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1、基于Lora通信技术实现智慧城市应用构建生态化物联网摘要：近年来出现了一种面向远距离、低功耗设备的无线技术，Long Range(简称LoRa）。它是一种远距离、低功耗、低数据速率、低复杂度、低成本的双向无线通信技术，主要适用于自动控制、数据采集和物联网等领域，同时旨在构建生态物联网的一种技术。本文对LoRa的基本原理和理论依据进行分析，指出了LoRa技术的优势和特点，分析了LoRa所采用的调制模式和无线传输保障机制，以LoRa技术指导下智能建筑能耗管理系统的设计为例，进而阐述LoRa通信系统在物联网中的应用以及对于构建生态物联网的作用。关键词：LoRa 优势和特点 智能建筑 物联网应用引言：
2、低功耗广域网技术（LPWAN，Low Power Wide Area Network）技术是一种革命性的物联网无线接入新技术,与Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等现有成熟商用的无线技术相比，具有远距离、低功耗、低成本、覆盖容量大等优点，适合于在长距离发送小数据量且使用电池供电方式的物联网终端设备。LPWAN作为一个新兴的、刚起步的技术，其市场普遍被看好，各厂商争先研究LPWAN，参与标准制定，设商用试点，市场呈现百家争鸣、蓬勃发展的态势。LoRa作为非授权频谱的一种LPWAN无线技术，相比于其他无线技术（如Sigfox、NWave等），其产业链更为成熟、商业化应用较早。LoRa技术经过Semte
3、ch、美国思科、IBM、荷兰KPN电信和韩国SK电信等组成的LoRaAlliance国际组织进行全球推广后，目前已成为新物联网应用和智慧城市发展的重要基础支撑技术。1、LoRa技术的技术特点和优势目前LoRa的技术特点和优势主要有以下几个方面：1.1新型扩频技术大大改善接收的灵敏度高达157db的链路预算，使其通信距离可达15公里（与 环 境 有 关）。其接收电流仅10mA,睡眠电流小于200nA，这大大延迟了电池的使用寿命。 表1LORA技术适用于物联网应用部署的关键特性关键特性优势157dB链路预算远距离距离大于15千米最小的基础设施成本易于建设和部署使用网关/集中器扩展系统容量电池寿命大
4、于10年延长电池寿命接收电流-10mA,休眠电流小于200nA免牌照的频段低成本基础设施成本低节点/终端成本低1.2网关/集中器支持多信道多数据速率的并行处理，系统容量大网关是节点与IP网络之间的桥梁（通过2G/3G/4G或者Ethernet）。每个网关每天可以处理500万次各节点之间的通信（假设每次发送10Bytes,网络占用率10%）。如 果 把 网 关 安 装 在 现有移动通信基站的位置，发射功率20dBm（100mW），那么在搞建筑密集的城市环境可以覆盖2公里左右，而在密度较低的郊区，覆盖范围可达10公里。该网关/集中器还包含MAC层协议，对于高层它是透明的。1.3基于终端和集中器/网
5、关的系统可以支持测距和定位LoRa对距离的测量是基于信号的空中传输时间而非传统的RSSI（ReceivedSignalSterngthIndication），而定位则基于多点（网关）对一点（节点）的空中传输时间差的测量。其定位精度可达5m（假设10km的范围）。2、LoRa在无线技术中的位置根据LoRa技术的关键特点可知，LoRa非常适用于要求具备功耗低、距离远、容量大以及可定位跟踪等特点的物联网应用，如智能抄表、智能停车、车辆追 踪、宠物跟踪、智慧农业、智慧工业、智慧城市、智慧社区等应用和领域。表3所示为LoRa网络适用的应用案例：场景应用案例智能产业资产跟踪、资产过程自动化、自动化、环境监
6、测、工业照明、商业安全、基础设施监测、水管里和其他各种应用等智能公共设施施水、电、煤气的智能化管理（最主要是智能计量）智能城市与市政资源和服务的管理相关的应用，如街道照明、垃圾管理、停车管理环境监测、交通监测、应急管理和公共交通管理等智能建筑暖通空调（采暖、通风、空调）、能源管理、安全、照明和房间自动化等应用目前，LoRa网络已经在全球多地进行试点或部署。据最新公布的相关数据显示，全球有十六个国家正在部署LoRa网络，56个国家开始进行试点，如美国、法国、德国、澳大利亚、印度等。荷兰KPN电信、韩国SK电信在2016年上半年部署了覆盖全国的LoRa网络，提供基于LoRa的物联网服务。相对于Lo
7、Ra技术在国外发展的如火如荼，国内LoRa应用略显冷淡。目前可看到的公开应用是国内AUGTEK公司在京杭大运河开展的LoRa网络（智慧航道）建设，据悉目前已经完成江苏段的全线覆盖。其实国内从事LoRa模块和方案开发的厂商并不少，除AUGTEK之外，还有洲斯物联、思创汇连、普天通达、NPLink、门思科技、利尔达、唯传科技、三凡信息、成都博高等众多公司。随着国内广域物联网喷发式的发展和CLAA组织对LoRa应用的积极推动，国内基于LoRa应用的试点将会越来越多地被部署在各行各业，以提供优质高效的物联网服务。3.智能抄表的发展趋势目前来说比较先进的电力抄表系统是智能型直读表抄表系统，这种技术是采用
