LoRa：能源計量領域的一匹黑馬

最新 09-25

電能表在世界上的出現和發展已有一百多年的歷史，以往抄表是由抄表員逐一上門讀取用戶當前水表、氣表、電錶的顯示數，記錄在抄表簿上，帶回數據中心進行統計、匯總、計費等處理，效率很低，容易出錯，傳統抄表收費模式的弊端逐漸成為能源計量公司提高管理水平的障礙。

2000年開始，我國開始大力普及手持式抄表機。抄表員抄表後直接將數據上傳到服務中心上，伺服器複核數據後，由抄表機直接開賬、列印賬單或各類工作單，工作效率大大提高。

但是這樣也需要人工現場讀表，列印費用單，對人工成本要求並未降低。但近幾年來，物聯網發展迅速，物聯網應用中的無線技術有多種，可組成區域網或廣域網。低功耗廣域網技術發展如火如荼，其中LoRa技術在其中佔據了重要的地位，LoRa最大的優勢就是低功耗，易組網，成本低，傳輸距離遠等等。而且LoRa非常適合大規模部署，比如在智慧城市中的市政設施檢測或者無線抄表等應用領域，可大大減少人工作業和施工布線成本。LoRa無疑是智慧計量領域的一匹黑馬，下面就讓我們來了解下LoRa技術能給能源計量領域帶來啥？

LoRa：接收靈敏度秒殺業界晶元

2013年8月，Semtech公司向業界發布了一種新型的基於1GHz以下的超長距低功耗數據傳輸技術（Long Range，簡稱LoRa）的晶元。它的接收靈敏度竟然達到了—148dbm,瞬間秒殺業界其他先進水平的sub-GHz晶元，改善了20db以上的接收靈敏度，大大確保了網路連接可靠性。

LoRa技術特點

它使用線性調頻擴頻調製技術，既保持了像FSK（頻移鍵控）調製相同的低功耗特性，又明顯地增加了通信距離，同時提高了網路效率並消除了干擾，即使不同擴頻序列的終端即使使用相同的頻率同時發送也不會相互干擾，並且在此基礎上研發的集中器/網關（Concentrator/Gateway）能夠並行接收並處理多個節點的數據，大大擴展了系統容量。

因為其可以實現長通信距離和干擾的魯棒性，線性擴頻已在軍事和空間通信領域使用了數十年，隨著LoRa的引入，使得嵌入式無線通信領域的局面發生了翻天覆地的變化，打破了遠距離和低功耗兩者之間「魚與熊掌不可兼得」的境地。當採用LPWAN技術之後，設計人員可做到兩者都兼顧，最大程度地實現更長距離通信與更低功耗，同時還可節省額外的中繼器成本。

LoRa主要在全球免費頻段運行（即非授權頻段），包括433、868、915 MHz等。LoRa網路主要由終端（內置LoRa模塊）、網關（或稱基站）、伺服器和雲四部分組成，基站和終端之間採用星型網路拓撲，由於LoRa的長距離特性，它們之間得以使用單跳傳輸。基站則對NS和終端之間的LoRaWAN協議數據做轉發處理，將LoRaWAN數據分別承載在了LoRa射頻傳輸和Tcp/IP上，應用數據可雙向傳輸。如圖所示：

LoRa網路架構

據官方聲明，2017年LoRaWAN的網路部署情況：34個公開聲明部署的網路，至少150個在進行的城市試點部署。如美國、法國、德國、澳大利亞、印度等等國家，荷蘭、瑞士、韓國等更是部署或計劃部署覆蓋全國的LoRa網路。雞脖子那邊有一點白，可能是主體主義思想的光輝太耀眼了。

