

            AppKey 是由應用程序擁有者分配給終端。

           

            終端在發起加網join流程后,發出加網命令,NS(網絡服務器)確認無誤后會給終端做加網回復,分配網絡地址 DevAddr(32位ID),雙方利用加網回復中的相關信息以及AppKey,產生會話密鑰NwkSKey和AppSKey,用來對數據進行加密和校驗。

            如果是采用第二種加網方式,即ABP激活,直接配置 DevAddr,NwkSKey,AppSKey 這三個LoRaWAN較終通訊的參數,不再需要join流程。在這種情況下,這個設備是可以直接發應用數據的。

            4、數據收發

            入網之后,應用數據就被加密處理了。

            LoRaWAN規定數據幀類型有 Confirmed 或者 Unconfirmed 兩種,即 需要應答 和不需要應答類型。廠商可以根據應用需要選擇合適的類型。

            另外,從介紹中可以看到,LoRaWAN設計之初的一大考慮就是要支持應用多樣性。除了利用 AppEUI 來劃分應用外,在傳輸時也可以利用 FPort 應用端口來對數據分別處理。FPort 的取值范圍是(1~223),由應用層來指定。

            5、ADR 機制

            LoRa調制中有擴頻因子,不同的擴頻因子會有不同的傳輸距離和傳輸速率,且對數據傳輸互不影響。

            為了擴大LoRaWAN網絡容量,在協議上了設計一個LoRa速率自適應(Adaptive data rate - ADR)機制,不同傳輸距離的設備會根據傳輸狀況,盡可能使用較快的數據速率。這樣也使得整體的數據傳輸更有效率。

            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:得益于擴頻調制和前向糾錯碼的增益,LoRa取得大約2倍蜂窩技術的通信距離。

            大容量:物聯網的節點特別多,一個LoRaWAN網絡能輕松連接上萬節點。

            輕松擴容:當一個LoRaWAN網絡需要增加容量時,通過增加網關即可。

            安全:LoRaWAN是雙重加密的物聯網。適合在水電氣表的信息采用應用中。

            五、網關和模組的技術指標

            1、網關

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            2、Lorawan模組

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            六、實測數據

            1、拉距測試

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            在距測試天線直線距離3.7KM處,信號強度-94,信噪比 -6.0 ,內置天線和外置天線數據包正常。

            2、樓宇內穿透測試:網關安裝在黃金口濱江花園1期4棟15樓表井內

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            上表數據中,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以上可以實現雙向可靠通信,因此把網關放在15樓,就可以實現對整棟32層樓的信號覆蓋。

            3、數據上傳成功率測試

            測試條件:120只電表,一個網關(8通道半雙工)

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            從以上測試數據可以看出,120只表在3分鐘以內可以完成數據的上傳,平均成功率在99%以上。

            結論:

            1、市內采用內置天線可以保證2-3km內正常通信,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通道半雙工網關帶120臺表,3分鐘內完成數據可靠傳輸,再16通道半雙工網關可以實現大于200臺電表數據可靠傳輸。

            LoRaWAN技術能夠有效實現水電氣表信息的采集。

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          針對這個我們推出了系列LoRaWAN產品:

           

          序號 名稱 型號 產品圖片
          1 單相通信模塊 RDK-LoRaWAN型DWA RDK-LoRaWAN型DWA 單相通信模塊 .jpg
          2 三相通信模塊 RDK- LoRaWAN型SWA RDK-LoRaWAN型SWA 三相通信模塊.jpg
          3 單相電子式電能表 DDS155型BR DDS155型BR(LoRaWAN)  單相電子式電能表.jpg
          4 三相電子式電能表 DTS150型FBR DTS150型FBR(LoRaWAN) 三相電子式電能表.jpg
          5 單相負載識別智能表(一進三出) DDZY150-M型M3/R DDZY150型M3單相負載識別智能電能表 (一進三出雙計量).jpg
          6 單相智能表 DDZY150-M型R DDZY150-M型R(LoRaWAN)單相智能表.jpg
          7 三相智能表 DTZY150-M型R DABUIABACGAAg4O6n-gUo8LeBhAEwoAY42AQTZY150-Z型R(LoRaWAN)三相智能表.jpg
          8 單相智能電能監測儀(2P導軌) DDS155型G2BR DDS155型G2R(LoRaWAN) 單相電子式電能表-2P導軌.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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