LoRa 技术在低功耗智能抄表系统中的应用研究*

廖志远，杨顺韬

（广西交通职业技术学院，广西南宁 530023）

0 引言

计算机网络技术从服务“人-人、人-物、物-物”的互联历经了几十年的发展，无线技术的不断突破更新将信息互联带入了万物互联、万物智联的物联网（LOT）时代。在2019 年世界物联网大会上，世界物联网大会主席何绪明表示物联网的发展不仅推动了数字经济智能化、社会发展的进步，还促进了社会变革和产能转型，并预计到2025 年全球物联网市场体量将达到30 万亿美元。[1]无线通信技术是物联网的传输基础，随着智慧交通、智慧城市、智慧水务、智能电网等大应用成为物联网发展的战略高地，传统的GPRS、4G 等面向移动互联网络接入以及Wi-Fi、ZigBee 等短距离传输技术已经无法满足应用需求，因此以LoRa、Sigfox 和NB-IoT 为代表的LPWAN(Low Power Wide Area Network）低功耗广域网技术顺势而生，并在物联网技术应用领域中大放异彩。[2]

1 中长距无线传输技术横向对比分析

LPWAN 真正实现了大范围覆盖区域物联网低成本、长距离全覆盖，是对目前蜂窝通信网络的重要技术补充，同时也解决了物联网末端的通讯连接问题，成为物联网应用和智慧互联的重要基础支撑技术。如表1 所示，LPWAN 低功耗广域网技术中的Sigfox、LTE-M 和NB-IoT 组网技术依赖于ISP 运营商的通信网络，而LoRa 组网是用户可以根据用网需求灵活建网，不用依赖于ISP 运营商的网络接入基础设施平台，可以做到一次性投入、按需拓展、简易维护。LoRa 技术在LPWAN 中目前是发展较为迅速且相对成熟的技术，其可达20 km 的传输距离以及其较低的节点功耗与续航能力是非常适合低投资和维护成本，且有个性化需求的物联网项目建设的。

表1 中长距无线传输技术横向对比分析表

2 LoRa 技术的优势

LoRa 技术由Semtech 公司于2013 年正式发布，并于2015 年联合了多国电信运营商与系统集成商等生态链企业组建了LoRa 联盟，针对能源、交通、制造、工商、农业等诸多产业领域的垂直行业提供解决方案与技术服务，目前已在70 多个国家进行建网和开放试点。LoRa 技术之所以能够得到行业领域的高度认可,是因其具备有如下技术优势：

（1）灵活部署。LoRa 可以根据应用领域、应用场景以及应用环境进行有针对性的灵活规划与网络部署，根据现场环境布放LoRa 基站与网关设备，并结合用户用网需求设计可视化后台数据采集、分析系统，同时可针对数据进行加密，能够有效提高系统的可用性与安全可靠性。

（2）轻量级。相比于其他LPWAN 技术，由于不用依赖于ISP 运营商的基础网络设施平台与入网门槛，LoRa 的系统结构复杂度更低，网络硬件平台部署实施简单，软件系统更容易实现，轻量级的系统架构对资源要求较低，更容易改善盲区网络覆盖质量的同时还可以降低功耗。

（3）低成本。LoRa 联盟通过整合技术生态环境与生产资源，大幅度降低了LoRa 系统节点功能模块与LoRa 网关的供应价格，整套系统部署的资金投入是符合绝大数用户可接收范围的，LoRa 月租可达eMTC 月租的1/5 至1/10 甚至更低，再加上系统一次性投入、灵活拓展、简易维护与百万数量级节点接入的特性能够有效控制生产运营的成本。

3 LoRa 技术的特性

3.1 线性调频扩频

根据公式（1）香农公式所示：

在确定信道容量C的数值时，信号带宽W与信道输出信噪比S/N是互逆的，通过降低信噪比可以增加信号带宽。loRa 利用较宽的信道带宽来换取较低的信道输出信噪比，甚至允许信号功率接近或淹没在噪声之下也能让信号接收机能够正确地还原信号，这就是扩频通信的基本思想与理论依据。[3]

基于扩频技术，Semtech 公司发明了一种线性调制扩频（CSS）技术，采用了恒包络的线性调频扩频通信调制机制在芯片发射的信号时域上进行信号调制，也称为Chrip 信号。Chrip 信号因其在调制解调时绝大多数的参数完全一致，使得信号接收端的设计更简单，这就可以让低功率下的信号可以具有较强的抗干扰能力。[4]

3.2 终端唤醒机制

LoRa 通信协议是LoRaWAN 协议栈下的子集，而LoRaWAN 是一种基于ALOHA 的异步协议，[5]其特点就是可以让终端节点可以按需激活唤醒，非必要时可以进入睡眠工作模式，从而避免了终端节点因长期活跃占用信道带宽、损耗系统功耗且降低使用寿命的问题。同时，配合使用时分复用技术划分若干时隙，可支持不同时段下准确传输不同数据而互不干扰，让LoRa 可以根据实际的应用场景与数据采集需求灵活设置多种在线工作模式。

