陳卓逸

（華中師范大學(xué)第一附屬中學(xué)朝陽(yáng)學(xué)校,北京 100025）

0 引言

WSN的發(fā)展催生了一系列工業(yè)，科學(xué)，交通，城市基礎(chǔ)設(shè)施和安全等方面的潛在應(yīng)用。WSN將傳感技術(shù)，計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)集成到一個(gè)單獨(dú)的微設(shè)備上，稱之為感知節(jié)點(diǎn)。典型的WSN由大量的具有處理能力，感知能力，電源，存儲(chǔ)能力和射頻技術(shù)的感知設(shè)備組成。這些大量的傳感器應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的各個(gè)領(lǐng)域，監(jiān)視著物理或環(huán)境條件的變化，產(chǎn)生相應(yīng)的感知信息，并且對(duì)這些信息做出進(jìn)一步的處理。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)整個(gè)產(chǎn)業(yè)正逐漸朝著LPWAN方向演進(jìn)。LPWAN相關(guān)技術(shù)可以很好地處理從幾公里到十幾公里廣域范圍內(nèi)的低速率，低功耗和低流量的連接問(wèn)題。LPWAN是智慧城市建設(shè)最有潛力的技術(shù)，比如智能測(cè)量，智能停車，最優(yōu)路徑選擇，核能輻射測(cè)量，自適應(yīng)街燈，智能垃圾管理，建康檢測(cè)，空氣污染檢測(cè)，廢水泄露檢測(cè)，森林防火檢測(cè)等等。

1 WSN幾種常用技術(shù)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由許多分散的無(wú)線節(jié)點(diǎn)組成，相互通信更容易受到不同的影響，比如無(wú)線傳輸效應(yīng)，網(wǎng)絡(luò)干擾和熱噪聲等。同時(shí)由于無(wú)線頻譜資源緊張，在一個(gè)較大的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)里很難有無(wú)干擾的通信。這些干擾都會(huì)引起通信網(wǎng)絡(luò)的性能下降。本文針對(duì)LPWAN技術(shù)用到的相關(guān)技術(shù)，比如Bluetooth,ZigBee，WiFi等進(jìn)行了簡(jiǎn)單的分析。重點(diǎn)描述了LoRa(Long Range)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)結(jié)合智能城市建設(shè)，提出了幾種應(yīng)用場(chǎng)景。表1是這幾種技術(shù)的主要特性比較。

表1 通信協(xié)議比較

1.1 Bluetooth

Bluetooth是無(wú)線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)通信協(xié)議，工作頻段2.4GHz,容易受到干擾，使用跳頻擴(kuò)展技術(shù)(FHSS)，最大傳輸速率1Mb/s。Bluetooth會(huì)話可以同時(shí)連接八個(gè)節(jié)點(diǎn)，采用主從方式，傳輸距離與能量損耗緊密相關(guān)，主要用來(lái)傳輸多媒體和文本信息。Bluetooth的擴(kuò)展協(xié)議用于處理低速數(shù)據(jù)處理，因此具有更長(zhǎng)的電池使用壽命。Bluetooth技術(shù)的挑戰(zhàn)主要是兩個(gè)方面：1.標(biāo)準(zhǔn)，不同廠家藍(lán)牙芯片要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，測(cè)試和認(rèn)證復(fù)雜，落后于市場(chǎng)需求。2.價(jià)格，藍(lán)牙芯片組的價(jià)格高，普及難度增大。

1.2 ZigBee

Zigbee在低速無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（LR-WPAN）的應(yīng)用中最普遍，工作頻段2.4GHz,使用直序擴(kuò)頻技術(shù)(DSSS)，最大傳輸速率250Kb/s，支持星型或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的拓?fù)?，可以連接65000個(gè)節(jié)點(diǎn)。Zigbee的最大特點(diǎn)是可自組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)最大可達(dá)65000個(gè)。但是ZigBee也有缺點(diǎn)，首先是價(jià)格相對(duì)昂貴，其次協(xié)議棧帶寬的開(kāi)銷對(duì)信道帶寬要求更高，反過(guò)來(lái)會(huì)影響通信距離和環(huán)境適應(yīng)性，在實(shí)際應(yīng)用中只好提高發(fā)射功率，這又與ZigBee的低功耗優(yōu)點(diǎn)相矛盾。

