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使用LoRa技术的物联网(IoT)
摘要—lora是低功耗广域网(LPWAN)下的一种新型通信技术。它强调远距离通信，具有较高的接收灵敏度，能有效地在噪声干扰或噪声层下工作。通信范围已经成为大多数物联网系统的关键部分，尤其是基于Wi- Fi和蓝牙的物联网系统。随着LoRa技术的出现，可以实现对物联网(IoT)应用的进一步改进。通过在LoRa网络中使用单个接收器，它能够处理区域内多个位置的多个节点，而不像基于wifi的系统需要有许多接入点来增加覆盖区域。LoRa和Wi-Fi技术的结合降低了物联网系统的部署成本。本文实际部署的物联网系统采用了LoRa技术与Wi-Fi技术相结合的方式。此外，本文还介绍了LoRa网络在室内和室外条件下的性能和实际覆盖面积。在室内条件下，在不同的位置测试了不同的LoRa参数，包括扩展因子和带宽。因此，LoRa网络的质量不仅取决于与网关的距离，还取决于由于结构元素造成的路径损失的影响。此外，位于建筑中层的一个单独的LoRa网关能够处理校园内任何位置的LoRa终端设备，其传播系数为9。一个更好的室内覆盖可以通过在校园增加一个额外的LoRa网关来提高。室外条件下，扩展系数为12时，LoRa网络最大覆盖面积为330米，并采用室内网关部署。
索引词—LoRa、物联网、低成本LoRa节点和网关、监控系统
- 介绍
Wi-Fi和蓝牙是已经建立的局域网无线技术。两者都有完善的标准，如Wi-Fi、蓝牙4.0和zigg - bee。由于受欢迎程度和易于使用的协议，这些无线技术主导了物联网市场。物联网技术有一个缺点或挑战，即传输范围。对于物联网应用领域，如智能定位系统和智能农业，需要高效能的传感器节点，可以远距离通信。在最近的研究[1]、[2]中，作者分别进行了基于Wi-Fi和LoRa技术的室内定位测试。基于Wi-Fi的定位系统在[1]的覆盖面积只有2米，而在[2]的工作可以达到200米的最大覆盖面积和28.8米的最大覆盖面积，定位结果精度很高。两位作者的研究结果表明，与LoRa技术相比，Wi-Fi技术在定位系统方面存在不足。另外，作者在[3]中指出，蓝牙的传输范围是50英尺(不带范围扩展器)，而Wi-Fi的传输范围是200英尺。使用Wi-Fi或蓝牙技术来实现这个解决方案将需要更高的成本，以建立一个需要额外的范围扩展器的远程通信网络。这推动了许多低功率广域网(LPWAN)技术的发展，如LoRa，以满足这些要求。
LoRa(代表远程)是一种扩频调制技术，来源于啁啾扩频(CSS)技术。由于整个分配的带宽被用于广播一个信号(信息或数据)，因此在LoRa中使用的调制技术使它对信道噪声具有鲁棒性。此外，由于传输是以噪声形式呈现的伪随机方式传播，可以保证LoRa系统的安全性，因此调制技术为LoRa[4]系统提供了基本的安全性。除此之外，LoRa是物联网解决方案的最佳选择，它需要长距离的数据通信，同时保持很少的电力消耗[5]。也就是说，LoRa信号的强穿透性使其能够在难以到达的室内位置提供足够的覆盖。与基于Wi-Fi或蓝牙的物联网解决方案相比，其数据通信范围和吞吐量较短(无需添加范围扩展器或中继器)，该技术能够在保持较低开发成本的同时，提供最大的数据通信效率。基于[6]的研究表明，LoRa技术的主要目标部署是能量有限的智能设备，不需要总是建立频繁的通信。所有这些特性使LoRa成为一个有趣的目前物联网(IoT)市场的候选项，并使其能够与其他物联网技术如WiFi和蓝牙竞争。
本文的重点是对LoRa的覆盖性能进行多项实验，并在KDU大学学院实现基于LoRa的实时监控。
- LORAWAN和LORA技术概述
LoRaWAN是由LoRa Alliance开发的低功耗广域网(LP- WAN)协议和系统架构，而由Semtech开发的LoRa定义了系统的物理层。此外，LoRaWAN是建立在LoRa物理层之上的媒体访问控制(MAC)层协议。它定义了在1000兆赫兹以下的非许可频带中运行的网络架构。LoRaWAN使用AES-128加密来保证安全性，即AppsKEY和NwkKey。有三个频段最常用的是433 MHz为亚洲，868 MHz为欧洲和915 MHz为北美[6]。机器对机器(Machine-to-Machine, M2M)和物联网(Internet of物联网，IoT)已经成为LoRa部署的主要目标，因为它规范了远程和低功耗通信。此外，LoRa技术的自适应数据速率算法有助于最大限度地提高节点的电池寿命和网络容量。
