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走近LoRa之四:LoRa行业主流组网技术之七十二变

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lanvee|  楼主 | 2018-4-3 10:22 | 显示全部楼层 |阅读模式
走近LoRa之四:LoRa行业主流组网技术之七十二变
开放性促进LoRa组网技术多样化
目前水表、气表、热表,电测仪表与控制行业,包含智能传感器网络均有相对成熟的RF组网方案,而且运行数年已形成了一套行之有效的私有RF组网协议,比如1:N点对多点,Mesh技术。实际工况中,当前RF技术仍然存在部分盲点区域,现场用户对提高穿透能力一直有所期待。
源于军事和空间通信领域的LoRa技术基于线性调频扩频调制,它保持了像FSK调制相同的低功耗特性,但明显地增加了通信距离。得益于LoRa技术优势,用户只需将LoRa的长距离、远程唤醒,硬件跳频技术与私有RF组网协议整合,即可完成通信方案的创新,并迅速投入市场。
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虽然目前市面比较容易购买到的LoRa Modem终端芯片只有Semtech的SX1278/1276,但是其芯片开发资料比较容易获取,参考资料丰富,因此不少公司将原有私有RF组网协议与LoRa物理层无线技术相互融合,构成不少性价比高,而且实用性强的LoRa组网方案。本期我们就聊聊如何七十二变玩转LoRa组网技术。
一、LoRa本地组网技术
1.1 概念篇:LoRa无协议通信模式
● LoRaRadio空中“铜缆”模式
顾名思义就是无线电Radio物理层互通,彻底透明数据的收发。用户只需要将①通信频率Freq,②带宽BW,③扩频因子SF填写正确就能通信,完全没有协议开销,数据透明在空中传输,因此可以简单认为LoRaRadio模式可以替换铜缆
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策略:数据包没有寻址概念,1个模块发送,全部模块收到,与RS-485铜缆通信行为一致。优点是简单高效,即插即用,缺点是没有协议地址,而无线频道完全开放,正常数据很容易被干扰数据混淆,用户在自己的协议层做一定的处理。
1.2 进阶篇:LoRaPMAC™私有组网协议
LoRaWAN是LoRa Alliance联盟为LoRa远距离通信网络设计的一套组网通信协议和网络架构,整体方案需要基础设备:LoRa网关(SX1301基带处理器)和LoRa核心网服务器。
这对于一些现场节点数量少(10-30个),而且没有再次深耕的应用场合,LoRaWAN骨干基础设备会让单位终端节点摊分成本过高。
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LoRa私有组网协议就是在这个背景下诞生的,只需要解决用户现场设备之间的串口通信互联,并发挥出LoRa长距离的通信特性即可。因此从单位终端节点收益率的角度判断,节点数量比较有限的用户会选择LoRaPMAC™私有通信协议(P=Private),从组网方式可以分为:P2P点对点直连,Star点对多点星型网,从数据分发的方式可以分为:单播、组播、广播。
● LoRaPMAC™ 1:1模式——让串口设备丢掉小尾巴
1、无线对发:这个方式用户一般让LoRa模块相互预置对方地址,模块UART开启透传模式,意味着两个模块相互固定对发数据,也称无线串口,对于两个楼栋间交换数据非常方便;
2、指定数传:也称Star点对多点轮询模式,请参考后面1:N模式;
3、跳频通信:伪随机跳频是LoRa硬件特性的一部分,可以将一个数据包拆分为N份在不同频道发送出去,以解决瞬间干扰的问题,这个在蓝牙通信中已经广泛使用,而且在音频领域表现稳定。
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策略:数据包具有绝对地址概念,发送端指定目标地址,接收端会进行地址识别,确保仅接收自己的数据。P2P点对点模式尤其适合真正意义的跳频通信,对于工业远程I/O是一个很重要的功能。
● LoRaPMAC™ 1:N模式——经典主从网络实现
典型的一主多从模式,类似RS-485 Modbus,一台主机对多个无线地址进行寻址,集采数据,每个从机都回复给同一台主机。
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策略:本质上还是单播,单播的点对点轮询通信组网也称为Start星型网络。相对Radio层做无线RS-485通信应用来说,不存在数据混淆的问题。
● LoRaPMAC™广播/组播——智能灯光系统好帮手
因为LoRa的覆盖半径增加3-5倍,并不需要像ZigBee一样需要做中继,网络开销最小,而且可靠性相对Mesh技术明显提高,所以LoRa的广播/组播模式显得非常有意义,对灯光控制系统帮助很大。
广播:1个节点发送数据全部节点都会接收到,如果应用于灯光控制时,节点很容易实现同时动作;
组播:组播是在广播的基础上对部分节点统一发送数据的方式。
LoRaPMAC™组播特色应用——智能灯光管理
LoRa模块同时拥有2个组播地址:0x2000(整栋),以及0x3001(第一层),这种情况下应用于图书馆公共灯光系统是非常方便的。
发送OFF指令到0x2000(整栋)组播地址,可以让整栋楼灯光全部OFF,当然也可以发送OFF指令给0x3001(第一层)组播地址,仅让第一层楼灯光OFF,以此类推,单独关闭每一层楼,以及整栋都是很方便的。
