LoRaWAN技術(shù)在智慧社區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

魏素盼 時(shí)生樂(lè)

【摘要】社區(qū)作為城市系統(tǒng)的基本單元，其信息化建設(shè)的相關(guān)研究對(duì)基層社會(huì)管理有著關(guān)鍵的實(shí)踐價(jià)值。在社區(qū)信息化建設(shè)過(guò)程中，底層數(shù)據(jù)的獲取以及這些數(shù)據(jù)如何通過(guò)可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸接入互聯(lián)網(wǎng)是尤為重要的。本文將幾種傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)短距離通信技術(shù)和低功耗廣域網(wǎng)LPWAN技術(shù)進(jìn)行了對(duì)比，提出一種基于LoRa技術(shù)的智慧社區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)建設(shè)方案，通過(guò)LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡统杀炯皬V覆蓋，具有廣闊的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵字】智慧社區(qū);物聯(lián)網(wǎng);LPWAN技術(shù);LoRa

基金項(xiàng)目：河南水利與環(huán)境職業(yè)學(xué)院院內(nèi)項(xiàng)目：職業(yè)技能大賽對(duì)物聯(lián)網(wǎng)專(zhuān)業(yè)建設(shè)實(shí)效性研究（編號(hào)：KY1906）

社區(qū)智慧化的本質(zhì)是通過(guò)現(xiàn)代新興的通信手段，將各種采集器、控制器和人有效的結(jié)合在一起，從而提升社區(qū)治理能力，推動(dòng)社區(qū)融合發(fā)展，實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)社區(qū)向智慧社區(qū)及未來(lái)社區(qū)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

在智慧社區(qū)建設(shè)中，社區(qū)環(huán)境的全面監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)傳輸是基礎(chǔ)。對(duì)社區(qū)相關(guān)設(shè)施進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)分析，不僅能為社區(qū)環(huán)境治理提供數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也能為社區(qū)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃提供建設(shè)性意見(jiàn)。就當(dāng)前的智慧社區(qū)建設(shè)領(lǐng)域來(lái)看，數(shù)據(jù)的有線(xiàn)傳輸依舊是主要形式?，F(xiàn)有的有線(xiàn)傳輸方案通過(guò)RJ45網(wǎng)口或RS485通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，此方案存在成本高、傳輸距離短及布線(xiàn)難等缺點(diǎn)，更低成本和更廣域覆蓋的無(wú)線(xiàn)傳輸方案是智慧社區(qū)建設(shè)首要考慮的問(wèn)題。近年來(lái)，正在開(kāi)發(fā)和部署的低功耗廣域網(wǎng)LPWAN（LowPower Wide Area Network）技術(shù)可以支持此類(lèi)物聯(lián)網(wǎng)連接需求，使得規(guī)?；木W(wǎng)絡(luò)部署成為可能。城市級(jí)統(tǒng)一開(kāi)放的物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)營(yíng)平臺(tái)已經(jīng)開(kāi)始在各大城市部署，借助新興的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，將物理世界和信息系統(tǒng)緊密聯(lián)系在一起，獲得前所未有的海量數(shù)據(jù)，社區(qū)信息化建設(shè)也將由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得重新定義而煥發(fā)新的巨大活力。

1. LPWAN技術(shù)和LoRaWAN協(xié)議

物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)有多種，以傳輸距離進(jìn)行劃分，主要分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是傳統(tǒng)的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，包括ZigBee、WiFi、藍(lán)牙、超寬帶（UWB）等;另一類(lèi)新興的長(zhǎng)距離無(wú)線(xiàn)通信LPWAN技術(shù)。由于第一類(lèi)技術(shù)在組網(wǎng)過(guò)程中存在功耗大、距離短、連接數(shù)有限、穿透能力弱等問(wèn)題，在實(shí)際的社區(qū)信息化部署中不能滿(mǎn)足遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制的需求;第二類(lèi)技術(shù)因其低成本、低功耗、大連接和廣覆蓋等特點(diǎn)，在智慧社區(qū)和城市建設(shè)中受到越來(lái)越多的重視和認(rèn)可。

