陈卓逸

（华中师范大学第一附属中学朝阳学校,北京 100025）

0 引言

WSN的发展催生了一系列工业，科学，交通，城市基础设施和安全等方面的潜在应用。WSN将传感技术，计算机和通信技术集成到一个单独的微设备上，称之为感知节点。典型的WSN由大量的具有处理能力，感知能力，电源，存储能力和射频技术的感知设备组成。这些大量的传感器应用于物联网的各个领域，监视着物理或环境条件的变化，产生相应的感知信息，并且对这些信息做出进一步的处理。

无线网络整个产业正逐渐朝着LPWAN方向演进。LPWAN相关技术可以很好地处理从几公里到十几公里广域范围内的低速率，低功耗和低流量的连接问题。LPWAN是智慧城市建设最有潜力的技术，比如智能测量，智能停车，最优路径选择，核能辐射测量，自适应街灯，智能垃圾管理，建康检测，空气污染检测，废水泄露检测，森林防火检测等等。

1 WSN几种常用技术

无线传感网络由许多分散的无线节点组成，相互通信更容易受到不同的影响，比如无线传输效应，网络干扰和热噪声等。同时由于无线频谱资源紧张，在一个较大的无线网络里很难有无干扰的通信。这些干扰都会引起通信网络的性能下降。本文针对LPWAN技术用到的相关技术，比如Bluetooth,ZigBee，WiFi等进行了简单的分析。重点描述了LoRa(Long Range)的技术优势，同时结合智能城市建设，提出了几种应用场景。表1是这几种技术的主要特性比较。

表1 通信协议比较

1.1 Bluetooth

Bluetooth是无线个域网(WPAN)通信协议，工作频段2.4GHz,容易受到干扰，使用跳频扩展技术(FHSS)，最大传输速率1Mb/s。Bluetooth会话可以同时连接八个节点，采用主从方式，传输距离与能量损耗紧密相关，主要用来传输多媒体和文本信息。Bluetooth的扩展协议用于处理低速数据处理，因此具有更长的电池使用寿命。Bluetooth技术的挑战主要是两个方面：1.标准，不同厂家蓝牙芯片要实现互联，测试和认证复杂，落后于市场需求。2.价格，蓝牙芯片组的价格高，普及难度增大。

1.2 ZigBee

Zigbee在低速无线个域网（LR-WPAN）的应用中最普遍，工作频段2.4GHz,使用直序扩频技术(DSSS)，最大传输速率250Kb/s，支持星型或点对点的拓扑，可以连接65000个节点。Zigbee的最大特点是可自组网，网络节点数最大可达65000个。但是ZigBee也有缺点，首先是价格相对昂贵，其次协议栈带宽的开销对信道带宽要求更高，反过来会影响通信距离和环境适应性，在实际应用中只好提高发射功率，这又与ZigBee的低功耗优点相矛盾。

1.3 WiFi

尽管bluetooth和ZigBee是低功耗和低复杂度的无线感知技术,但是他们也有限制，比如低数据速率，短距离和穿透性弱。WiFi是无线局域网(WLAN)技术，基于WSN的WiFi可以是以网络为中心或以数据为中心，组成许多低功耗的节点分布在广泛的区域。提供11-54Mb/s的传输速率，覆盖范围100m。整个网络的节点数量取决与IP地址的多少。WiFi是目前应用最广泛的无线通信技术，传输距离在100-300M，速率可达300Mbps，功耗10-50mA。

这3种无线技术，从传输距离来说，是WiFi＞ZigBee＞蓝牙;从功耗来说，是WiFi＞蓝牙＞ZigBee，后两者仅靠电池供电即可；从传输速率来讲，是WiFi＞蓝牙＞ZigBee。

目前来说，WiFi的优势是应用广泛，已经普及到千家万户；ZigBee的优势是低功耗和自组网；蓝牙的优势组网简单。然而，这3种技术，也都有各自的不足，没有一种技术能完全满足智能城市的全部要求。