LoRaPMAC™组播特色应用——OTA批量升级
另外一个经典应用就是LoRa OTA批量升级(单向传输),这样可以让这个网络全部升级,也可以让局部网络多个节点升级,对于以后网络节点固件维护极为重要,这也是LoRa无中继网络组网的一个重要的优势。
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策略:发出的数据可以作用于不同范围的多个节点,而且每个节点可以配置接收多个组播数据。
1.3 高级篇:具有行业特性的LoRa私有组网协议
● LoRaTDMA——超低功耗仪表完美解决方案
LoRaTDMA组网协议特别适用于水表、气表的采集场合,由于采用的LoRa Beacon同步技术,终端节点和基站定期同步时钟,节点入网时申请一个专属自己的时间槽,交换数据时候才被RTC唤醒。因此完全不存在数据冲撞的问题,意味着可以进一步降低功耗,这对于低功耗仪表数量大,而且需要电池工作寿命有极致表现的场合。
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● LoRaMESH——智能路灯系统的福音
LoRaMESH比较适合城市道路路灯、隧道灯的应用,终端设备地理分布具有狭长,通信数据少,而且以广播和组播通信为主的特点。工程灯光设备一般处于比较高的安装位置,遮挡少,所以LoRa节点一般可以传递至少R=2-5km,以Mesh两跳为例,可以覆盖半径达到R=6-15km,预估可以满足大型城市的主要干道需求。
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二、LoRa远程组网技术
● LoRaPMAC+GPRS/4G
如果智能终端设备只能在局域网运行,会形成数据孤岛,设备的数据价值不容易体现出来,而且缺乏交互和体验感。
对于需要成本优先的场景,可以选择LoRaPMAC+GPRS模块,比如Neoway N10四频GPRS模块,结合OpenCPU开发模式可以方便对接IoT设备接入云,为业务云提供数据。
对于需要响应实时的场景,可以选择LoRaPMAC+4G模块,比如Neoway N71 4G模块,结合双SIM卡(接入双运营商网络)高可靠性设计,可以为LoRa局域网络提供实时,稳定可靠的互联网接口。若需要节约网关处理器成本,那么可以考虑使用N720模块,通过OpenLinux开发模式节约一个ARM9的套料成本。
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细心的读者会发现IoT物联网已经形成两大无线格局:无线本地专网(LoRa与其他RF),以及无线公众网(LTE体系),两者结合形成一套兼顾性价比和功耗解决方案。
LoRa体系的开放性带来丰富的组网方式,以适应本地的特殊需求,而LTE体系的封闭性带来更好的安全性,以及兼容性。因此IoT应用需要注意识别场景需求,有机结合专网和公众网的特点,解决终端用户的真正需求。
参考资料
1、GPRS模块 / N10
▲工作频率:四频:850/900/1800/1900 MHz
▲多种协议栈: TCP/UDP/FTP/HTTP/HTTPS/DNS/MQTT/SSL
▲TCP协议栈支持客户端模式、服务器模式、混合模式,支持多路链接
▲支持OpenCPU开发模式
▲CCC、CTA(进网)、SRRC(型号核准)、CE
▲尺寸:7mm*23.5mm*2.2mm
▲灵敏度:-107 dBm
▲瞬间电流:Max 2.0 A
▲待机电流:<11mA
▲休眠电流:<2.5mA(现网) <1.1mA(仪器,DRX=9)
▲工作温度:-40℃~+85℃
▲工作电压:3.5 V~4.3 V,推荐值3.9 V
▲封装:64 Pin LCC 封装
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2、4G模块 / N710
▲无线方式:7模全网通,同时支持移动/电信/联通三个运营商所有网络制式
▲TDD-LTE,FDD-LTE,TD-SCDMA,WCDMA,CDMA1X/EVDO,GSM/GPRS/EDGE
▲支持双SIM卡
▲支持持FOTA
▲CCC、SRRC(型号核准)、CTA(进网)、CE、FCC、RoHs
▲尺寸:38 mm x 28 mm x 3.0 mm
▲供电:VBAT: 3.5V~ 4.2V,典型值3.9V
▲省电模式下电流:飞行模式:2mA,待机模式:4mA
▲工作温度:-40℃~+85℃
▲频段:LTE FDD: B1/B3,LTE TDD: B39/B40/B41,TD-SCDMA: B34/B39,WCDMA: B1,CDMA2000 1X/EVDO: B5,GSM/GPRS/EDGE: B3/B8
▲灵敏度:2G/3G< -107dBm;LTE: B1<-98;B3<-95;B39<-98;B40<-98; B41<-96
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评论
wzk307 2019-9-24 13:16 回复TA
好帖子,学习了,多谢 

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qiangw168| | 2019-3-17 13:57 | 显示全部楼层
感谢!了解很多

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