基于LORA技术实现MESH组网的LoRaMESH技术在智慧社区的应用

梁竣杰

广州市智慧城市投资运营有限公司，广东 广州 510000

0 引言

在2007年初，上海市组织了无线MESH技术的组网应用实验，一方面，用于了解和掌握4.9GMESH系统的功能原理，验证在高密度城区复杂环境下部署4.9GMESH实验系统的应用性能；另一方面，结合全面的技术测试和验证工作，对4.9GMESH无线通信技术的体制进行准确定位，以此明确技术的应用能力。在现代技术研究创新中，以MESH技术为核心的无线网络有效集成了安全性和客观理性等多项特征，拥有对局部区域安全覆盖能力，这符合智慧社区的建设管理要求。因此，在城市化进程加快和计算机技术进步的背景下，我国要充分运用移动互联网、云计算、物联网等新一代信息技术，为社区居民构建安全舒适、方便有效的智慧化生活环境。本文主要研究基于LORA技术实现MESH组网的技术，其在智慧社区中应用的主要内容。

1 智慧社区及LORA技术MESH组网的运作机制

1.1 智慧社区

简单来讲，智慧社区是指运用新一代信息技术，为社区居民构建具有舒适性、便利性、安全性的现代化生活环境，在建设发展中构成以信息化和智能化为核心的社会管理与服务模式。在人们对社区功能要求越来越高的情况下，只利用计算机网络支撑的智能社区很难满足人们的需求，而物联网和云计算的快速发展为构建智慧型社区提供了有利条件，能真正满足人们对智慧社区提出的各种要求。从2010年到2015年，我国云计算市场和物联网技术的年均复合增长率分别达到了40%和30%，由此结合智慧社区进行优化创新，能在集中处理各项信息资源的同时，增强系统运行的可扩展性和安全性[1]。其中，智慧社区的结构图如图1所示。

图1 智慧社区的结构图

1.2 LORA技术

LORA作为常见的一种扩频调制技术，最早是由法国一家创业公司Cycleo提出的，被称作远距离无线电。在2012年，Semtech收购了这家企业，并将LORA调制技术封装到芯片中，基于LORA技术开发出一整套通信芯片解决方案。在此之后，以LORA技术为核心的产品开始在全国范围内推广，LORA技术逐渐渗透到物联网应用的各个方面。其中，LORA技术的网络结构如图2所示。

图2 LORA技术的网络结构

1.3 MESH组网

无线MESH网络是新时代下新提出的一种无线宽带接入网络，有效利用了无线局域网和AdHoc网络的技术优势，在实践应用中具有覆盖范围更广、运行速率更快、储存容量更多的特征，属于当前网络接入的重要有效手段[2]。同时，MESH网络作为一种独特的网络架构思想，主要在于路由判断选择、多级跳接、自主网、无中心等工作中。结合如图3所示的无线组网技术结构图分析可知，整体系统设计包含以下特征。①自形成。无论是网络节点还是授权用户，都可以进入到网络中，在扩大网络的覆盖范围时，与其他节点有效连接。②自愈性。如果网络内部的设备出现问题，亦或是被拆卸，整体网络系统运行都会直接适应这种变化。在发端到对端寻找全新的路由时，如果两者之间包含多台中继设备，那么也会进行自主优化。③多跳式。无论是网络节点还是用户设备，都可以通过转发运输到对端数据包中，以此准确掌握最佳的路由发送路程。④点对点网络。由于自组织网络是利用平等网元形成的，所以可以让发端和对端直接连接，只要确保两者的距离足够近，那么并不需要中央管理节点。