LoRa多重優勢便於應用智慧家居

LoRa的優勢主要體現在以下幾個方面：

1) 大大的改善了接收的靈敏度，降低了功耗

高達157db的鏈路預算使其通信距離可達15公里（與環境有關）。其接收電流僅10mA，睡眠電流200nA，這大大延遲了電池的使用壽命。

2) 基於該技術的網關/集中器支持多信道多數據速率的並行處理，系統容量大。

如圖2所示，網關是節點與IP網路之間的橋樑（通過2G/3G/4G或者Ethernet）。每個網關每天可以處理500萬次各節點之間的通信（假設每次發送10Bytes，網路佔用率10%）。如果把網關安裝在現有移動通信基站的位置，發射功率20dBm（100mW），那麼在建築密集的城市環境可以覆蓋2公里左右，而在密度較低的郊區，覆蓋範圍可達10公里。

3) 基於終端和集中器/網關的系統可以支持測距和定位。

LoRa對距離的測量是基於信號的空中傳輸時間而非傳統的RSSI（Received Signal Sterngth Ind-ication），而定位則基於多點（網關）對一點（節點）的空中傳輸時間差的測量。其定位精度可達5m（假設10km的範圍）。

LoRa關鍵特性和優勢

這些關鍵特徵使得 LoRa技術非常適用於要求功耗低、距離遠、大量連接以及定位跟蹤等的物聯網應用，如智能抄表、智能停車、車輛追蹤、寵物跟蹤、智慧農業、智慧工業、智慧城市、智慧社區等等應用和領域。

LoRa：應用於無線抄表

對於NB-IoT，LoRa是當前最成熟、穩定的窄帶物聯網通訊技術，其自由組網的私有網路遠優於運營商持續不斷收費的NB網路，且LoRa一次組網終身不需繳費。但是應用LoRa進行物聯網通訊開發難度大、周期長、進入門檻高。

以水表無線抄表來說，無線抄表的核心需求：

1.可抄到。LoRa比傳統的FSK、GFSK傳輸距離更遠，安裝在水表中的確距離和穿透力有了提升，但依然和實際需求有差距，特別是小區環境，所有水表到集中器肯定無法都進行直接傳輸，完全做不到一級就到，1個集中器肯定無法覆蓋所有的水表，多數希望做無線水表的廠家還是表本位的思路（其它產品亦適用），認為LoRa或者無線只是無線水表的簡單附屬品，很多廠家將實現遠距離通信的效果完全寄託於LoRa，其實不然，水表與LoRa或者說水表與無線的組合應該是相輔相成，不應該孤立的看成是兩種組件簡單的組裝。

如下兩圖，兩種常見的水表改造為LoRa遠傳無線表，如果天線設計和匹配良好，兩種效果不會相差太大。

2.使電池長時間待機。在發射功率50mW情況下，LoRa在各個狀態的功耗可由電流得出: 發射85mA，接收10mA，休眠4uA，發射、接收和休眠功耗都是LoRa模塊硬性的功耗支出，這些都是固定的。電池容量一定的情況下，要想省電做到常年運行，就需要降低LoRa的功耗。可見模塊消耗的功耗主要是發射和接收狀態。而廠商的解決方法就是：LoRa模塊在非抄表狀態下進行呼吸工作方式，或稱之為心跳方式，非抄表狀態省電運行，而抄表時能即時響應，以此達到省電的目的。

LoRa呼吸/心跳工作方式:

休眠一段時間-------接收打開搜索喚醒信號--------如有喚醒信號則正常收發進行抄表或發現無喚醒信號則進入休眠

抄表狀態下的功耗無法節省，真正能控制省電的部分就只能是呼吸狀態下的電流消耗，呼吸狀態只產生休眠和接收功耗，顯而易見，控制接收功耗就是關鍵，要做到模塊省電最好的辦法就是盡量縮短接收時間。

3.雙向交互。前面說到了距離和功耗的雙重限制，這時候我們可以在水表和集中器直接加中繼進行接續傳輸，而且需要至少滿足3點：

支持多級中繼，水表數據能通過多級跳方式傳回集中器；

中繼器的成本還要遠低於集中器。

中繼器也是電池供電，不然無線抄表就失去了意義。