能源計(jì)量領(lǐng)域的一匹黑馬——LoRa

電能表在世界上的出現(xiàn)和發(fā)展已有一百多年的歷史，最早的電能表是1881年根據(jù)電解原理制成的，盡管這種電能表每只重達(dá)幾十公斤，十分笨重，又無(wú)精度的保證，但是，當(dāng)時(shí)仍然被作為科技界的一項(xiàng)重大發(fā)明受到人們的重視和贊揚(yáng)。

以往抄表是由抄表員逐一上門(mén)讀取用戶(hù)當(dāng)前水表、氣表、電表的顯示數(shù)，記錄在抄表簿上，帶回?cái)?shù)據(jù)中心進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、匯總、計(jì)費(fèi)等處理，效率很低，容易出錯(cuò)，傳統(tǒng)抄表收費(fèi)模式的弊端逐漸成為能源計(jì)量公司提高管理水平的障礙。

2000年開(kāi)始，我國(guó)開(kāi)始大力發(fā)展智能電能表，現(xiàn)在的電表都是手持式抄表機(jī)，具有較強(qiáng)的運(yùn)算和儲(chǔ)存能力。抄表員抄表后，抄表機(jī)直接將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)中心上，服務(wù)器復(fù)核數(shù)據(jù)后，由抄表機(jī)直接開(kāi)賬、打印賬單或各類(lèi)工作單，工作效率大大提高。

但是這樣也需要人工現(xiàn)場(chǎng)讀表，打印費(fèi)用單，對(duì)人工成本要求并未降低。但近幾年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的無(wú)線技術(shù)有多種，可組成局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)。低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)發(fā)展如火如荼，其中LoRa技術(shù)在其中占據(jù)了重要的地位，LoRa最大的優(yōu)勢(shì)就是低功耗，易組網(wǎng)，成本低，傳輸距離遠(yuǎn)等等。而且LoRa非常適合大規(guī)模部署，比如在智慧城市中的市政設(shè)施檢測(cè)或者無(wú)線抄表等應(yīng)用領(lǐng)域，可大大減少人工作業(yè)和施工布線成本。LoRa無(wú)疑是智慧計(jì)量領(lǐng)域的一匹黑馬，下面就讓我們來(lái)了解下LoRa技術(shù)能給能源計(jì)量領(lǐng)域帶來(lái)啥?

LoRa：接收靈敏度秒殺業(yè)界芯片

2013年8月，Semtech公司向業(yè)界發(fā)布了一種新型的基于1GHz以下的超長(zhǎng)距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)(Long Range，簡(jiǎn)稱(chēng)LoRa)的芯片。它的接收靈敏度竟然達(dá)到了—148dbm,瞬間秒殺業(yè)界其他先進(jìn)水平的sub-GHz芯片，改善了20db以上的接收靈敏度，大大確保了網(wǎng)絡(luò)連接可靠性。

LoRa技術(shù)特點(diǎn)

它使用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，既保持了像FSK(頻移鍵控)調(diào)制相同的低功耗特性，又明顯地增加了通信距離，同時(shí)提高了網(wǎng)絡(luò)效率并消除了干擾，即使不同擴(kuò)頻序列的終端即使使用相同的頻率同時(shí)發(fā)送也不會(huì)相互干擾，并且在此基礎(chǔ)上研發(fā)的集中器/網(wǎng)關(guān)(Concentrator/Gateway)能夠并行接收并處理多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，大大擴(kuò)展了系統(tǒng)容量。

因?yàn)槠淇梢詫?shí)現(xiàn)長(zhǎng)通信距離和干擾的魯棒性，線性擴(kuò)頻已在軍事和空間通信領(lǐng)域使用了數(shù)十年，隨著LoRa的引入，使得嵌入式無(wú)線通信領(lǐng)域的局面發(fā)生了翻天覆地的變化，打破了遠(yuǎn)距離和低功耗兩者之間“魚(yú)與熊掌不可兼得”的境地。當(dāng)采用LPWAN技術(shù)之后，設(shè)計(jì)人員可做到兩者都兼顧，最大程度地實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離通信與更低功耗，同時(shí)還可節(jié)省額外的中繼器成本。