1.1 LPWAN技術(shù)

LPWAN是一種無(wú)線(xiàn)通信廣域網(wǎng)，用于物聯(lián)網(wǎng)中信息的低速率遠(yuǎn)距離傳輸，其特征主要是功耗低、數(shù)據(jù)速率低、地域覆蓋廣。主流技術(shù)有兩類(lèi)：一類(lèi)是工作在授權(quán)頻譜下，有NB-IoT、EC-GSM、LTE Cat-m等;另一類(lèi)是工作于未授權(quán)頻譜的LoRaWAN、SigFox等技術(shù)。其中NB-IoT，即Cat-NB1，Narrowband IoT，窄帶物聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，主要以3GPP為主導(dǎo)，有專(zhuān)用的通信信道，新增到LTE平臺(tái)的無(wú)線(xiàn)電規(guī)范，針對(duì)低端市場(chǎng)而優(yōu)化;LoRaWAN技術(shù)則是由LoRa聯(lián)盟制定的LPWAN技術(shù)規(guī)范，主要面向無(wú)線(xiàn)電池供電應(yīng)用。目前中國(guó)的部分企業(yè)在使用LoRaWAN技術(shù)，頻段網(wǎng)關(guān)為470-510MHz，其通信協(xié)議更加簡(jiǎn)單靈活，與NB-IoT相比，其最大優(yōu)勢(shì)在于不依賴(lài)電信運(yùn)營(yíng)商，且不產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)使用費(fèi)及流量費(fèi)。

1.2 LoRaWAN協(xié)議

一個(gè)LoRaWAN網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由終端節(jié)點(diǎn)、集中器/網(wǎng)關(guān)、回程、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與應(yīng)用服務(wù)器五部分組成。終端節(jié)點(diǎn)異步廣播數(shù)據(jù)包到網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)有一個(gè)多信道和多數(shù)據(jù)速率的射頻嵌入式設(shè)備，可以獲取終端節(jié)點(diǎn)廣播的數(shù)據(jù)包，并對(duì)其進(jìn)行解調(diào)。LoRa的長(zhǎng)距離特性使得數(shù)據(jù)包可以單跳傳輸。終端節(jié)點(diǎn)可以將數(shù)據(jù)包同時(shí)發(fā)給多個(gè)網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)對(duì)數(shù)據(jù)做轉(zhuǎn)發(fā)處理，將LoRaWAN數(shù)據(jù)分別承載在LoRa射頻傳輸和TCP/IP上。

2. 智慧社區(qū)總體架構(gòu)

基于LoRaWAN技術(shù)的智慧社區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，采用包含采集感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、平臺(tái)處理層和應(yīng)用層的四層架構(gòu)。采集感知層將LoRa模塊與傳感感知設(shè)備結(jié)合在一起，包括超聲波傳感器、甲烷傳感器、流量計(jì)、液位儀等，這些傳感器負(fù)責(zé)采集超聲波信息、甲烷濃度信息、水流量、水位信息等，通過(guò)LoRa模組將數(shù)據(jù)傳輸至LoRa網(wǎng)關(guān)。LoRa網(wǎng)關(guān)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到公共或私有云平臺(tái)。平臺(tái)層具有協(xié)議適配能力，具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和接口，可以接入和管理不同類(lèi)型終端設(shè)備與不同類(lèi)型應(yīng)用平臺(tái)，并確保各類(lèi)設(shè)備、平臺(tái)之間數(shù)據(jù)的聯(lián)通。應(yīng)用層運(yùn)行在服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)各類(lèi)管理及智慧應(yīng)用功能，管理者可以基于該平臺(tái)進(jìn)行應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)，同時(shí)能夠在電腦端通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)經(jīng)身份驗(yàn)證后進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢(xún)和監(jiān)控，客戶(hù)端可在手機(jī)上安裝APP應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的信息監(jiān)測(cè)與管理。