1.3 WiFi

盡管bluetooth和ZigBee是低功耗和低復(fù)雜度的無(wú)線感知技術(shù),但是他們也有限制，比如低數(shù)據(jù)速率，短距離和穿透性弱。WiFi是無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)技術(shù)，基于WSN的WiFi可以是以網(wǎng)絡(luò)為中心或以數(shù)據(jù)為中心，組成許多低功耗的節(jié)點(diǎn)分布在廣泛的區(qū)域。提供11-54Mb/s的傳輸速率，覆蓋范圍100m。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量取決與IP地址的多少。WiFi是目前應(yīng)用最廣泛的無(wú)線通信技術(shù)，傳輸距離在100-300M，速率可達(dá)300Mbps，功耗10-50mA。

這3種無(wú)線技術(shù)，從傳輸距離來(lái)說(shuō)，是WiFi＞ZigBee＞藍(lán)牙;從功耗來(lái)說(shuō)，是WiFi＞藍(lán)牙＞ZigBee，后兩者僅靠電池供電即可；從傳輸速率來(lái)講，是WiFi＞藍(lán)牙＞ZigBee。

目前來(lái)說(shuō)，WiFi的優(yōu)勢(shì)是應(yīng)用廣泛，已經(jīng)普及到千家萬(wàn)戶；ZigBee的優(yōu)勢(shì)是低功耗和自組網(wǎng)；藍(lán)牙的優(yōu)勢(shì)組網(wǎng)簡(jiǎn)單。然而，這3種技術(shù)，也都有各自的不足，沒(méi)有一種技術(shù)能完全滿足智能城市的全部要求。

2 LoRa技術(shù)

LPWAN在通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛。半導(dǎo)體Semtech公司利用高級(jí)擴(kuò)頻技術(shù)，提出了一種低功率，長(zhǎng)距離的LoRa技術(shù)。與傳統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)比較，LoRa里用到的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)針對(duì)網(wǎng)絡(luò)干擾的影響只要增加很少的鏈路開(kāi)銷。LoRa使用125kHz或以上的帶寬來(lái)廣播信號(hào)，使得其更容易受到信道噪聲，相對(duì)頻率，多普勒效應(yīng)和信號(hào)衰落的影響。但是通過(guò)寬帶將窄帶信號(hào)進(jìn)行擴(kuò)頻，可以在低效的頻譜使用情況下增加系統(tǒng)容量。

發(fā)射裝置通過(guò)改變相鄰的連續(xù)符號(hào)間的頻率并且保持相位不變，生成一種Chrip信號(hào)。這種信號(hào)和噪聲很像，容易受到多徑衰落和多普勒頻移，干擾和擁塞，并且很難被竊聽(tīng)解碼。接收裝置可以解碼，甚至在信號(hào)衰減到低于噪聲水平19.5dB的情況。Chrip信號(hào)也屬于DSSS的范疇，一個(gè)Chrip信號(hào)傳輸1bit信息。如果要提高數(shù)據(jù)速率就需要較寬的信號(hào)帶寬。

LoRa技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如圖1 LoRa的擴(kuò)頻調(diào)制方案和傳輸數(shù)據(jù)速率與靈敏度的關(guān)系。

由圖1可以得到：

（1）實(shí)際使用中LoRa技術(shù)的系統(tǒng)容量更接近香濃理論極限。（2）突破了傳統(tǒng)窄帶系統(tǒng)FSK的使用下限。

由圖2 LoRa擴(kuò)頻調(diào)制信號(hào)功率譜，可以看出LoRa的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