LoRa调制发生在物理层，该物理层采用由扩频调制方案衍生而来的啁啾扩频调制(CSS)。啁啾扩频调制的概念是将单个比特信息转化为另一系列比特，并将其扩展到整个频谱。此外，这种调制工作在噪声水平以下，使其对噪声干扰和干扰具有更强的鲁棒性。换句话说，信号或信息正在通过宽带传播。扩频调制是一种古老的调制技术，发展于1940年，最初用于军事通信[7]。“啁啾”一词代表“压缩高强度雷达脉冲”。它定义了调制过程中信号频率随时间的增加和减少。在LoRa物理中有5个重要的参数，即载频、发射功率、扩散系数(SF)、带宽(BW)和码率(CR)。正如早期提到的，LoRa有三个主要的载波频率是433 MHz, 868 MHz和915 MHz，
总的来说，与Wi-Fi和蓝牙等短程协议相比，LoRa有利于需要远距离通信的物联网系统，尽管在传输速度和有效载荷大小上存在一些缺点。
- 马来西亚LoRa频段
选择使用的LoRa频段是设计基于LoRa的物联网网络的第一步，因为每个国家都有自己的频率规则。根据LoRa alliance M[8]提供的最新区域参数，列出了马来西亚的两个频段/信道，分别为433 ~ 435 MHz和919 ~ 924 MHz(分别以EU433和AS923的一个信道为代表)。LoRa通信装置是马来西亚通信和多媒体委员会(MCMC)的一种短程装置。它受1998年通信和多媒体法(CMA)管辖。2015年，在2015年[9]第2号class assignment (CA)中，MCMC为一个短程无线电通信装置(SRD)分配了19个频段。虽然868兆赫兹频带被放置在SRD下，但是正如在同一类分配声明，它有一个有限的使用期。
2015年4月17日，MCMC宣布从2018年1月1日[10]开始将868 MHz的频段用于SRD。2015年12月,获得分配的新频段使用阶跃恢复二极管作为乐队433 MHz, 2.4 GHz和5.8 GHz,可用于物联网的应用程序是4 MHz频段频谱的919 - 923 MHz如上所述在课堂作业3号2015[11]。
- 等效各向同性辐射功率限制
除了马来西亚使用的频带外，还将讨论另一个重要参数。EIRP为等效各向同性辐射功率，其中辐射输出功率是指同位素天线在各个方向上均匀的辐射功率，其增益用dBi表示。
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频段 |
最大功率 |
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433 MHz to 435 MHz |
100 mW EIRP |
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919 MHz to 923 MHz |
500 mW EIRP |
表1. SRD可使用的频带及其运行状况
从表1可以看出，两个频段对MCMC列出的最大功率等级有各自的限制。在设计LoRa网络时，应遵循EIRP的最大值。EIRP涉及三个参数，分别是发射机的输出功率、电缆增益和发射机天线增益，如式(2)所示。
（2）
为了避免超过国家规定的EIRP限制，必须对天线的功率和增益进行相应的选择。
- 相关工作
根据LoRa Alliance，马来西亚ISM频段的最新更新为920至923 MHz。但是在马来西亚还没有使用该频段的研究论文或部署LoRa gateway。在马来西亚的[12]、[13]、[14]系统中，作者使用433 MHz的ISM频段(旧ISM频段)测试了该系统的性能。[12]的作者在马来西亚柔佛州展示了LoRa调制在户外场景中的表现。作者着重研究了LoRa网络的视距(LOS)和非视距(NLOS)测试。发射功率为23 dBm，天线增益为3 dBi。试验采用接收信号强度指示(Received signal strength indication, RSSI)作为测量参数。
