ZigBee技術(shù)注意：LoRa遠(yuǎn)距離、低功耗無線傳輸悄然起誓

     物聯(lián)網(wǎng)所需的無線網(wǎng)絡(luò)通信各類技術(shù)似乎處于互補(bǔ)狀態(tài)，各不同場景下，距離、功耗、容量、成本等指標(biāo)各有千秋。不過，在遠(yuǎn)距離、低功耗場景下似乎還沒有主流的無線網(wǎng)絡(luò)技*。今天，物聯(lián)網(wǎng)智庫帶您認(rèn)識這一領(lǐng)域中一項(xiàng)突出的成果——LoRa（Long Range，遠(yuǎn)程）。  

    上海市政府消防安監(jiān)總局提出要運(yùn)用“互聯(lián)網(wǎng)+”的科技手段，將城市安全實(shí)事項(xiàng)目進(jìn)行增加內(nèi)涵，建立應(yīng)急預(yù)警物聯(lián)網(wǎng)安全服務(wù)云平臺，并將其推廣應(yīng)用，為城市人民生命財(cái)產(chǎn)安全保障多一份服務(wù)。
    鑒于目前龐大是市場需求。2015年初上海銘控與上海市消防安監(jiān)總局及*微系統(tǒng)研究所三家單位一同為智能上海打造了一款專屬消防系統(tǒng)的無線傳輸?shù)凸膲毫鞲衅?。通過大數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)智能閾值設(shè)置，隨環(huán)境變化而自動調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了誤報率減少和敏感度增強(qiáng)。同時提供用戶歷史數(shù)據(jù)的查詢和分析，數(shù)據(jù)對比等，為用戶數(shù)據(jù)模型的建立提供更為有力的依據(jù)。這也是全國*的物聯(lián)網(wǎng)消防安防產(chǎn)品，從技術(shù)和機(jī)制上彌補(bǔ)現(xiàn)有技防、消防、人防的不足。通過近一年的試點(diǎn)，現(xiàn)已在上海黃浦區(qū)1933大樓，688廣場，上海國金中心等單位全面配套使用。

     MD-S800D無線傳輸消防壓力傳感器可選用GPRS 藍(lán)牙 WIFI  Zigbee LoRa等多種傳輸方式。

    該無線壓力傳感器)是我公司開發(fā)的一款無線傳輸類型的傳感器，可用于壓力，液位的測量及監(jiān)控系統(tǒng)。產(chǎn)品采用高精度高穩(wěn)定性壓力芯片，先進(jìn)的數(shù)字式高精度線路板，支持點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)、串口到串口的應(yīng)用,通過GPRS  藍(lán)牙 WIFI  Zigbee 傳輸數(shù)據(jù),只要有手機(jī)/wifi信號的地方就可以實(shí)現(xiàn)無線監(jiān)控。 

    該產(chǎn)品主要針對現(xiàn)場不方便布線環(huán)境而開發(fā)的一款無線產(chǎn)品,(例如自來水管網(wǎng)控制、油管壓力監(jiān)控等等),此產(chǎn)品還可以同時輸出MODBUS通訊協(xié)議的RS485信號,0~5VDC模擬量信號,真正做到三合一體產(chǎn)品,方便現(xiàn)場客戶使用不同領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

LoRa

LoRa是由升特公司（Semech）發(fā)布的一種于無線電調(diào)制解調(diào)的技術(shù)，它與其他如FSK（頻移鍵控）、GMSK（高斯zui小頻移鍵控）、BPSK（二進(jìn)制相移鍵控）及其派生的調(diào)制方案形成競爭關(guān)系。

LoRa融合了數(shù)字?jǐn)U頻、數(shù)字信號處理和前向糾錯編碼技術(shù)，擁有的性能。此前，只有那些高等級的工業(yè)無線電通信會融合這些技術(shù)，而隨著LoRa的引入，嵌入式無線通信領(lǐng)域的局面發(fā)生了*的改變。

前向糾錯編碼技術(shù)是給待傳輸數(shù)據(jù)序列中增加了一些冗余信息，這樣，數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)程中注入的錯誤碼元在接收端就會被及時糾正。這一技術(shù)減少了以往創(chuàng)建“自修復(fù)”數(shù)據(jù)包來重發(fā)的需求，且在解決由多徑衰落引發(fā)的突發(fā)性誤碼中表現(xiàn)良好。

