Relatório da análise de possibilidade da tecnologia de LoRaWAN aplicado à eletricidade/à recolha de informação consumo de água

Com o desenvolvimento do Internet das coisas, muitas aplicações de IoT têm pacotes de dados pequenos, a maior tolerância para atrasos, e a necessidade ser distribuído em uma vasta gama, ou são ficadas situadas em remoto, subterrâneo e outros lugares pesadamente protegidos, com uma comunicação sem fio existente ou o sinal da tecnologia de comunicação móvel não são acessíveis. Para o problema acima mencionado, as tecnologias de comunicação da grande distância e da baixa potência foram desenvolvidas, referido coletivamente como a rede de longa distância da baixa potência (LPWAN). LPWAN tem as vantagens do consumo da baixa potência, interurbanas, e a grande conexão, assim que é apropriado para as aplicações que exigem uma vasta gama de desenvolvimento e a pequena quantidade de transmissão de dados. É muito apropriado para as exigências de aplicação do levantamento de dados de medidores espertos da energia. LPWAN pode ser dividido em dois acampamentos: a faixa de frequência autorizada e a faixa de frequência desautorizada de acordo com a faixa de frequência usaram-se. A tecnologia não autorizada da faixa de frequência LPWAN desenvolveu mais adiantado, e a tecnologia principal é LoRaWAN.

1. Introdução a LoRaWAN

LoRaWAN é um grupo de protocolo de comunicação e de arquitetura de sistema projetados para a rede de comunicação interurbana de LoRa. Define como os dados são transmitidos na rede de LoRaWAN (a rede aqui refere nós, entradas e servidores), define o tipo de mensagem, a estrutura do quadro de dados e o método de criptografia da segurança; e introduz as operações específicas da rede, e explica a diferença entre o mestre e os dispositivos do escravo.

No projeto do protocolo e da arquitetura de rede, LoRaWAN considera inteiramente diversos fatores tais como o consumo de potência do nó, a capacidade de rede, a segurança e a diversidade da aplicação da rede.

2. Arquitetura de rede de LoRaWAN

Diagrama da arquitetura de rede de LoRaWAN

Uma arquitetura de rede de LoRaWAN inclui quatro porções: terminal, estação base, NS (servidor de rede), e servidor de aplicações. A estrela e as topologias de rede celulares são usadas entre estações base e terminais. Devido às características interurbanas de LoRa, transmissão do único-lúpulo pode ser usado entre elas. O nó terminal pode enviar às estações base múltiplas ao mesmo tempo. A estação base para a frente os dados do protocolo de LoRaWAN entre o NS e o terminal, e leva os dados de LoRaWAN na transmissão da radiofrequência de LoRa e no TCP/IP respectivamente.

3. Vista geral do protocolo de LoRaWAN

3,1 classificação de nós terminais

Em termos das especificações técnicas, a taxa de transmissão de LoRaWAN é sobre 30bit/s-50kbit/s, a distância de transmissão é aproximadamente 2-5 quilômetros na área urbana, e o mais longo pode alcançar 15 quilômetros nos subúrbios. Suporta a transmissão em dois sentidos, e o método da transmissão depende das exigências do atraso e as funções do consumo de potência podem ser divididas em três níveis: Linha de base (classe A), baliza (classe B) e contínuo (classe C). A classe que um método transmitirá somente quando o dispositivo terminal envia um pedido, o consumo de potência é a mais baixa. É usada em medidores de água e em medidores de gás. A classe C significa a transmissão de dados contínuos, com o tempo de atraso o mais curto da transmissão. A classe C é usada geralmente em medidores elétricos.

3,2 transmissão do Uplink e da ligação descendente de nós terminais

Este é o diagrama de sequência da classe um uplink e uma ligação descendente. Atualmente, a janela de recepção RX1 começa geralmente 1 segundo após o uplink, e a janela de recepção RX2 começa 2 segundos após o uplink.

A classe C e A é basicamente a mesma, salvo que quando a classe A está dormindo, abre a janela de recepção RX2.

3,3 método do nó terminal para juntar-se à rede

Há duas maneiras de juntar-se à rede: Sobre - a ativação do ar (OTAA) e a ativação pela personalização (ABP).