图3 无线组网的技术结构图

2 LORA技术实现MESH组网分析

2.1 产品形式

基于LORA技术实现MESH组网设计，可以看作是以Semtech为核心的LORA直序扩频通信技术和分布式数据采集的一种物联网解决方案，从实践应用角度来看，这种方案具有多接口、好管理、可扩展、远距离、低消耗等独特优势。整体产品形式分为以下内容。①云端。云端支持数据实时监控、预警反馈、后台数据计算，因此可以为用户定制开发功能丰富的后台数据管理平台。这种方案既能改变以往对传输距离和功能消耗的研究问题，又可以为用户提供一种简单，且具有多项功能的系统，以此扩展传感网络。②网关。LoRaMESH网关可以从节点到云端进行数据传输，并不需要自己搭建服务器，原因在于其拥有4 x 1T1R通道，4 x PA/LNA。一方面网关下属多节点数据会加密传输，另一方面可以灵活运用网关架构，支持不同的通信录网方式，比如说USB、网口、SR485等。同时，网关还支持DNS定位功能，可以实时监控网关所在位置。③节点。LoRaMESH节点可以利用LoRa模块RF-AL42UH，其中内部的ASR6501芯片采用内核32bits 48MHz Cortex-M0+，拥有128KB Flash和16KB SRAM，功耗睡眠最低功耗3.2μA。通常来讲，节点主要支持两种角色，一种是指中继节点，另一种是指终端节点，前者将终端节点的数据传递到网关，以此扩大组网的网络覆盖范围。④传感器。节点网关会在迅速组网之后，构建多层网络拓扑结构，且支持多种传感器[3]。比如说，在智慧社区中部署加载温湿度传感器的节点，可以实时获取有关环境的数据信息，并将其上传到云端，帮助管理人员查询分析。节点加载不同的传感器，可以运用在不同的物联网中。

2.2 组网形式

LoRaMESH网络拓扑结构分为三种形式：①形状网络拓扑结构，主要运用在家用路由器、LoRaWAN、Modbus等方面，既可以有效维护管理，又能重新配置灵活应用，但整体的扩展性较低；②树状网络拓扑结构及MESH网络拓扑结构，整体拓扑结构设计更加简单，寻找故障更快；③MESH网络，整体拓扑结构的节点是相互连通的，实际应用的效率更高，网络的自律性更强。

结合表1的对比结果分析可知，LoRaMESH和LoRaWAN作为两种常见的无线宽带接入网络形式，前者属于星状网络结构，实际连接距离较短，扩展性较低；而后者属于混合网络结构，实际连接距离更远，扩展性更强。

表1 LoRaMES和LoRaWAN的对比结果

而对比分析LoRaMESH和ZigBee可以发现前者作为通信技术中的一种形式，是结合LoRa扩频技术设计超远距离无线传输方案，结合表2的LoRa技术优势分析可知，其主要是在全国免费频段中运行，可以进行数十公里的数据传输，适用场景更加广泛；而后者属于一种近距离的双向无线通信技术，主要在传输效率不高、功能损耗较低、应用距离较短的设备中进行数据传输，ZigBee工作在2.4GHz频段上，传输距离控制在100m到300m之间，因此实际应用存在局限性问题[4]。

表2 LoRa技术的优势分析

2.3 特色功能

（1）硬件。①从中继功能角度来看，LoRaMESH的节点包含普通节点和中继节点两种形式，其会转发普通节点的数据到网关，持续扩大网络技术的覆盖范围。就算是处在网络覆盖范围之外的节点，也可以利用中继节点将其传输到云端中。同时，中继节点还可以为用户定制开发I/O功能的优质服务。②LoRaMESH节点只需要配置好本地网络，就可以在添加入网白名单后，实现自动入网。③LoRaMESH利用混合网络的拓扑结构实现自动重新连接，可以利用多种智能重连机制保障网络运行的稳定性[5]。比如说，在节点和网关连接通信的状态下，如果出现掉线则会自动重新和网关建立连接关系；在节点和中继节点连接通信的状态下，如果出现掉线，那么会自动寻找其他中继节点进行重新连接；在节点和网关连接通信的状态下，如果出现掉线，那么会自动和邻近的中继节点进行重新连接。④LoRaMESH技术支持本地管理，本地可以设置网络的通信方式，获取发送频段。同时，还可以对网络节点的白名单进行有效管理，提高网络技术运行的安全性。

（2）云服务。①LoRaMESH云端可以开放接口。LoRaMESH技术可以为客户云端提供API接口，通过二次开发直接连接到客户的服务器，将数据储存处理等直接交给客户操作，以此满足他们的个性化和安全性要求。②分布式多网关。LoRaMESH技术可以利用分布式网关，在一定范围内设置一个网关采集范围内的节点数据，多个网关采集数据上扩大数据采集的覆盖范围，要比传统意义上的LoRaWAN网络覆盖范围更广，采集的节点数量更多。③云透传。LoRaMESH技术方案是从节点到网关再到云端，可以一键将收集到的数据透明传输到云端，云端会将数据传输到管理平台，而管理平台下发的指令会通过完整的LoRaMESH网络透明传输到节点[6]。透明的数据传输方式可以帮助客户有效开发调试，缩短技术研发周期。

