梁竣杰

廣州市智慧城市投資運營有限公司，廣東 廣州 510000

0 引言

在2007年初，上海市組織了無線MESH技術的組網(wǎng)應用實驗，一方面，用于了解和掌握4.9GMESH系統(tǒng)的功能原理，驗證在高密度城區(qū)復雜環(huán)境下部署4.9GMESH實驗系統(tǒng)的應用性能；另一方面，結合全面的技術測試和驗證工作，對4.9GMESH無線通信技術的體制進行準確定位，以此明確技術的應用能力。在現(xiàn)代技術研究創(chuàng)新中，以MESH技術為核心的無線網(wǎng)絡有效集成了安全性和客觀理性等多項特征，擁有對局部區(qū)域安全覆蓋能力，這符合智慧社區(qū)的建設管理要求。因此，在城市化進程加快和計算機技術進步的背景下，我國要充分運用移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術，為社區(qū)居民構建安全舒適、方便有效的智慧化生活環(huán)境。本文主要研究基于LORA技術實現(xiàn)MESH組網(wǎng)的技術，其在智慧社區(qū)中應用的主要內容。

1 智慧社區(qū)及LORA技術MESH組網(wǎng)的運作機制

1.1 智慧社區(qū)

簡單來講，智慧社區(qū)是指運用新一代信息技術，為社區(qū)居民構建具有舒適性、便利性、安全性的現(xiàn)代化生活環(huán)境，在建設發(fā)展中構成以信息化和智能化為核心的社會管理與服務模式。在人們對社區(qū)功能要求越來越高的情況下，只利用計算機網(wǎng)絡支撐的智能社區(qū)很難滿足人們的需求，而物聯(lián)網(wǎng)和云計算的快速發(fā)展為構建智慧型社區(qū)提供了有利條件，能真正滿足人們對智慧社區(qū)提出的各種要求。從2010年到2015年，我國云計算市場和物聯(lián)網(wǎng)技術的年均復合增長率分別達到了40%和30%，由此結合智慧社區(qū)進行優(yōu)化創(chuàng)新，能在集中處理各項信息資源的同時，增強系統(tǒng)運行的可擴展性和安全性[1]。其中，智慧社區(qū)的結構圖如圖1所示。

圖1 智慧社區(qū)的結構圖

1.2 LORA技術

LORA作為常見的一種擴頻調制技術，最早是由法國一家創(chuàng)業(yè)公司Cycleo提出的，被稱作遠距離無線電。在2012年，Semtech收購了這家企業(yè)，并將LORA調制技術封裝到芯片中，基于LORA技術開發(fā)出一整套通信芯片解決方案。在此之后，以LORA技術為核心的產(chǎn)品開始在全國范圍內推廣，LORA技術逐漸滲透到物聯(lián)網(wǎng)應用的各個方面。其中，LORA技術的網(wǎng)絡結構如圖2所示。

圖2 LORA技術的網(wǎng)絡結構

1.3 MESH組網(wǎng)

無線MESH網(wǎng)絡是新時代下新提出的一種無線寬帶接入網(wǎng)絡，有效利用了無線局域網(wǎng)和AdHoc網(wǎng)絡的技術優(yōu)勢，在實踐應用中具有覆蓋范圍更廣、運行速率更快、儲存容量更多的特征，屬于當前網(wǎng)絡接入的重要有效手段[2]。同時，MESH網(wǎng)絡作為一種獨特的網(wǎng)絡架構思想，主要在于路由判斷選擇、多級跳接、自主網(wǎng)、無中心等工作中。結合如圖3所示的無線組網(wǎng)技術結構圖分析可知，整體系統(tǒng)設計包含以下特征。①自形成。無論是網(wǎng)絡節(jié)點還是授權用戶，都可以進入到網(wǎng)絡中，在擴大網(wǎng)絡的覆蓋范圍時，與其他節(jié)點有效連接。②自愈性。如果網(wǎng)絡內部的設備出現(xiàn)問題，亦或是被拆卸，整體網(wǎng)絡系統(tǒng)運行都會直接適應這種變化。在發(fā)端到對端尋找全新的路由時，如果兩者之間包含多臺中繼設備，那么也會進行自主優(yōu)化。③多跳式。無論是網(wǎng)絡節(jié)點還是用戶設備，都可以通過轉發(fā)運輸?shù)綄Χ藬?shù)據(jù)包中，以此準確掌握最佳的路由發(fā)送路程。④點對點網(wǎng)絡。由于自組織網(wǎng)絡是利用平等網(wǎng)元形成的，所以可以讓發(fā)端和對端直接連接，只要確保兩者的距離足夠近，那么并不需要中央管理節(jié)點。