一旦數(shù)據(jù)包分組建立起來且注入前向糾錯編碼以保障可靠性，這些數(shù)據(jù)包將被送到數(shù)字?jǐn)U頻調(diào)制器中。這一調(diào)制器將分組數(shù)據(jù)包中每一比特饋入一個“展擴(kuò)器”中，將每一比特時間劃分為眾多碼片。LoRa調(diào)制解調(diào)器經(jīng)配置后，可劃分的范圍為64-4096碼片/比特。AngelBlocks配置調(diào)制解調(diào)器可使用4096碼片/比特中的zui高擴(kuò)頻因子（12）。相對而言，ZigBee僅能劃分的范圍為10-12碼片/比特。

通過使用高擴(kuò)頻因子，LoRa技術(shù)可將小容量數(shù)據(jù)通過大范圍的無線電頻譜傳輸出去。實(shí)際上，當(dāng)你通過頻譜分析儀測量時，這些數(shù)據(jù)看上去像噪音，但區(qū)別在于噪音是不相關(guān)的，而數(shù)據(jù)具有相關(guān)性，基于此，數(shù)據(jù)實(shí)際上可以從噪音中被提取出來。其實(shí)，擴(kuò)頻因子越高，越多數(shù)據(jù)可從噪音中提取出來。

在一個運(yùn)轉(zhuǎn)良好的GFSK接收端，8dB的zui小信噪比（SNR）需要可靠地解調(diào)信號，采用配置AngelBlocks的方式，LoRa可解調(diào)一個信號，其信噪比為-20dB，GFSK方式與這一結(jié)果差距為28dB，這相當(dāng)于范圍和距離擴(kuò)大了很多。在戶外環(huán)境下，6dB的差距就可以實(shí)現(xiàn)2倍于原來的傳輸距離。

為了有效地對比不同技術(shù)之間傳輸范圍的表現(xiàn)，我們使用一個叫做“鏈路預(yù)算”的定量指標(biāo)。鏈路預(yù)算包括影響接收端信號強(qiáng)度的每一變量，在其簡化體系中包括發(fā)射功率加上接收端靈敏度。

AngelBlocks的發(fā)射功率為100mW（20dBm），接收端靈敏度為-129dBm，總的鏈路預(yù)算為149dB。比較而言，擁有靈敏度-110dBm（這已是其*的數(shù)據(jù)）的GFSK無線技術(shù)，需要5W的功率（37dBm）才能達(dá)到相同的鏈路預(yù)算值。在實(shí)踐中，大多GFSK無線技術(shù)接收端靈敏度可達(dá)到-103dBm，在此狀況下，發(fā)射端發(fā)射頻率必須為46dBm或者大約36W，才能達(dá)到與LoRa類似的鏈路預(yù)算值。

因此，使用LoRa技術(shù)我們能夠以低發(fā)射功率獲得更廣的傳輸范圍和距離，這種低功耗廣域技術(shù)正是我們所需的。

OpenRF協(xié)議

目前已有很多“標(biāo)準(zhǔn)化”協(xié)議應(yīng)用于家庭自動化領(lǐng)域，ZigBee和ZWave是兩種主流的選擇，另外還有6LowPan以及其他協(xié)議。

大多數(shù)協(xié)議或多或少依賴無線網(wǎng)格（mesh）組網(wǎng)，有些依賴整體系統(tǒng)來達(dá)到合理地傳輸距離，不過這無法使用電池供電。

LoRa采用點(diǎn)對點(diǎn)通信方式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪康?，我們無需網(wǎng)格化網(wǎng)絡(luò)。實(shí)際上，我們需要一個“輕量級”協(xié)議，適用于長期以電池供電的方式。

OpenRF是為電池供電的應(yīng)用而開發(fā)的，例如水表和燃?xì)獗頂?shù)據(jù)讀取。OpenRF為媒介接入層（MAC Layer）定義了一個標(biāo)準(zhǔn)化的界面，允許其余各種各樣射頻集成電路裝置（RFICs）協(xié)同工作。OpenRF還提供了一個支持32位設(shè)備地址的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)層來保證消息傳遞，還有多重的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。理論上來說，OpenRF也可支持無線網(wǎng)格組網(wǎng)，雖然我們目前沒有那種功能性要求。

OpenRF提供兩個接口，其中API接口允許在一個微控制器的嵌入式應(yīng)用中集成OpenRF，我們用這一界面構(gòu)建了AngelBlocks的應(yīng)用。另一接口為指令接口，它允許外部主控制器在串行鏈路上使用AT指令集來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。我們的應(yīng)用開發(fā)適配器在一個主機(jī)上使用指令接口控制AngelBlocks，其中Arduino和Pi適配器使用一個TTL級別的串行端口，PC/MAC適配器使用一個USB/COM端口，同一指令接口均可使用。