As redes comerciais de LoRaWAN seguem geralmente o processo da ativação de OTAA, de modo que a segurança possa ser garantida. Este método precisa de preparar os três parâmetros, incluindo: DevEUI, AppEUI, e AppKey.

DevEUI é identificação original da globalmente - similar a IEEE EUI64, que identifica um dispositivo terminal original. É equivalente ao MAC address do dispositivo.

AppEUI é identificação original da globalmente - similar a IEEE EUI64, que identifica um fornecedor de aplicação original.

AppKey é atribuído ao terminal pelo proprietário da aplicação.

O terminal inicia “junta-se” ao comando, e o NS (servidor de rede) confirma que está correto, ele responderá ao terminal e atribuirá o endereço de rede DevAddr (identificação de 32 bits). Ambos os partidos usam a informação relevante na resposta e no AppKey da rede, geram as chaves de sessão NwkSKey e AppSKey, que são usadas para cifrar e verificar dados.

Se o segundo método de exame (ativação de ABP) é usado, configurar diretamente os parâmetros de comunicação finais de DevAddr, de NwkSKey, e de AppSKey, e junte-se ao processo é exigido já não. Neste caso, o dispositivo pode enviar dados de aplicação diretamente.

3,4 transmissão de dados e recepção

Após junte-se à rede, os dados de aplicação é cifrado.

Há dois tipos de quadro de dados de LoRaWAN: Confirmado ou não-confirmado, isto é, o tipo que exige a resposta e outra que não exige a resposta. Os fabricantes podem escolher o tipo apropriado de acordo com necessidades da aplicação.

Além, pode-se ver da introdução que LoRaWAN é à diversidade da aplicação de apoio. Além do que a utilização de AppEUI para dividir aplicações, o porto da aplicação de FPort pode igualmente ser usado para processar separadamente dados durante a transmissão. A escala do valor de FPort é (1~223), que é especificado pela camada de aplicação.

3,5 mecanismo de ADR

Há um fator de espalhamento na modulação de LoRa, e os fatores de espalhamento diferentes têm distâncias de transmissão e taxas de transmissão diferentes, e não têm nenhuma influência na transmissão de dados.

A fim expandir a capacidade de rede de LoRaWAN, um mecanismo da adaptação da taxa de LoRa (dados adaptáveis taxa-ADR) é projetado no protocolo. Os dispositivos com distâncias de transmissão diferentes usarão a taxa de dados a mais rápida possível de acordo com as condições da transmissão. Isto igualmente faz a transmissão de dados total mais eficiente.

4. Características de LoRaWAN

LoRaWAN tem as características da transmissão sem fio, da capacidade antiparasitária forte, de uma comunicação cifrada, da cobertura larga, do consumo da baixa potência, da grande conexão, e do baixo custo.

Interurbano: LoRa consegue aproximadamente duas vezes a distância de uma comunicação da tecnologia celular.

Grande capacidade: Muitos nós de IoT, e uma rede de LoRaWAN podem facilmente conectar dez dos milhares de nós.

Expansão fácil da capacidade: Quando uma rede de LoRaWAN precisa de aumentar sua capacidade, apenas adicione uma entrada.

Segurança: LoRaWAN é um Internet dobro-cifrado das coisas. É apropriado para a aplicação da informação do medidor elétrico.

5. Especificação da entrada de LoRaWAN

5,1 entrada

5,2 módulo de LoRaWAN

Consumo da baixa potência: A mais baixa corrente à espera é 1.5uA

Sensibilidade alta: Pode alcançar -139dBm@SF12/125KHz

Antiparasitário: Uma comunicação de capacidade elevada da frequência da extensão, e intercalação de ciclo eficiente de correção de erros

A capacidade penetrante forte, sua escala da cobertura pode alcançar mais de 2km.

6. Relatório de testes

6,1 teste da distância

Em uma distância linear de 3.7KM de Wuhan Radarking Electronics Corp., a força de sinal é -94, o SNR é -6,0, e os pacotes de dados da antena incorporado e da antena externo são normais.