圖3 無線組網(wǎng)的技術結構圖

2 LORA技術實現(xiàn)MESH組網(wǎng)分析

2.1 產(chǎn)品形式

基于LORA技術實現(xiàn)MESH組網(wǎng)設計，可以看作是以Semtech為核心的LORA直序擴頻通信技術和分布式數(shù)據(jù)采集的一種物聯(lián)網(wǎng)解決方案，從實踐應用角度來看，這種方案具有多接口、好管理、可擴展、遠距離、低消耗等獨特優(yōu)勢。整體產(chǎn)品形式分為以下內容。①云端。云端支持數(shù)據(jù)實時監(jiān)控、預警反饋、后臺數(shù)據(jù)計算，因此可以為用戶定制開發(fā)功能豐富的后臺數(shù)據(jù)管理平臺。這種方案既能改變以往對傳輸距離和功能消耗的研究問題，又可以為用戶提供一種簡單，且具有多項功能的系統(tǒng)，以此擴展傳感網(wǎng)絡。②網(wǎng)關。LoRaMESH網(wǎng)關可以從節(jié)點到云端進行數(shù)據(jù)傳輸，并不需要自己搭建服務器，原因在于其擁有4 x 1T1R通道，4 x PA/LNA。一方面網(wǎng)關下屬多節(jié)點數(shù)據(jù)會加密傳輸，另一方面可以靈活運用網(wǎng)關架構，支持不同的通信錄網(wǎng)方式，比如說USB、網(wǎng)口、SR485等。同時，網(wǎng)關還支持DNS定位功能，可以實時監(jiān)控網(wǎng)關所在位置。③節(jié)點。LoRaMESH節(jié)點可以利用LoRa模塊RF-AL42UH，其中內部的ASR6501芯片采用內核32bits 48MHz Cortex-M0+，擁有128KB Flash和16KB SRAM，功耗睡眠最低功耗3.2μA。通常來講，節(jié)點主要支持兩種角色，一種是指中繼節(jié)點，另一種是指終端節(jié)點，前者將終端節(jié)點的數(shù)據(jù)傳遞到網(wǎng)關，以此擴大組網(wǎng)的網(wǎng)絡覆蓋范圍。④傳感器。節(jié)點網(wǎng)關會在迅速組網(wǎng)之后，構建多層網(wǎng)絡拓撲結構，且支持多種傳感器[3]。比如說，在智慧社區(qū)中部署加載溫濕度傳感器的節(jié)點，可以實時獲取有關環(huán)境的數(shù)據(jù)信息，并將其上傳到云端，幫助管理人員查詢分析。節(jié)點加載不同的傳感器，可以運用在不同的物聯(lián)網(wǎng)中。

2.2 組網(wǎng)形式

LoRaMESH網(wǎng)絡拓撲結構分為三種形式：①形狀網(wǎng)絡拓撲結構，主要運用在家用路由器、LoRaWAN、Modbus等方面，既可以有效維護管理，又能重新配置靈活應用，但整體的擴展性較低；②樹狀網(wǎng)絡拓撲結構及MESH網(wǎng)絡拓撲結構，整體拓撲結構設計更加簡單，尋找故障更快；③MESH網(wǎng)絡，整體拓撲結構的節(jié)點是相互連通的，實際應用的效率更高，網(wǎng)絡的自律性更強。

結合表1的對比結果分析可知，LoRaMESH和LoRaWAN作為兩種常見的無線寬帶接入網(wǎng)絡形式，前者屬于星狀網(wǎng)絡結構，實際連接距離較短，擴展性較低；而后者屬于混合網(wǎng)絡結構，實際連接距離更遠，擴展性更強。