通过研究得出，在传输过程中，SX1272的功率效率最高(每次传输功率为0.2423W)，而SX1278的最大覆盖范围为1 km。在[14]中，作者讨论了LoRa网络在热带森林环境中的表现。与前人的研究一样，采用不同的扩频系数和带宽来测量信号强度(RSSI)。作者在不同的地点(开放环境和植物环境)进行了两次测试，并用图解法比较了得到的结果。结果表明，随着接收端和发送端距离的增加，在叶面环境中，LoRa信号的衰减比在开放环境中要大得多。
V. LORA网络物联网监控系统集成
- 系统架构
图 1. LoRa网络连接
图1显示了项目第一部分中LoRa网络的基本连接。基于此图，使用LoRa调制的星型拓扑结构将LoRa端设备与LoRa单通道网关通信。在通信开始前，将在编码部分配置好LoRa网络的扩展因子和带宽。
当LoRa网关识别同步字时，它将通过ESP8266将从终端设备接收到的数据包转发到本地MQTT代理。ESP8266是一个Wi-Fi模块，用于为LoRa网关提供internet接口。LoRa网关与ESP8266之间的连接是通过SPI通信，与Arduino的连接相同。在web接口部分，使用了消息查询遥测传输(MQTT)。MQTT是物联网(IoT)中著名的机对机(machine-to-machine, M2M)通信协议。LoRa网关上的ESP8266将从这些终端设备接收到的数据发布到本地MQTT代理，而Node-RED将通过订阅相同的MQTT代理来显示从终端设备接收到的数据包。
- 硬件设置
在本文中，LoRa端设备是sensor与sx1278 (433 MHz)、Arduino Nano的组合，而LoRa网关则是前面提到的sx1278 (433 MHz)和ESP8266的组合。所有LoRa终端设备将由两块3.7 V锂充电电池供电，LoRa网关将由5 V直流电源供电。三种不同类型的传感器连接到每个LoRa终端设备。
- 网络接口
图2说明了LoRa网络的web界面。这是Node-Red应用程序的实时仪表板，它显示了从LoRa端设备(如信噪比、RSSI和传感器数据)获得的信息。
图 2. LoRa系统使用Node-Red的图形用户界面(GUI)
- 室内场景参数测试
室内测试在KDU大学的七个不同地点进行(表2)。在测试期间，LoRa网关放置在二楼的工程通信实验室，每次测试时，LoRa端设备从一个地点移动到另一个地点。LoRa发射机和接收器之间的距离是用激光测距仪和卷尺测量的。在本部分中，只使用了一个LoRa端设备和一个LoRa网关进行测试。共有六种模式用于研究LoRa网络的室内性能。根据表3，每种模式表示不同的扩展因子和带宽组合，而编码速率对所有模式都是恒定的。在接下来的实验中，每个位置用6种不同的模式进行测试，共取20个样本进行数据分析。
表 2.在kdu大学的室内测试
表 3. 不同LoRa模式的参数设置
- 结果
在每一个测试位置测试所得的不同的模式的平均接收信号强度指示(RSSI),平均信噪比(信噪比)和丢包率如表4，表5，表6所示。表中结果转换成图形格式可以获得更好的可视化结果(图3、4和5)。
表4. 模式1和模式2在7个地点的室内测试结果
表5. 模式3和模式4在7个地点的室内测试结果
表6. 模式5和模式6在7个地点的室内测试结果
图 3. 对不同模式下每个测试位置的RSSI取平均值
图 4. 不同模式下每个测试位置的平均信噪比
从图3可以看出，整个测试结果的RSSI平均值在- 90db ~ - 120db之间。此外，在每种模式下，距离接收方最小的位置2的RSSI平均值最低，位置4和7的RSSI平均值最高。在相同带宽下(带宽为125 kHz时，模式1、模式3、模式5，带宽为250 kHz时，模式2、模式4、模式6)，平均RSSI值随着扩频因子的增加而减小。 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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