基于LoRaWAN的物联网生态系统介绍

 

什么是LoRaWAN?

LoRaWAN是众多低功率广域网(LPWAN, Low Power Wide Area Network) 规范中的其中一种，它的设计目标是能够让以电池供电的装置可以部署在较广域的网络中(原文是区域级-regional, 国家级-national 或 全球级-global)。因此，注重的点是「远距离、低功耗」这类应用需求。

LoRaWAN网络架构的特点

采用星型网络拓扑(Star topology)，终端点的通讯是双向的(bi-directional)：即数据可收可发，LoRaWAN 资料传输率可以从 0.3 kbps 到 150 kbps（与距离成反比，且在未来还有进一步提升空间）。

LoRa三种终端装置的 Class

LoRaWAN 将终端装置 (end-point devices) 区分为 A, B, C 三类 (classes)，各自能运用远距离通信的不同需求 (有些要求很省电、有些需要很即时)。这里先说明一下 uplink 与 downlink 的意思：uplink transmission (上行传输)：终端装置传给服务器downlink transmission (下行传输)：服务器传给终端装置。

Class A

可双向通讯的终端装置(bi-directional end-devices)，每个装置的uplink transmission 之后接有两个短暂的 downlink receive windows 用于需要以最低功耗操作的终端装置。这种装置常常在它送出 uplink 之后，只需要与 server 端进行很短暂的 downlink 通讯 (例如只收个 ACK 而已)，在任何其他时间，从server downlink 必须等到下一次的 scheduled uplink (所以通讯没办法很即时，例如下一次的 scheduled uplink 可能是在 128 秒之后)。

Class B

必须至少有 A 类的功能，可双向通讯的终端装置，但有scheduled receive slots (有固定接收时槽接收服务器过来的讯息，相较于 A 类会更即时一点)，相较于 A 类的随机 receive windows，Class B 的装置会在排程的时间打开一个额外的接收窗。为了让终端装置在排程时间打开，它的 receive window，它需要从 gateway 接收一个用于时间同步的 Beacon (如此一來，服务器就能知道终端装置何时在侦听)。

Class C

必须至少有 A 类的功能,可双向通讯的终端装置，尽可能安排最多的 receive slots,C 类的终端装置是几乎连续地开着 receive windows，只有在发送时才关闭接收视窗,C 类对 server 于终端装置通讯带来最低的延迟 (latency)，所以即时性最好，但消耗功率最高。

资料传输率与通讯距离

LoRa 的资料传输率 (data rate)、通讯距离，它的资料传输率大约在 100 bps ~ 20 kbps 之间，而可靠通讯距离在 5 公里的范围(实际测试也有高达10几20公里的，尤其接收器在高地直线传输情况下，参见《唯传LoRa网关路由器测试结果惊人，稳定传输可达21.5公里》)。LoRa 的传输率可以自由调整，传输率越低，传输的距离可以越远。

 

LoRa通讯架构

 

LoRa应用领域

 

 

LoRa模块介绍

 

低功耗LoRaWAN节点模块

产品概述：

• QBIA-00201模块的射频芯片采用的是Semtech公司的LoRa芯片SX1278，主控芯片采用STM32L151，是一款低功耗、低成本、小体积的LoRaWAN模块。
• QBIA-00201模块主要应用于物联网、无线传感器网络、嵌入式等低功耗需求的场景中。

产品应用范围：

• LoRa/LoRaWAN终端节点
• 物联网
• 抄表集中器
• 工业控制
• 安全警报系统

产品描述：

• 小体积：20mmX26mm
• 26针SMT邮票孔封装
• 低功耗：休眠模式下电流低至1.45uA
• 多频段选择：434MHz 470MHz
• RF性能：434MHz/470MHz :
  发射功率18dBm 电流100mA,
  接收灵敏度-139dBm（SF12 、带宽125KHz）
• 通信接口：SPI/USART/I2C/USB
• 扩展接口：2× ADC；10 × GPIOs
• 支持LoRaWAN协议
• SX1301八通道lorawan网关模块

