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ZigBee技术注意:LoRa远距离、低功耗无线传输悄然起誓

发布时间:2016-07-07      点击次数:4336

     物联网所需的无线网络通信各类技术似乎处于互补状态,各不同场景下,距离、功耗、容量、成本等指标各有千秋。不过,在远距离、低功耗场景下似乎还没有主流的无线网络技*。今天,物联网智库带您认识这一领域中一项突出的成果——LoRa(Long Range,远程)。  

    上海市政府消防安监总局提出要运用“互联网+”的科技手段,将城市安全实事项目进行增加内涵,建立应急预警物联网安全服务云平台,并将其推广应用,为城市人民生命财产安全保障多一份服务。
    鉴于目前庞大是市场需求。2015年初上海铭控与上海市消防安监总局及*微系统研究所三家单位一同为智能上海打造了一款专属消防系统的无线传输低功耗压力传感器。通过大数据进行动态智能阈值设置,随环境变化而自动调整,实现了误报率减少和敏感度增强。同时提供用户历史数据的查询和分析,数据对比等,为用户数据模型的建立提供更为有力的依据。这也是全国*的物联网消防安防产品,从技术和机制上弥补现有技防、消防、人防的不足。通过近一年的试点,现已在上海黄浦区1933大楼,688广场,上海国金中心等单位全面配套使用。

     MD-S800D无线传输消防压力传感器可选用GPRS 蓝牙 WIFI  Zigbee LoRa等多种传输方式。

    该无线压力传感器)是我公司开发的一款无线传输类型的传感器,可用于压力,液位的测量及监控系统。产品采用高精度高稳定性压力芯片,先进的数字式高精度线路板,支持点到点、点到多点、串口到串口的应用,通过GPRS  蓝牙 WIFI  Zigbee 传输数据,只要有手机/wifi信号的地方就可以实现无线监控。 

    该产品主要针对现场不方便布线环境而开发的一款无线产品,(例如自来水管网控制、油管压力监控等等),此产品还可以同时输出MODBUS通讯协议的RS485信号,0~5VDC模拟量信号,真正做到三合一体产品,方便现场客户使用不同领域的数据采集系统。

LoRa

LoRa是由升特公司(Semech)发布的一种于无线电调制解调的技术,它与其他如FSK(频移键控)、GMSK(高斯zui小频移键控)、BPSK(二进制相移键控)及其派生的调制方案形成竞争关系。

LoRa融合了数字扩频、数字信号处理和前向纠错编码技术,拥有的性能。此前,只有那些高等级的工业无线电通信会融合这些技术,而随着LoRa的引入,嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。

前向纠错编码技术是给待传输数据序列中增加了一些冗余信息,这样,数据传输进程中注入的错误码元在接收端就会被及时纠正。这一技术减少了以往创建“自修复”数据包来重发的需求,且在解决由多径衰落引发的突发性误码中表现良好。

一旦数据包分组建立起来且注入前向纠错编码以保障可靠性,这些数据包将被送到数字扩频调制器中。这一调制器将分组数据包中每一比特馈入一个“展扩器”中,将每一比特时间划分为众多码片。LoRa调制解调器经配置后,可划分的范围为64-4096码片/比特。AngelBlocks配置调制解调器可使用4096码片/比特中的zui高扩频因子(12)。相对而言,ZigBee仅能划分的范围为10-12码片/比特。

通过使用高扩频因子,LoRa技术可将小容量数据通过大范围的无线电频谱传输出去。实际上,当你通过频谱分析仪测量时,这些数据看上去像噪音,但区别在于噪音是不相关的,而数据具有相关性,基于此,数据实际上可以从噪音中被提取出来。其实,扩频因子越高,越多数据可从噪音中提取出来。

在一个运转良好的GFSK接收端,8dB的zui小信噪比(SNR)需要可靠地解调信号,采用配置AngelBlocks的方式,LoRa可解调一个信号,其信噪比为-20dB,GFSK方式与这一结果差距为28dB,这相当于范围和距离扩大了很多。在户外环境下,6dB的差距就可以实现2倍于原来的传输距离。

为了有效地对比不同技术之间传输范围的表现,我们使用一个叫做“链路预算”的定量指标。链路预算包括影响接收端信号强度的每一变量,在其简化体系中包括发射功率加上接收端灵敏度。

AngelBlocks的发射功率为100mW(20dBm),接收端灵敏度为-129dBm,总的链路预算为149dB。比较而言,拥有灵敏度-110dBm(这已是其*的数据)的GFSK无线技术,需要5W的功率(37dBm)才能达到相同的链路预算值。在实践中,大多GFSK无线技术接收端灵敏度可达到-103dBm,在此状况下,发射端发射频率必须为46dBm或者大约36W,才能达到与LoRa类似的链路预算值。

因此,使用LoRa技术我们能够以低发射功率获得更广的传输范围和距离,这种低功耗广域技术正是我们所需的。

OpenRF协议

目前已有很多“标准化”协议应用于家庭自动化领域,ZigBee和ZWave是两种主流的选择,另外还有6LowPan以及其他协议。

大多数协议或多或少依赖无线网格(mesh)组网,有些依赖整体系统来达到合理地传输距离,不过这无法使用电池供电。

LoRa采用点对点通信方式,实现远距离传输的目的,我们无需网格化网络。实际上,我们需要一个“轻量级”协议,适用于长期以电池供电的方式。

OpenRF是为电池供电的应用而开发的,例如水表和燃气表数据读取。OpenRF为媒介接入层(MAC Layer)定义了一个标准化的界面,允许其余各种各样射频集成电路装置(RFICs)协同工作。OpenRF还提供了一个支持32位设备地址的统一网络层来保证消息传递,还有多重的网络拓扑结构。理论上来说,OpenRF也可支持无线网格组网,虽然我们目前没有那种功能性要求。

OpenRF提供两个接口,其中API接口允许在一个微控制器的嵌入式应用中集成OpenRF,我们用这一界面构建了AngelBlocks的应用。另一接口为指令接口,它允许外部主控制器在串行链路上使用AT指令集来发送和接收数据包。我们的应用开发适配器在一个主机上使用指令接口控制AngelBlocks,其中Arduino和Pi适配器使用一个TTL级别的串行端口,PC/MAC适配器使用一个USB/COM端口,同一指令接口均可使用。

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