3 LoRaMESH技术在智慧社区中的应用分析

3.1 智能安全防护

（1）云监控。监控前端设备实现统一管理，系统用户可以在手机、iPad等移动客户端有效查看。比如说，系统会直接对接公安综治平台；会利用AI识别分析观察人员聚集、违规停车等现象；会对高中低层进行视频全面覆盖监管；会对智慧社区内部的陌生人轨迹进行追踪调查，如果在识别分析中发现异常情况，会将相关图像信息提供给物业管理人员；会预警储存电动车进入电梯的具体行为，根据电梯内部的智能分析摄像机，在检测到电动车物体时，会直接与本地声光报警器联动，向乘坐电梯人员和物业管理人员提出警告。

（2）云停车管理。定向应用是指对进出智慧社区的机动车进行管理，并将其上传到街道中心管理平台。具体内容涉及以下几点。①云门禁和云对讲。这种智能安全防护技术设计，可以直接通过公众号或是APP向小区业主提出呼叫，会在小区入口区域安装人脸识别的闸机，以此快速掌握无卡通行的人脸信息。②智能电梯控制系统。为了科学管理电梯的停运功能，当前小区物业管理提出利用电梯卡、蓝牙、人脸识别等方式乘坐电梯，只有小区业主被授权之后才能安全乘坐电梯。这种设计方式既可以有效预防外来人员随意进出小区，又能从基础上保障社区内部的安全性。③智能井盖管理系统。根据以往社区建设管理经验显示，由井盖造成的安全风险非常高。因此，当前智慧社区加大了井盖的管控力度。通常情况下，在井盖直径超过800mm时，就需要对社区内部的井盖进行全面监控，主要判断其是否丢失或开启，并将有关信息提供给物业管理人员，要求部门员工严格按照规定要求进行日常维护。④智能电气火灾的监控系统。智慧社区的管理人员要重点监管电器线路和用电设备，这样既可以快速掌握线路设备的应用状态，又能有效规避常见的安全事故，以此从基础上提高社区内部住户的生活质量。⑤探测可燃气体设备装置。这项内容通常会安装在燃气管道或厨房周边，需要结合燃气种类的密度科学调整探头位置，以此确保居民在日常生活中得到有效保护[7]。

3.2 社区居家养老

从智慧社区的居家养老情况来看，在智能化设计中，要根据老年群体的生活状态和健康需求入手，做好以下工作。①计量分析用水数据，可以准确判断老年群体是否处在正常生活状态下；②安装紧急救助设备，能帮助老年群体在遇到突发状况或问题时，快速求助专业人员或子女；③重视电气火灾的监控系统，可以在减少生活安全隐患的基础上，向管理人员或子女提出求助；④全面探测建筑内部的可燃气体，能避免引发更大的安全事故；⑤火灾预防和探测系统具有相同作用，可以直接向管理人员或子女提出预警信息；⑥监测老年群体的健康参数，其中包含心率、睡眠状态、血压、血氧、血糖等内容[8]。

3.3 物业管理服务

从智慧社区建设角度来看，运用LoRaMESH技术实现物业管理服务涉及以下几点。①供配电。主要是监测环境参数、全电量参数、变压器的运行状态。②给排水。主要是监测渗水、生活水泵压力、生活水，池水位等内容。③消防监测。主要监测消防末端管道压力、消防水池水量、消防通道占道情况等内容。④电梯检测。一方面要坚持电梯的实时运行状况，在发生故障时要及时报警，保障业主人员的生命安全；另一方面要监测分析历史数据，准确预测判断电梯保养时间和检查故障，以此做好有效排查和安全防护工作。

4 结语

综上所述，智慧社区作为新时代下信息通信技术在城市建设发展中的应用成果，利用LoRaMESH技术实现多项功能，既可以满足人们的生活和工作需求，又可以在多种异构网络融合和区域网络覆盖中，解决更多技术问题。