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集群化桥梁监测系统的物联网技术(LORA)

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admin 发表于 2019-4-10 15:15:13 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
由于集群化桥梁监测系统主要适用于中小跨径集群化桥梁监测系统的实施,桥梁可能沿沿路或在路网内分散分布,监测对象的桥梁多为受力明确的结构、传感器布设的种类和数量较少。因此针对集群化的桥梁监测系统的若采用传统的有线传输的组网模式,不仅会增加大量成本,同时也会增加系统安装以及后期运营维护的难度,在物联网发展的基础上采用无线传输的组网方式无疑是最佳的选择。


在物联网中,数据传输低能耗和长距离运输之间一直都存在着矛盾,而逐渐成熟的LPWAN就能够很好地解决这一矛盾,其中LoRa 技术和NB-IoT技术在激烈市场竞争中的优势逐渐凸显出来。根据LoRa 技术和NB-IoT技术的分析以及集群化桥梁监测的特点,笔者认为LoRa 技术更适宜于用在集群化桥梁监测系统,本文简单介绍LoRa特点以及关键技术。


一、LORA和NB-IOT的比较


随着不断发展的物联网技术,在物联网通信层低功耗与长距离之间的矛盾随着低功耗广域网技术的出现也得到了很好的解决,逐渐成为物联网当中的发展重点。其中在低功耗广域网络技术中,以LoRa 技术和NB-IoT 技术为代表。现对其做简单对比:


1、服务质量和频段


远距离的通信质量会受到工作频段的直接影响,相较于Sub-GHz无线通信网络来说,LoRa技术是在免费频段(非授权频段)中工作,通过应用线性调频扩频技术,不仅仅能够保证其低功耗特征,同时又会进一步延长通信距离。NB-IoT 技术的基础是蜂窝技术,所使用的授权频段都是1GHz以下的。LoRa 技术中通过应用调频扩频技术,其抗干扰能够得到进一步提高,同时还能够实现多信道数据,并对数据进行有效处理。从服务质量来说,LoRa还是要低于NB-IoT技术的服务质量;NB-IoT 技术当中由于使用了同步协议和授权频段,因此是服务质量得到保证,但其成本相对较高。


2、电池使用寿命


LoRaWAN 协议根据ALOHA 就可以在相应的应用场景当中,对节点通信频率进行适当调整,进而其运行功耗得到进一步降低。相较于蜂窝技术,NB-IoT同步协议的同步次数虽然会有所减少,但还需实现定时联网,另外NB-IoT 技术的休眠电流和峰值电流一般会达到LoRa 的若干倍,而在自然功耗方面也就会略逊于LoRa 技术。


3、网络部署成本和覆盖范围


就网络部署成本方面来说,NB-IoT 技术的频段授权费用达到了5亿美元/Hz,虽然目前根据4G/LTE已经对NB-IoT技术进行了改进和升级,但各基站的费用还是偏高。而LoRa 技术的部署成本费用就比较少,一个集中器或网关的花费大约为100~1000美金,相较于NB-IoT技术网络部署成本来说,已经大大减少。就网络部署范围来说,在郊区LoRa 技术的传输距离最大能够达到15km,而LoRa技术的传输距离最大则能够达到35km。


对于公路中小桥梁实施集群化的监测系统,桥梁分布广、测点布设少、桥梁多位于市郊或空旷地带、桥址没有市电供给,因此LoRa技术的电池寿命长、在免费频段工作以及集中器和网关(或Lora基站)的建设费用低等优点使得其在集群化桥梁监测系统中的应用前景较好。由于LoRa 协议具有一定的独特性,因而该协议可以根据客户的要求针对性的改变协议内容,然后最快的速度、最低的成本来完成网络部署。尤其是对于数据安全性要求比较高的专用网络来说, LoRa 技术的经济性和灵活性更佳。


二、Lora技术


LoRa技术主要是基于在1GHz以下的超长距离低功耗的数据传输技术,灵敏度高达-148dbm与目前业界使用广泛的sub-Ghz芯片相比,其接收灵敏度提高了20db以上,且不需要使用TCXO,引起了业界的高度关注。该产品使用的是特殊扩频技术,使得不同扩频序列的终端即使使用相同的频率也不会发生干扰,同时集成了集中器/网关。使得其能够并行处理多个节点数据,扩展了系统容量。


LoRa主要在全球免费频段运行(即非授权频段),包括433、868、915 MHz等。LoRa网络主要由终端(内置LoRa模块)、网关(或称基站)、服务器和云端四部分组成。LoRa主要有两个层:物理层和MAC层(即LoRaWAN),如图1所示。LoRa物理层主要采用线性调频技术(CSS,Chirp Spread Spectrum),适用于远距离、低功耗、低吞吐量的通信。LoRaWAN由LoRa联盟发布,是一种基于开源的电信级MAC层协议。

LoRa层结构

LoRa层结构
图1  LoRa层结构


LoRa网络使用典型的“star-of-stars”拓扑结构(如图2所示)。在该结构中,网关(Gateway)充当中继角色,在终端(end-device)和服务器(Network server)之间传递信息。理论上,Gateway对终端是透明的。Gateway以标准IP接入方式和基站相连,而终端以LoRa调制或FSK方式和Gateway相连。LoRaWAN支持双向通信,但上行通信占据主导地位。LoRaWAN不支持终端到终端的直接通信,如有需要,必须通过基站和Gateway(至少两个)进行中继。

LoRa的网络结构

LoRa的网络结构
图2  LoRa的网络结构


LoRa基于扩频调制,使用不同扩频因子时,信号实际上是彼此正交。当扩频因子发生变化,有效的数据速率也会发生变化。网关利用了这个特性,能够在同一时间相同信道上接受多个不同的数据速率。为使自适应的数据速率工作,对称的上行链路和下行链路要求有足够的下行链路容量。这些特点使得LoRaWAN有非常高的容量,网络更具有可扩展性。用最少量的基础设施可以部署网络,当需要容量时,可以添加更多网关,变换数据速率,减少串音次数,可扩展6~8倍网络容量。



文章来源:检师学社


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精彩评论2

琪琪 发表于 2019-4-22 14:55:00 | 显示全部楼层
在物联网发展的基础上采用无线传输的组网方式无疑是最佳的选择。
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天行者 发表于 2019-4-22 14:58:24 | 显示全部楼层
随着不断发展的物联网技术,在物联网通信层低功耗与长距离之间的矛盾随着低功耗广域网技术的出现也得到了很好的解决,逐渐成为物联网当中的发展重点。
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