LoRa主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行(即非授權(quán)頻段)，包括433、868、915 MHz等。LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由終端(內(nèi)置LoRa模塊)、網(wǎng)關(guān)(或稱(chēng)基站)、服務(wù)器和云四部分組成，基站和終端之間采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌捎贚oRa的長(zhǎng)距離特性，它們之間得以使用單跳傳輸?；緞t對(duì)NS和終端之間的LoRaWAN協(xié)議數(shù)據(jù)做轉(zhuǎn)發(fā)處理，將LoRaWAN數(shù)據(jù)分別承載在了LoRa射頻傳輸和Tcp/IP上，應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。如圖所示：

LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

據(jù)官方聲明，2017年LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò)部署情況：34個(gè)公開(kāi)聲明部署的網(wǎng)絡(luò)，至少150個(gè)在進(jìn)行的城市試點(diǎn)部署。如美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、澳大利亞、印度等等國(guó)家，荷蘭、瑞士、韓國(guó)等更是部署或計(jì)劃部署覆蓋全國(guó)的LoRa網(wǎng)絡(luò)。雞脖子那邊有一點(diǎn)白，可能是主體主義思想的光輝太耀眼了。

LoRa多重優(yōu)勢(shì)便于應(yīng)用智慧家居

LoRa的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1) 大大的改善了接收的靈敏度，降低了功耗

高達(dá)157db的鏈路預(yù)算使其通信距離可達(dá)15公里(與環(huán)境有關(guān))。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) 基于該技術(shù)的網(wǎng)關(guān)/集中器支持多信道多數(shù)據(jù)速率的并行處理，系統(tǒng)容量大。

如圖2所示，網(wǎng)關(guān)是節(jié)點(diǎn)與IP網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁(通過(guò)2G/3G/4G或者Ethernet)。每個(gè)網(wǎng)關(guān)每天可以處理500萬(wàn)次各節(jié)點(diǎn)之間的通信(假設(shè)每次發(fā)送10Bytes，網(wǎng)絡(luò)占用率10%)。如果把網(wǎng)關(guān)安裝在現(xiàn)有移動(dòng)通信基站的位置，發(fā)射功率20dBm(100mW)，那么在建筑密集的城市環(huán)境可以覆蓋2公里左右，而在密度較低的郊區(qū)，覆蓋范圍可達(dá)10公里。

3) 基于終端和集中器/網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)可以支持測(cè)距和定位。

LoRa對(duì)距離的測(cè)量是基于信號(hào)的空中傳輸時(shí)間而非傳統(tǒng)的RSSI(Received Signal Sterngth Ind-ication)，而定位則基于多點(diǎn)(網(wǎng)關(guān))對(duì)一點(diǎn)(節(jié)點(diǎn))的空中傳輸時(shí)間差的測(cè)量。其定位精度可達(dá)5m(假設(shè)10km的范圍)。

LoRa關(guān)鍵特性和優(yōu)勢(shì)

這些關(guān)鍵特征使得 LoRa技術(shù)非常適用于要求功耗低、距離遠(yuǎn)、大量連接以及定位跟蹤等的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如智能抄表、智能停車(chē)、車(chē)輛追蹤、寵物跟蹤、智慧農(nóng)業(yè)、智慧工業(yè)、智慧城市、智慧社區(qū)等等應(yīng)用和領(lǐng)域。

LoRa：應(yīng)用于無(wú)線抄表

對(duì)于NB-IoT，LoRa是當(dāng)前最成熟、穩(wěn)定的窄帶物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，其自由組網(wǎng)的私有網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)優(yōu)于運(yùn)營(yíng)商持續(xù)不斷收費(fèi)的NB網(wǎng)絡(luò)，且LoRa一次組網(wǎng)終身不需繳費(fèi)。但是應(yīng)用LoRa進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)通訊開(kāi)發(fā)難度大、周期長(zhǎng)、進(jìn)入門(mén)檻高。