（1）在噪聲基底水平下可以解調(diào)信號(hào);（2）靈敏度高于FSK;（3）抗干擾，噪聲和擁塞；（4）擴(kuò)頻因子不同可以同時(shí)使用一個(gè)信道。

同時(shí)LoRa與DSSS也有不同：

（1）相比于其他系統(tǒng)(CDMA,WIFI…) LoRa是專為低數(shù)據(jù)速率設(shè)計(jì)的;（2）LoRa使用較高的擴(kuò)頻因子以獲得較高的增益，非常適合低功耗操作;（3）LoRa對(duì)頻率偏移不敏感，其他系統(tǒng)對(duì)晶振要求很高。

3 LoRa在智慧城市中的應(yīng)用場(chǎng)景

（1）智慧停車。車位狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)；信息透明，杜絕城市停車管理混亂。

（2）智能井蓋。實(shí)時(shí)監(jiān)控城市井蓋位置信息對(duì)于井蓋異常丟失，異常開(kāi)啟，破損等狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)傳輸用于數(shù)據(jù)分析和預(yù)警。

（3）路燈檢測(cè)。遠(yuǎn)距離路燈控制，故障，線路檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)照明，節(jié)省管理。

（4）物流追蹤。追蹤或者定位市場(chǎng)的一個(gè)重要的需求就是終端的電池使用壽命。物流追蹤可以作為混合型不熟的實(shí)際案例。物流企業(yè)可以根據(jù)定位的需要在相關(guān)場(chǎng)所布網(wǎng)，可以是倉(cāng)庫(kù)或者運(yùn)輸車輛上，便攜式的基站(LoRa網(wǎng)關(guān))便派上了用場(chǎng)，而LPWAN網(wǎng)絡(luò)使用網(wǎng)關(guān)/集中器擴(kuò)展系統(tǒng)容量，基礎(chǔ)設(shè)施容易建設(shè)和部署。

（5）智能工業(yè)。工廠機(jī)器的運(yùn)行需要實(shí)時(shí)的監(jiān)控，不僅可以保證生產(chǎn)效率而且通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控可以提高人工效率。在工廠的自動(dòng)化制造和生產(chǎn)中，有許多不同類型的傳感器和設(shè)備。一些場(chǎng)景需要低成本的傳感器配以低功耗和長(zhǎng)壽命的電池來(lái)追蹤設(shè)備，監(jiān)控狀態(tài)。

（6）智慧農(nóng)業(yè)。對(duì)農(nóng)業(yè)來(lái)說(shuō)，低功耗低成本的傳感器是迫切需要的。溫濕度，二氧化碳，鹽堿度等傳感器的應(yīng)用對(duì)于農(nóng)業(yè)提高產(chǎn)量，減少水資源的消耗等有重要的意義，這些傳感器需要定期地上傳數(shù)據(jù)，而且很多偏遠(yuǎn)的農(nóng)場(chǎng)或者耕地并沒(méi)有覆蓋蜂窩網(wǎng)，更不用說(shuō)4G/LTE了，而LoRa十分適用于這樣的場(chǎng)景。

（7）共享行業(yè)。以共享單車為例，給城市出行和減少排放提供解決方案。共享單車的解鎖技術(shù)目前用的是GSM網(wǎng)，成本高，能耗高。為了降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，可以在相關(guān)環(huán)境組建LPWAN網(wǎng)絡(luò)，LoRa技術(shù)可以很好地解決成本和能耗問(wèn)題。ofo單車已經(jīng)采用Semtech公司的LoRa芯片來(lái)擴(kuò)大單車的跟蹤范圍。

4 結(jié)論

不同的LPWAN技術(shù)之間競(jìng)爭(zhēng)激烈，本文主要介紹了一種最有潛力的LPWAN技術(shù)——LoRa，通過(guò)幾種技術(shù)特性的比較分析和智能城市使用場(chǎng)景，可以看出來(lái)LoRa在未來(lái)的發(fā)展布局速度會(huì)越來(lái)越快，覆蓋的范圍和應(yīng)用場(chǎng)景也越來(lái)越豐富。

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