表1 LoRaMES和LoRaWAN的對比結果

而對比分析LoRaMESH和ZigBee可以發(fā)現(xiàn)前者作為通信技術中的一種形式，是結合LoRa擴頻技術設計超遠距離無線傳輸方案，結合表2的LoRa技術優(yōu)勢分析可知，其主要是在全國免費頻段中運行，可以進行數(shù)十公里的數(shù)據(jù)傳輸，適用場景更加廣泛；而后者屬于一種近距離的雙向無線通信技術，主要在傳輸效率不高、功能損耗較低、應用距離較短的設備中進行數(shù)據(jù)傳輸，ZigBee工作在2.4GHz頻段上，傳輸距離控制在100m到300m之間，因此實際應用存在局限性問題[4]。

表2 LoRa技術的優(yōu)勢分析

2.3 特色功能

（1）硬件。①從中繼功能角度來看，LoRaMESH的節(jié)點包含普通節(jié)點和中繼節(jié)點兩種形式，其會轉發(fā)普通節(jié)點的數(shù)據(jù)到網(wǎng)關，持續(xù)擴大網(wǎng)絡技術的覆蓋范圍。就算是處在網(wǎng)絡覆蓋范圍之外的節(jié)點，也可以利用中繼節(jié)點將其傳輸?shù)皆贫酥?。同時，中繼節(jié)點還可以為用戶定制開發(fā)I/O功能的優(yōu)質服務。②LoRaMESH節(jié)點只需要配置好本地網(wǎng)絡，就可以在添加入網(wǎng)白名單后，實現(xiàn)自動入網(wǎng)。③LoRaMESH利用混合網(wǎng)絡的拓撲結構實現(xiàn)自動重新連接，可以利用多種智能重連機制保障網(wǎng)絡運行的穩(wěn)定性[5]。比如說，在節(jié)點和網(wǎng)關連接通信的狀態(tài)下，如果出現(xiàn)掉線則會自動重新和網(wǎng)關建立連接關系；在節(jié)點和中繼節(jié)點連接通信的狀態(tài)下，如果出現(xiàn)掉線，那么會自動尋找其他中繼節(jié)點進行重新連接；在節(jié)點和網(wǎng)關連接通信的狀態(tài)下，如果出現(xiàn)掉線，那么會自動和鄰近的中繼節(jié)點進行重新連接。④LoRaMESH技術支持本地管理，本地可以設置網(wǎng)絡的通信方式，獲取發(fā)送頻段。同時，還可以對網(wǎng)絡節(jié)點的白名單進行有效管理，提高網(wǎng)絡技術運行的安全性。

（2）云服務。①LoRaMESH云端可以開放接口。LoRaMESH技術可以為客戶云端提供API接口，通過二次開發(fā)直接連接到客戶的服務器，將數(shù)據(jù)儲存處理等直接交給客戶操作，以此滿足他們的個性化和安全性要求。②分布式多網(wǎng)關。LoRaMESH技術可以利用分布式網(wǎng)關，在一定范圍內設置一個網(wǎng)關采集范圍內的節(jié)點數(shù)據(jù)，多個網(wǎng)關采集數(shù)據(jù)上擴大數(shù)據(jù)采集的覆蓋范圍，要比傳統(tǒng)意義上的LoRaWAN網(wǎng)絡覆蓋范圍更廣，采集的節(jié)點數(shù)量更多。③云透傳。LoRaMESH技術方案是從節(jié)點到網(wǎng)關再到云端，可以一鍵將收集到的數(shù)據(jù)透明傳輸?shù)皆贫?，云端會將?shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾砥脚_，而管理平臺下發(fā)的指令會通過完整的LoRaMESH網(wǎng)絡透明傳輸?shù)焦?jié)點[6]。透明的數(shù)據(jù)傳輸方式可以幫助客戶有效開發(fā)調試，縮短技術研發(fā)周期。

3 LoRaMESH技術在智慧社區(qū)中的應用分析

3.1 智能安全防護

（1）云監(jiān)控。監(jiān)控前端設備實現(xiàn)統(tǒng)一管理，系統(tǒng)用戶可以在手機、iPad等移動客戶端有效查看。比如說，系統(tǒng)會直接對接公安綜治平臺；會利用AI識別分析觀察人員聚集、違規(guī)停車等現(xiàn)象；會對高中低層進行視頻全面覆蓋監(jiān)管；會對智慧社區(qū)內部的陌生人軌跡進行追蹤調查，如果在識別分析中發(fā)現(xiàn)異常情況，會將相關圖像信息提供給物業(yè)管理人員；會預警儲存電動車進入電梯的具體行為，根據(jù)電梯內部的智能分析攝像機，在檢測到電動車物體時，會直接與本地聲光報警器聯(lián)動，向乘坐電梯人員和物業(yè)管理人員提出警告。