（1）节点主动上报工作模式。终端节点模块可设定为定时上报和预警上报两种工作模式，在多节点传输过程中，可以通过系统后台认为或自动地为每个节点设置参数与传输时间坐标，所有节点会根据对应时间与LoRa 网关进行有序传输，从而可以减少终端节点在上传数据时产生拥塞与干扰，提升效率与准确性。

（2）轮询唤醒工作模式。通过系统后台设置为轮询唤醒工作模式时，LoRa 网关会通过Modbus 指令依次激活、轮询各个终端节点，终端节点激活并完成数据的上/下行发送后自行进入睡眠模式，同样可以避免拥塞、干扰与大幅减少网络数据流量，但能耗增加。

（3）服务器下发工作模式。采用LoRa 集中器的中间层直接与终端节点实时进行数据传输，在中间层统一采集数据后通过LoRa 网关传输至系统后台，适用于大规模数据传输且无须考虑功耗控制的应用领域。

4 基于LoRa 的智能抄表系统应用设计

在水力、电力、燃气以及数据监测等生产生活需求方面，因其涉及的用户群体十分庞大且在地域上较为分散，针对不同用户的终端用量数据进行采集、计算、缴费以及辅助决策分析是一项非常庞大和繁复的工作，而传统的人工抄表、半自动化抄表不仅效率低下、用人成本高还经常存在错漏的情况，虽然后期出现的有线嵌入式抄表系统在一定程度上解决部分问题，但其复杂高昂的布线施工、系统功耗与维护成本在复杂环境中难以推广使用。所以，一种低成本、低功耗、简易部署、性能稳定可靠的无线智能抄表系统是解决目前传统人工抄表存在的效率、准确率低下且成本高昂的有效途径。[6]

通过上文对几种目前较成熟的LPWAN 技术的对比以及对LoRa 技术的分析，结合水、电、燃气等应用较为广泛的抄表系统应用场景与系统功能需求，笔者提出了如图1 所示的智能抄表系统设计方案。

如图1 所示，系统按功能层次共划分为5 个部分，总体采用星型架构进行组网设计，使用Lo⁃RaWAN 通信协议和TCP/IP 协议进行数据封装与传输。终端节点的用户设备通过加装LoRa 通讯模组利用LoRa 无线信号将终端数据传输至LoRa 网关，网关作为信号中继设备，一方面可以通过LAN 有线或无线局域网将数据统一标识、封装、加密后发送到应用中心的接收端，另一方面也可以通过ISP 运营商提供的WAN 广域网将数据上传至云平台，而后通过应用中心的软硬件平台进行数据相关处理。值得一提的是整个过程终端节点不与特定网关关联，其上传的数据通常由多个网关接收，上传至应用中心服务器的重复数据会被服务器过滤，对其进行数据安全性、完整性的检查与纠错，提升数据的准确率与安全可靠性。

图1 智能抄表系统架构图

水、电、燃气抄表系统在实际应用中对数据的采集频率其实并不频繁，几乎是一月一抄，对系统的功耗要求很低。针对这一应用特点，系统采用如图2 所示的定时唤醒与主动上报的工作模式，即LoRa 网关以月份为时间周期、以24 小时划分时间间隙对终端设备下发激活码，将终端设备唤醒后上报终端采集的实时数据，或当设备终端采集的数据出现异常（超出系统设置阈值）时将自我唤醒并主动上报异常数据。如此，终端节点长期处于休眠状态的工作模式就能大大降低系统的运行功耗，同时也能提高终端节点的使用寿命。

图2 LoRa 主动上报工作模式示意图

在该系统架构中，终端节点的数量都是以万作为单位的，大量的LoRa 通信模组与网关在通信过程中会受到各种干扰信号和多径衰落效应的影响，Lo⁃Ra 技术在信道编码的差错控制中采用了前向纠错（FEC）技术，以降低数据的误码率从而提高长距离通信的可靠性。而在数据的安全保密方面，LoRa 技术规范为不同的应用场景定义了三种不同的数据接收窗口模式，并且支持终端节点与网关使用AES-128 加密密钥对数据进行加密，以确保信道安全。

5 结语

本文通过介绍LoRa 技术的优势及其物理特性，结合低功耗智能抄表系统的应用场景与用户需求，提出了一套系统构建与信号采集、传递、处理的设计方案构想，为后续的研究与系统实现提供研究思路与实施策略。LoRa 技术未来将会广泛应用在工业物联网、农业物联网、智能抄表应用、基础设施监测、环境监测等领域，但同时LoRa 技术采用的是开放频段，尽管自身具有较强的抗干扰与规避干扰的能力，但在密集部署的场景下也很难完全避免物理干扰。因此，LoRa 技术在较长的一段时间中需要做到去碎片化、更轻量化、更低成本的同时也应统一规划建设LPWAN 广域网网络，从通信频谱的分配和管理提出一个统一协调管理的机制，使其在社会经济发展上更加具备推广应用价值。