3. LoRaWAN技術(shù)在智慧社區(qū)應(yīng)用實(shí)例

3.1 智能垃圾桶

智能垃圾桶用于管理垃圾桶信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)智能垃圾桶設(shè)備狀態(tài)、垃圾桶設(shè)備詳細(xì)概況以及設(shè)備數(shù)據(jù)。其設(shè)備詳細(xì)概況有：1）垃圾高度（cm）=桶高（cm）-超聲波測(cè)距（mm）;2）桶狀態(tài)：垃圾桶已滿(mǎn)和垃圾桶未滿(mǎn);3）通知狀態(tài)：報(bào)警開(kāi)啟并且達(dá)到觸發(fā)條件時(shí)，報(bào)警狀態(tài)燈變紅;4）詳情：通過(guò)詳情可以查看設(shè)備數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。安裝在垃圾桶中的超市波儀器對(duì)準(zhǔn)不同距離（有效范圍3cm-4.5cm）的障礙物，可以適當(dāng)調(diào)整垃圾高度值。設(shè)備數(shù)據(jù)最終通過(guò)LoRa通道將數(shù)據(jù)傳輸至LoRa網(wǎng)關(guān)，LoRa網(wǎng)關(guān)將接收到的數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，軟件客戶(hù)端從云平臺(tái)實(shí)時(shí)獲取垃圾桶超聲波等相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.2 智能井蓋

智能井蓋用于管理井蓋信息，裝有甲烷傳感器、超聲波傳感器、三軸傳感器。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)甲烷含量，當(dāng)設(shè)置的甲烷含量超過(guò)觸發(fā)的條件時(shí)，會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟井中風(fēng)扇，風(fēng)扇執(zhí)行器由數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)來(lái)控制。超聲波傳感器用于監(jiān)測(cè)水位高度，其工作原理為水位高度=井深-超聲波傳感器測(cè)距，LoRa無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一收集井蓋各種監(jiān)控參數(shù)，經(jīng)IP網(wǎng)絡(luò)回傳至社區(qū)管理中心的專(zhuān)業(yè)平臺(tái)，解析數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)。社區(qū)管理平臺(tái)具有相關(guān)權(quán)限，可發(fā)送相應(yīng)指令對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整或控制。

3.3 智能水質(zhì)監(jiān)測(cè)

在社區(qū)內(nèi)部容易積水的地段安裝內(nèi)置LoRa模塊的流量計(jì)、液位儀，并保持設(shè)備始終在線(xiàn)，實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)信息至LoRa網(wǎng)關(guān)。將社區(qū)的排水泵和電動(dòng)閥門(mén)同樣加裝LoRa傳輸模塊與數(shù)據(jù)收發(fā)接口，在社區(qū)管理中心平臺(tái)可隨時(shí)查看流量計(jì)液位信息，可通過(guò)相關(guān)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)社區(qū)自動(dòng)排水和防洪控制。

4. 總結(jié)

智慧社區(qū)作為智慧城市建設(shè)中的重要基礎(chǔ)單元，其信息化改造充分利用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵設(shè)備與人之間的互聯(lián)。同時(shí)，由于這種連接的數(shù)據(jù)傳輸量有限，只需要在關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此，作為最早出現(xiàn)的LPWAN技術(shù)之一，LoRa以其低功耗、遠(yuǎn)距離傳輸以及高度自主的布網(wǎng)能力等特點(diǎn)為各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和終端用戶(hù)提供了從設(shè)備、邊緣到云端的一體化解決方案。未來(lái)，LoRa技術(shù)的應(yīng)用范圍會(huì)不斷擴(kuò)大，LoRa技術(shù)必將在物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)中扮演重要角色。

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