产品概述：

• QBIA-02102是一款高性能、小体积的LoRa/LoRaWAN网关模块，核心芯片产用的是Semtech公司SX1301。
• 本款LoRa/LoRaWAN网关模块针对无线传感器网络、物联网、嵌入式等应用场景，可以帮助客户快速完成其LoRa/LoRaWAN网关研发。
• 模块支持定制434Mhz、470-510Mhz、780Mhz、868MHz和915MHz频段，产品默认频段是470Mhz

产品应用范围：

• LoRa/LoRaWAN网关
• 物联网
• 抄表集中器
• 工业控制集中器
• 安全警报系统网关
• LPWAN基础基站

产品描述：

• 小体积：63mmX40mm
• 可选16针DIP接口或USB接口封装，更容易集成到网关
• 多频段选择：434MHz 470MHz 780MHz 868MHz 915MHz
• 10个可编程并行解调路径
• 嵌入1个GFSK解调器和49个LoRa解调器
• 自动自适应扩频因子，没个通道SF7至SF12可选
• 高性能：
  接收灵敏度：-142.5dBm@300bps
  最大输出功率27dBm
  通信接口：SPI或USB
• 用于同步的GPS PPS输入，保留给LoRaWAN Class B协议
• +5V单电源供电
• 支持LoRaWAN Class A, ClassB and Class C协议

测试结果：

具体应用案例示意图

智慧停车

垃圾运输

智能冰箱

 

智慧农业

 

 

智慧校园

 

应用：

单车追踪                                            摩托车保全                                        校园巴士
热门停车位                                        环境生态监测                                     电梯运转监测
饮水机用水量监测                             智慧电表                                            建筑安全
农场                                                    养殖鱼塘                                            林场/牧场

LoRaWAN开发评估套件

 

产品概述：

千宝科技 LoraWan评估套件可快速帮助用户完成基于云平台的loraWan网络双向测试，加速其产品开发。

优点：

• 抗干扰强：是扩频通信主要特性之一，因信号接收需要扩频编码进行相关解扩处理才能得到，所以即使以同类型信号进行干扰，干扰也不起作用
• 隐蔽性好：因为信号在很宽的频带上被扩展，其信号功率谱密度极低，不仅难以被发现，更很少对于其他通信设备构成干扰
• 通信距离长：LoRa技术系列产品在美国、欧盟、中国和日本监管机构设定的限制内工作时，可将郊区的数据传输距离提升至15公里(9英里)以上，城市密集区域的数据传输距离提升至2-5公里(3英里)，可显著降低对中续器的需求。以美国纽约曼哈顿下城区为例，只要七个网关便能完整覆盖
• 功耗低：LoRa技术对于物联网应用最明显的好处即为可以延长电池寿命，对于未来可能遍布在城市中的传感器来说无疑是巨大优势，且可降低运营成本

配置发货清单：

序号	描述	数量	描述	备注
1	QBIA-02102八通道LoRaWAN网关模块	1		三者合为一体
2	网关模块转接板	1
3	Raspberry Pi Model 3 B主控板	1
4	串口AT指令MODEM模块	1		已烧录AT指令，上电，打开串口工具即可测试。
5	QBIA-00201低功耗LoRaWAN节点模块	2		没有烧录任何程序，用户使用SDK开发好后程序后可做任意应用。
6	LoRaWAN云平台激活码	1	全功能lorawan物联网云平台；支持多网关接入服务； 可实现节点云平台数据双向通信	先免费注册账号，凭注册邮箱获取激活码，详见使用手册
7	470M频段高增益网关天线	1	网关天线
8	470M频段高增益AT MODEM天线	1	AT MODEM天线
9	16G C10高速TF卡	1	树莓派配套使用	已经插到树莓派主板中
10	5V/1A电源适配器	1	网关供电用
11	网线	1	网关联网通信用
12	Mini口转micro口USB线	1	网关供电用
13	MicroUSB线	2	网关供电用；串口AT MODEM供电用
14	光盘	1	使用手册和开发资料

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