2 LoRa技术

LPWAN在通信产业发展迅猛。半导体Semtech公司利用高级扩频技术，提出了一种低功率，长距离的LoRa技术。与传统的调制技术比较，LoRa里用到的扩频调制技术针对网络干扰的影响只要增加很少的链路开销。LoRa使用125kHz或以上的带宽来广播信号，使得其更容易受到信道噪声，相对频率，多普勒效应和信号衰落的影响。但是通过宽带将窄带信号进行扩频，可以在低效的频谱使用情况下增加系统容量。

发射装置通过改变相邻的连续符号间的频率并且保持相位不变，生成一种Chrip信号。这种信号和噪声很像，容易受到多径衰落和多普勒频移，干扰和拥塞，并且很难被窃听解码。接收装置可以解码，甚至在信号衰减到低于噪声水平19.5dB的情况。Chrip信号也属于DSSS的范畴，一个Chrip信号传输1bit信息。如果要提高数据速率就需要较宽的信号带宽。

LoRa技术优势，如图1 LoRa的扩频调制方案和传输数据速率与灵敏度的关系。

由图1可以得到：

（1）实际使用中LoRa技术的系统容量更接近香浓理论极限。（2）突破了传统窄带系统FSK的使用下限。

由图2 LoRa扩频调制信号功率谱，可以看出LoRa的技术优势：

（1）在噪声基底水平下可以解调信号;（2）灵敏度高于FSK;（3）抗干扰，噪声和拥塞；（4）扩频因子不同可以同时使用一个信道。

同时LoRa与DSSS也有不同：

（1）相比于其他系统(CDMA,WIFI…) LoRa是专为低数据速率设计的;（2）LoRa使用较高的扩频因子以获得较高的增益，非常适合低功耗操作;（3）LoRa对频率偏移不敏感，其他系统对晶振要求很高。

3 LoRa在智慧城市中的应用场景

（1）智慧停车。车位状态实时检测；信息透明，杜绝城市停车管理混乱。

（2）智能井盖。实时监控城市井盖位置信息对于井盖异常丢失，异常开启，破损等状态信息，实时传输用于数据分析和预警。

（3）路灯检测。远距离路灯控制，故障，线路检测，实现动态照明，节省管理。

（4）物流追踪。追踪或者定位市场的一个重要的需求就是终端的电池使用寿命。物流追踪可以作为混合型不熟的实际案例。物流企业可以根据定位的需要在相关场所布网，可以是仓库或者运输车辆上，便携式的基站(LoRa网关)便派上了用场，而LPWAN网络使用网关/集中器扩展系统容量，基础设施容易建设和部署。

（5）智能工业。工厂机器的运行需要实时的监控，不仅可以保证生产效率而且通过远程监控可以提高人工效率。在工厂的自动化制造和生产中，有许多不同类型的传感器和设备。一些场景需要低成本的传感器配以低功耗和长寿命的电池来追踪设备，监控状态。

（6）智慧农业。对农业来说，低功耗低成本的传感器是迫切需要的。温湿度，二氧化碳，盐碱度等传感器的应用对于农业提高产量，减少水资源的消耗等有重要的意义，这些传感器需要定期地上传数据，而且很多偏远的农场或者耕地并没有覆盖蜂窝网，更不用说4G/LTE了，而LoRa十分适用于这样的场景。

（7）共享行业。以共享单车为例，给城市出行和减少排放提供解决方案。共享单车的解锁技术目前用的是GSM网，成本高，能耗高。为了降低企业运营成本，可以在相关环境组建LPWAN网络，LoRa技术可以很好地解决成本和能耗问题。ofo单车已经采用Semtech公司的LoRa芯片来扩大单车的跟踪范围。

4 结论

不同的LPWAN技术之间竞争激烈，本文主要介绍了一种最有潜力的LPWAN技术——LoRa，通过几种技术特性的比较分析和智能城市使用场景，可以看出来LoRa在未来的发展布局速度会越来越快，覆盖的范围和应用场景也越来越丰富。

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