（2）云停車管理。定向應用是指對進出智慧社區(qū)的機動車進行管理，并將其上傳到街道中心管理平臺。具體內容涉及以下幾點。①云門禁和云對講。這種智能安全防護技術設計，可以直接通過公眾號或是APP向小區(qū)業(yè)主提出呼叫，會在小區(qū)入口區(qū)域安裝人臉識別的閘機，以此快速掌握無卡通行的人臉信息。②智能電梯控制系統(tǒng)。為了科學管理電梯的停運功能，當前小區(qū)物業(yè)管理提出利用電梯卡、藍牙、人臉識別等方式乘坐電梯，只有小區(qū)業(yè)主被授權之后才能安全乘坐電梯。這種設計方式既可以有效預防外來人員隨意進出小區(qū)，又能從基礎上保障社區(qū)內部的安全性。③智能井蓋管理系統(tǒng)。根據(jù)以往社區(qū)建設管理經(jīng)驗顯示，由井蓋造成的安全風險非常高。因此，當前智慧社區(qū)加大了井蓋的管控力度。通常情況下，在井蓋直徑超過800mm時，就需要對社區(qū)內部的井蓋進行全面監(jiān)控，主要判斷其是否丟失或開啟，并將有關信息提供給物業(yè)管理人員，要求部門員工嚴格按照規(guī)定要求進行日常維護。④智能電氣火災的監(jiān)控系統(tǒng)。智慧社區(qū)的管理人員要重點監(jiān)管電器線路和用電設備，這樣既可以快速掌握線路設備的應用狀態(tài)，又能有效規(guī)避常見的安全事故，以此從基礎上提高社區(qū)內部住戶的生活質量。⑤探測可燃氣體設備裝置。這項內容通常會安裝在燃氣管道或廚房周邊，需要結合燃氣種類的密度科學調整探頭位置，以此確保居民在日常生活中得到有效保護[7]。

3.2 社區(qū)居家養(yǎng)老

從智慧社區(qū)的居家養(yǎng)老情況來看，在智能化設計中，要根據(jù)老年群體的生活狀態(tài)和健康需求入手，做好以下工作。①計量分析用水數(shù)據(jù)，可以準確判斷老年群體是否處在正常生活狀態(tài)下；②安裝緊急救助設備，能幫助老年群體在遇到突發(fā)狀況或問題時，快速求助專業(yè)人員或子女；③重視電氣火災的監(jiān)控系統(tǒng)，可以在減少生活安全隱患的基礎上，向管理人員或子女提出求助；④全面探測建筑內部的可燃氣體，能避免引發(fā)更大的安全事故；⑤火災預防和探測系統(tǒng)具有相同作用，可以直接向管理人員或子女提出預警信息；⑥監(jiān)測老年群體的健康參數(shù)，其中包含心率、睡眠狀態(tài)、血壓、血氧、血糖等內容[8]。

3.3 物業(yè)管理服務

從智慧社區(qū)建設角度來看，運用LoRaMESH技術實現(xiàn)物業(yè)管理服務涉及以下幾點。①供配電。主要是監(jiān)測環(huán)境參數(shù)、全電量參數(shù)、變壓器的運行狀態(tài)。②給排水。主要是監(jiān)測滲水、生活水泵壓力、生活水，池水位等內容。③消防監(jiān)測。主要監(jiān)測消防末端管道壓力、消防水池水量、消防通道占道情況等內容。④電梯檢測。一方面要堅持電梯的實時運行狀況，在發(fā)生故障時要及時報警，保障業(yè)主人員的生命安全；另一方面要監(jiān)測分析歷史數(shù)據(jù)，準確預測判斷電梯保養(yǎng)時間和檢查故障，以此做好有效排查和安全防護工作。

4 結語

綜上所述，智慧社區(qū)作為新時代下信息通信技術在城市建設發(fā)展中的應用成果，利用LoRaMESH技術實現(xiàn)多項功能，既可以滿足人們的生活和工作需求，又可以在多種異構網(wǎng)絡融合和區(qū)域網(wǎng)絡覆蓋中，解決更多技術問題。