LoRa全称远距离无线电(Long Range Radio),作为一种扩频调制技术,最早由法国一家创业公司Cycleo 推出,2012 年 Semtech 收购了这家公司,并将这一调制技术封装到芯片中,基于 LoRa 技术开发出一整套 LoRa 通信芯片解决方案,包括用于网关和终端上不同款的 LoRa 芯片。自此,基于LoRa 技术的产品开始在全世界范围内推广,LoRa技术在世界范围生根发芽,慢慢浸透到了物联网应用的每个角落,LoRaWAN技术也在快速推广。
1)星状网络拓扑结构:
星状网络常见于:LoRaWAN、Modbus、家用路由器。优点在于维护管理容易,重新配置灵活,但是扩展性差。
2)树状网络拓扑结构:
树状网络拓扑结构简单,构成明晰,故障查找方便。
3)Mesh网络拓扑结构
Mesh网络拓扑结构节点互联互通,利用率高,网络自愈性强
艾森智能致力于利用LoRaMESH构建一种具有如下特征的应急救援网络:
1. 动态拓扑、去中心化的多跳网络
LoRaMESH网络需要足够的自治性、自愈性和扩展性,满足即时组网的需要。网络中节点完全对等,网络的拓扑及拓扑的变化不影响正常的传输功能。RPL 等传统的树状路由协议无法满足,基于六度分隔理论的Gossip协议是正确的选择。
2. 低功耗、远距离的窄带网络
LoRaMESH网络虽然可达15跳,但是在复杂环境中,单跳的可视传输距离仍然需要达到数公里以上,网络节点也基本上依靠电池或太阳能供电。LoRa 由于在低功耗和远距离上有突出的性能,成为应急救援网络有竞争力的无线传输技术。
3. 易部署、免维护的低成本网络
应急救援网络即时部署需要免配置免维护,上电即用。除了便利性,低成本更有利于网络的推广普及。以LoRaMESH 网络为例,在户外马拉松的线路上位部署一套天气监测网络系统,仅需要几万部署成本,并可以反复使用。
4. 时延容忍的高可靠网络
应急救援网络在物理层优先满足低功耗和远距离,在链路层通过协议保证高可靠性。Gossip协议具有一定的可靠性,但会降低网络容量。LoRaMESH 协议通过跳频、消息汇聚、链路层应答、网络自适应等协议技术将网络端到端的可靠性提升到90%以上。
LoRaMESH构建的应急救援网络架构示意图:
网络支持固定和移动节点,通信功能完全相同。固定节点多为太阳能供电的装置,提供环境、位置、UI交互等功能,移动节点为充电电池供电的电子设备,提供位置、UI交互,或作为接收机收集数据供分析呈现使用。
1. 多信道跳频(FHSS)
LoRaMESH以随机跳频方式利用多个信道进行通信。节点在需要向网络发送消息时,先在公共信道发一条引导消息(H),引导邻近节点跳频到一个专用信道上接收完整消息(M)。FHSS充分扩展了信道容量,也有效避免多径干扰。
2. 消息聚合
Gossip协议极易造成消息碰撞,导致消息转发效率降低。消息聚合将多个小消息合并成一条大消息发送,从而减少消息发送频次,有效降低消息碰撞概率。如下图所示,消息合并减少了由于载波侦听退让的随机间隔时间,有效提高信道利用率。
3. 链路层确认
LoRaMESH引入一种链路层确认+重传机制,保证了Gossip协议的高可靠性:
1) 源节点发送REQ消息,通过Gossip转发,目标节点收到REQ消息后回应ACK。
2) 任意节点收到ACK时,如果与缓存的REQ消息匹配上,则停止转发REQ和ACK。
3) 任意节点如果探测网络空闲,可以在一段较短的时间内多次泛洪同一条消息。
4) 源节点在某个限定时间内没有收到ACK时,可以重发REQ。
4. 网络自适应
当节点在空间上密集分布时,广播消息会造成信道拥塞。LoRaMESH设计在节点分布密集分布时使用高速扩频因子,在节点分布稀疏分布时使用低速扩频因子,同时兼顾了节点间的距离和信道容量,避免空口消息过于拥塞。
LoRaMESH方案可以应用于:
1) 智慧城市
2) 智能园区
3) 智慧建筑
4) 智慧安防
5) 智慧农业
6) 智慧灯控
LoRaMESH充分运用LoRa的低功耗、远距离、小数据传输技术优势,是物联网LoRa应用的优秀方案。
LoRaMESH应用于物联网场景拥有诸多优势,下面看看具体的实例。
(1)智慧果园
采用LoRaMESH的节点可采集丰富的传感器数据,包括空气温湿度、土壤温湿度、酸碱度、风速、风向、降雨量、光照、PM2.5等数据。24小时监控果园,智能传感设备替代人工作业,大大降低人力成本,提高了所采集数据的准确性。在农业现场,为了蔬果可以健康生长,需要监控各种环境数据信息,在现场要布设大量的传感器。LoRaMESH智慧果园方案中种类繁多的传感器可以迅速组网,将节点采集的数据上传至网关,网关通过多种通信入网方式将数据入云。云端采用大数据分析果园采集上来的数据,实时显示果园现场情况,出现风险信息自动告警,管理人员收到告警信息后,可以远程控制现场的设备或者安排人员及时前往现场处置。
(2)智慧酒店
采用LoRaMESH的节点可采集丰富的房间传感器数据,例如煤气烟雾报警,门禁状态,水电气抄表等。24小时监控,智能传感设备替代人工作业,大大降低人力成本,提高了所采集数据的准确性。酒店一般拥有多层客房,一层楼布置一个网关,收集该楼层的数据。节点采集的数据上传至网关,每一层楼配属一个网关,网关通过多种通信入网方式将数据入云。分布式网关可以高效快捷地采集酒店所有房间的信息,一键云端管理酒店房间信息,整体情况一目了然,对于客户的需求可以做到快速响应。安防设备自动告警,方便酒店维护人员及时处理告警情况。
(3)智慧路灯
采用LoRaMESH的节点可采集丰富的传感器数据,包括路灯灯箱开关情况,电路开关状态,烟雾报警情况等。24小时监控城市道路的路灯情况,智能传感设备替代人工作业,大大降低人力成本,提高了所采集数据的准确性。节点采集的数据上传至网关,网关通过多种通信入网方式将数据入云。云端采用大数据分析路灯采集上来的数据,实时显示现场情况。
由于城市区域非常大,单个网关无法覆盖如此大的区域,LoRaMESH节点的中继功能可以帮助离网关位置较远的节点传输数据至网关,大大增加网关的覆盖范围。如果发生路灯电线偷盗事件,云端管理系统将会及时发出警告,派人处置。针对城市路灯耗电量大的城市管理痛点,LoRaMESH方案可以监控耗电,针对路灯所属地区偏远程度,光照强度,人流量,车流量智能调节路灯的光照强度和开关情况,定时极大减少电力浪费。安装的摄像头可以远程监控路灯现场,辅助城市管理。