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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。 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
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。
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。 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。 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。 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。
● 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。 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。
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 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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楼主
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好帖子，学习了，多谢