浅谈LoRa物联网技术及应用

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  [摘 要]在当前的技术发展过程中,LoRa物联网技术也成为了一个研究热点,本文主要思考了LoRa物联网技术的一些基本原理,以及如何更好的应用LoRa物联网技术,提出了LoRa物联网技术应用的方法和策略,希望可以为今后的相关工作带来参考。
  [关键词]LoRa、物联网技术
  中图分类号:TP391.44;TN929.5 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2018)03-0028-01
  前言
  在LoRa物联网技术发展的同时,我们要对技术的各项指标进行总结,并对如何应用LoRa物联网技术进行总结,才能够在具体的应用过程中真正做到有的放矢,提高应用的效果。
  1、LoRa技术特点
  物联网从字面上可以理解为物物相联系的互联网,是以强大的计算机网络为基础和支持,并以此网络为核心进行向外延伸、扩展形成的新的意义网络,其用户端通过网络已延伸和扩展到众多物品与物品之间,进行数据交换和通信,使许多全新的系统功能得以实现。当前普遍认可的是:把所有物体通过射频识别技术(RFID)、红外感应器、全球定位系统(GPS)、激光扫描器等信息传感设备,按照规定协议用有线和无线方式与互联网连接起来,进行通信和信息交换,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。对物体具有全面感知能力,对信息具有可靠传送和智能处理能力的连接物体与物体的信息网络。如果说互联网沟通着人与人之间的通信交流,那么物联网也可以实现人与物之间的通信,甚至物与物之间的通信,物联网的概念模型。物联网的基本工作原理是:首先是对物体属性进行标识,属性包括静态和动态属性,静态属性可以直接存储在标签中,动态属性需要先由传感器实时进行探测;其次,需要识别设备完成对物体属性的读取,并将信息转换为适合网络传输的数据格式;最后,将物体的信息通过网络传输到信息处理中心,由处理中心完成物体通信的相关计算,处理中心可能是分布的,如个人电脑和手机,也可能是集中的,如电信运营商的因特网数据中心(IDC)。
  LoRa技术诞生于2013年,它由一种新型芯片,实现了基于1GHz以下的超长距低功耗数据传输技术。与业界其他先进水平的sub-GHz芯片相比,LoRa最高的接收灵敏度改善了20db以上,这确保了网络连接可靠性。它使用线性调频扩频调制技术,即保持了像FSK(频移键控)调制相同的低功耗特性,又明显地增加了通信距离,同时提高了网络效率并消除了干扰,因此在此基础上研发的集中器/网关(Concentrator/Gateway)能够并行接收并处理多个节点的数据,大大扩展了系统容量。
  LoRa主要在全球免费频段运行(即非授权频段),包括433、868、915MHz等。LoRa网络主要由终端(内置LORA模块)、网关(或称基站)、服务器和云四部分组成,应用数据可双向传输。
  LoRa的优势主要体现在以下几个方面:
  ①大大改善了接收灵敏度,降低了设备功耗,提高了传输距离;
  ②支持多信道多数据速率并行处理,系统容量大大增加;
  ③基于终端和集中器/网关的系统可以支持测距和定位。
  2、LoRa物联网技术及应用
  大港油田经过十余年的不懈努力,从地面简化优化到数字化建设,先后形成了“港西模式”和“王徐庄模式”,积累了丰富的实践经验,目前大港油田油水井生产数据的通信方式主要有GPRS、WCDMA、ZIGBEE、TDLTE等。
  在物联网应用中,无线通信技术有很多种,可以组成局域网或广域网。组成局域网的无线技术主要有2.4GHz的WiFi,蓝牙、Zigbee等,组成广域网的无线技术主要有2G/3G/4G等。这些无线通信技术,优缺点都很明显,最大的特点是传输距离远和设备功耗低两者之间只能二选一。
  大部分油气生产作业区所处环境恶劣、位置偏僻、作业区间距大,需要最大程度实现长距离、低功耗、高QoS通信,才能保障生产数据的长期稳定传输。
  同时,终端数据采集设备在恶劣自然环境下长期稳定运行也非常关键,为了减少对终端设备的日常维护,对设备低功耗的要求非常苛刻,这就要求设备通信模块的通信电流控制在20毫安以内,才能确保电池使用寿命达到3年以上。
  2.1数据传输性能对比分析
  GPRS和TDLTE通信属于广域的无线IP连接通信技术,根据基站的蜂窝式架构,可实现设备的远距离传输,只要是基站能覆盖的地方都能实现通信。但是,这两项无线通信技术功耗比较大,只适合有市电的情况下使用,仪表集成的电池使用寿命比较短。同时,TDLE和Gprs需要架设通信基站,架设费用昂贵,所以不是理想选择。
  ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率,可实现mesh网络,自组网多级跳,可实现5公里内井数据稳定传输,基站架设费用比较低。但是单点距离小于1.5公里才能通信,适合于井分布比较密集,且扇区分布的情况。但是,油田的各类油分布一般都比较分散,中继器布局路径少,跳越级数越多通信质量越差,数据延迟、丢失现象严重,所以也不是理想选择。
  低功耗广域网(LPWAN)技术的出现,完美的解决了远距离和低功耗不可兼得的难题,目前比较成熟的主流LPWAN通信技术为LoRa和NB-IoT。
  在工业的自动化制造和生产过程中,有许多不同类型的传感器和设备。有些场景需要频繁的通信并且确保良好的服务质量(QoS),这时采用NB-IoT是较为合适的选择;有些场景需要低成本传感器配以低功耗和长寿命电池来追踪、监控设备的运行状态(例如油井的油套压),这时采用LoRa是更好的选择。
  2.2基于LORA组网可行性
  LoRa这种低功耗远距离传输的特性,非常适合Agadem油田这种带状式油井分布情况。
  LoRa基站对高度的要求比较低(≤8米),架设费用较低(国内2.4万/座,TDLTE是40万/座)。但是,LoRa通信带宽比较小,同一时间传输所有井的生产数据,会发生严重的数据碰撞,造成数据的丢失和很高的误码率。基于此,在设计方案中需要采用“仪表——数据采集器——基站”这样一种分层结构,由数据采集器把井口数据集中、定期发送给LoRa基站。
  2.3数据采集终端性能要求
  油田生产环境恶劣,设备日常维护艰难。因此,需要选择性能稳定可靠、使用寿命长久、支持LORA通信的仪表和设备,尽可能减少甚至避免对终端设备的维护工作。
  LoRa数据采集模块功能负责汇聚井口各类仪表采集到的生产数据,并通过LoRa无线网络发送到LoRa基站。
  LoRa技术方案性价比非常高,通常比LTE技术方案节省一半投资。另外,LoRa通信功耗非常低,终端设备的电池组使用寿命至少3年,如果采用Zigbee通信方式,电池寿命最多2年。
  因此,采用LoRa技术组网,对未来油水井、配水间、集输管网、生产电网的大范围数据采集传输具有非常明显的优势。
  除此之外,LoRa物联网在城市管理中可以应用于多个场景,例如基础设施、路灯、空气、交通、人流、建筑等的数据采集及分析。同样在节能减排、环境检测、工业制造等方面也有着广泛的应用。
  3、结束语
  综上所述,针对LoRa物聯网技术的发展情况,我们有必要对技术进行深入的总结,并在应用的环节提出更好的应用的思路,才能让LoRa物联网技术应用得更加的出色。
  参考文献
  [1]张倩.浅议物联网技术[J].信息系统工程.2017(03):13
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