以水表無(wú)線抄表來(lái)說(shuō)，無(wú)線抄表的核心需求：

1.可抄到。LoRa比傳統(tǒng)的FSK、GFSK傳輸距離更遠(yuǎn)，安裝在水表中的確距離和穿透力有了提升，但依然和實(shí)際需求有差距，特別是小區(qū)環(huán)境，所有水表到集中器肯定無(wú)法都進(jìn)行直接傳輸，完全做不到一級(jí)就到，1個(gè)集中器肯定無(wú)法覆蓋所有的水表，多數(shù)希望做無(wú)線水表的廠家還是表本位的思路(其它產(chǎn)品亦適用)，認(rèn)為L(zhǎng)oRa或者無(wú)線只是無(wú)線水表的簡(jiǎn)單附屬品，很多廠家將實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信的效果完全寄托于LoRa，其實(shí)不然，水表與LoRa或者說(shuō)水表與無(wú)線的組合應(yīng)該是相輔相成，不應(yīng)該孤立的看成是兩種組件簡(jiǎn)單的組裝。

如下兩圖，兩種常見(jiàn)的水表改造為L(zhǎng)oRa遠(yuǎn)傳無(wú)線表，如果天線設(shè)計(jì)和匹配良好，兩種效果不會(huì)相差太大。

2.使電池長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)。在發(fā)射功率50mW情況下，LoRa在各個(gè)狀態(tài)的功耗可由電流得出: 發(fā)射85mA，接收10mA，休眠4uA，發(fā)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(yùn)行，就需要降低LoRa的功耗?？梢?jiàn)模塊消耗的功耗主要是發(fā)射和接收狀態(tài)。而廠商的解決方法就是：LoRa模塊在非抄表狀態(tài)下進(jìn)行呼吸工作方式，或稱(chēng)之為心跳方式，非抄表狀態(tài)省電運(yùn)行，而抄表時(shí)能即時(shí)響應(yīng)，以此達(dá)到省電的目的。

LoRa呼吸/心跳工作方式：

休眠一段時(shí)間-------接收打開(kāi)搜索喚醒信號(hào)--------如有喚醒信號(hào)則正常收發(fā)進(jìn)行抄表或發(fā)現(xiàn)無(wú)喚醒信號(hào)則進(jìn)入休眠

抄表狀態(tài)下的功耗無(wú)法節(jié)省，真正能控制省電的部分就只能是呼吸狀態(tài)下的電流消耗，呼吸狀態(tài)只產(chǎn)生休眠和接收功耗，顯而易見(jiàn)，控制接收功耗就是關(guān)鍵，要做到模塊省電最好的辦法就是盡量縮短接收時(shí)間。

3.雙向交互。前面說(shuō)到了距離和功耗的雙重限制，這時(shí)候我們可以在水表和集中器直接加中繼進(jìn)行接續(xù)傳輸，而且需要至少滿(mǎn)足3點(diǎn)：

①　支持多級(jí)中繼，水表數(shù)據(jù)能通過(guò)多級(jí)跳方式傳回集中器;

②　中繼器的成本還要遠(yuǎn)低于集中器。

③　中繼器也是電池供電，不然無(wú)線抄表就失去了意義。

理想狀態(tài)下，每個(gè)水表既做表又做中繼是最佳方案，那么整個(gè)方案就無(wú)需額外增加中繼器。

小結(jié)：

最理想狀態(tài)當(dāng)然是：水表全覆蓋，路徑自動(dòng)選，成本絕對(duì)低，后期免維護(hù);說(shuō)到這大家應(yīng)該都明白了，各家做LoRa的實(shí)力對(duì)比就在此，LoRa大家都能用，真正拼的恰恰是LoRa以外的東西。