8、无源总线制进行数据的传输，具有无需对信号进行转换和累计的特点，避免出现计数误差，而且进行抄表时省去对底数、常数进行设置、存储的麻烦，计量准确可靠，抗干扰性好，不会因为突然断电或者系统故障而引起的用户用电数据丢失，功耗降低，延长了使用年限。远程电力抄表系统得到政府的支持，而且随着科学技术的发展，电力远程抄表的智能化趋势已是必然，尤其是智能型直读表抄表系统将会成为远程电力抄表系统在未来几年的发展趋势，会得到不断发展和完善。4、基于LoRa的智能建筑管理系统分析与设计4.1智能建筑管理系统设计分析通过需求分析可得知，建筑物的能耗主要由供暖、空调、生活热水、照明、动力、办公设备及其他用电形式构成。其主
9、要的能源形式有电、水、气（天然气或煤气）、集中供热耗热量、集中供冷耗冷量及其他能源应用量（如热水、煤、油、可再生能源等）。能源消耗在建筑物的各个地点都在发生，每个电能表、水表、冷热量表都记录着其所属范围内的能量消耗，如果采用人工抄表的方式，就必须得根据建筑物规模为此项工作配备一定数量的人员进行巡查，使其成为一项日常工作。这对于整个建筑的运营来说是一笔巨大的开支，尤其是在如今这个人工费用愈加高昂的社会，日常抄表所带来的成本投入相当可观，更不用提数据采集之后便要跟进的数据录入工作了。如果采用数据自动采集，则又存在着建筑物内数据点位分散，数据集中传输面临着空间距离跨度大，网关、中继器设置地点选择困难
10、等问题。传统的建筑物能耗系统以计算机、通讯设备、测控单元为基本工具，根据现场实际情况采用现场总线或光纤环网的组网方式，为大型公共建筑的实时数据采集、开关状态监测及远程管理与控制提供了基础平台。本文选择了以LoRa无线技术为核心，通过无线传输方式将数据集中到云服务器进行存储，管理层终端可以通过在云端读取数据分析，并对整个能耗管理系统进行有效优化，从而形成一个良性循环，最终得出能耗管理的最佳方案，极大地提升能源利用效率，改善能源浪费现象，节能减排，构建了一种良性的生态物联网。4.2基于LoRa的智能建筑数据传输组网设计以某市级综合医院为例，建筑物存在单一层建筑平面内面积大，各功能分区结构复杂，房间
11、分隔数量众多，能耗种类呈现出多样化态势等特点。如采用传统综合布线方式，会出现施工体量巨大、布线设备光纤成本高、时间跨度大、后期维护更换难度大等问题，而且智能化建筑能耗管理系统的建设属于后期改造，受到建筑建设初期电缆井设置部位的影响，很可能需要大范围的重复布线，这本身就是一种能源浪费，在改造时还会妨碍医院的正常运营，效率极低。因此，考虑到已投入运行的医院实际情况，选择了无线数据传输这样的方式，最大程度地加快建设进程，节约资源，同时又能把对运营产生的影响降到最低。根据智能化能耗管理系统的特点，针对某市级综合医院的实际情况，将系统分为层：现场采集设备、网关、终端数据处理设备、云端。采用LoRa技术进
12、行无线数据传输，免去了综合布线的线缆成本投入，降低施工难度，极大地减短了施工时间并且简化了后期维护过程，便于对各节点设备进行维修更换，具体结构见图（一）。 图（一）图（二）图（三）针对现场数据采集设备，本文系统选择带有继电器的远传电能表、水表和冷热量表，通过有线的方式连接LoRa模块。电表采集到的RS485数据信号通过LoRa模块上的IN引脚传入模块内，经过模块转换传输到LoRa网关，网关与云端服务器相连接，实现数据的集中上传和统一管理。在管理层设置计算机终端，对其开放接入云端服务器的权限，实现数据的调取，实时分析能耗情况，对建筑物的能源消耗进行管理。通过长时间、大量数据的收集，建立建筑物能耗
13、管理的数据库。通过对数据的分类、汇总，查看数据的发展方向和趋势，深入挖掘数据中潜藏的内在规律，形成大数据，最终总结出一种适合建筑物的最佳能耗管理方案，快速推动建筑节能的发展与革新。LoRa具有典型的星形拓扑结构，由图（一）网络架构可知，某市级综合医院智能化能耗管理系统中LoRa网关是一个透明的中继，连接云端和终端处理设备。网关通过标准IP与服务器连接，而终端设备采用单跳模式，实现与一个或多个网关的通信，所有的节点均是双向通信。这些计量设备之间相对独立，分布在建筑的各个位置，通过LoRa模块实现现场设备的数据监测，集中上传到云端服务器进行储存，并由管理层设备调取分析。通过长时间大量数据的收集，建
14、立建筑物能耗管理数据库，构架了一种良性的生态物联网。LoRa技术的采用让公司的发展获得了一个巨大的飞跃，以博高信息公司为例，博高信息是一家专注于提供用电信息采集领域的技术研发、设备生产、销售以及安装、调试、运行维护等整体解决方案与服务的运营商。结语：随着可持续发展理念的进一步深入，智慧城市的发展，信息传输技术的革新，对远距离、低功耗传输技术的需求越来越大，而LoRa技术正好迎合了这种需求。LoRa对物联网技术进化的意义巨大，对构建良性的生态物联网来说，更是提供了技术支持。目前的建筑能耗管理系统依赖于物联网技术，所以说LoRa技术是建筑能耗管理系统智能化发展的关键。在可以预见的未来，这种远距离、低功耗、寿命长的无线传输技术将取代现有的综合布线通过光纤传输的方式，成为物联网技术的主流。在LoRa技术的配合下，物联网领域的生态系统将会一步步搭建。参考文献:【1】王芷衡.悄然发展的LoRa技术【EB/OL】【2】志远电子公司.LoRa调制技术究竟给我们带来了哪些突破?【3】王文蔚，王祖明.我国电水气集中抄表系统的概况【J】.电气时代，2001，zl:B18-B19.
