Rapport d'analyse de faisabilité de technologie de LoRaWAN appliqué à l'électricité/à la collecte d'informations consommation d'eau
Avec le développement de l'Internet des choses, beaucoup d'applications d'IoT ont de petits paquets de données, plus grande tolérance pour des retards, et besoin d'être déployé dans un éventail, ou sont situées dans à distance, souterrain et d'autres endroits fortement protégés, avec la communication sans fil existante ou le signal de la technologie de communication mobile n'est pas facilement accessible. Pour le problème mentionné ci-dessus, des technologies des communications de fond et de basse puissance ont été développées, collectivement désigné sous le nom du réseau de zone ample de puissance faible (LPWAN). LPWAN a les avantages de la consommation de puissance faible, de fond, et la grande connexion, ainsi il convient aux applications qui exigent un large éventail de déploiement et d'un peu de transmission de données. Il est très approprié aux conditions d'application de la collecte de données de mètres intelligents d'énergie. LPWAN peut être divisé en deux camps : la bande de fréquence autorisée et la bande de fréquence non autorisée selon la bande de fréquence ont employé. La technologie non autorisée de la bande de fréquence LPWAN a développé plus tôt, et la technologie principale est LoRaWAN.
1. Introduction à LoRaWAN
LoRaWAN est un ensemble de protocole de transmission et d'architecture de système conçus pour le réseau de transmission de fond de LoRa. Il définit comment des données sont transmises dans le réseau de LoRaWAN (le réseau ici se rapporte à des noeuds, à des passages et à des serveurs), définit le type de message, la structure de cadre de données et la méthode de chiffrage de sécurité ; et présente les opérations spécifiques du réseau, et explique la différence entre le maître et les dispositifs slaves.
Dans la conception du protocole et de l'architecture de réseau, LoRaWAN considère entièrement plusieurs facteurs tels que la puissance de noeud, la capacité du réseau, la sécurité et la diversité d'application de réseau.
2. Architecture de réseau de LoRaWAN
Diagramme d'architecture de réseau de LoRaWAN
Une architecture de réseau de LoRaWAN inclut quatre parts : terminal, station de base, NS (serveur de réseau), et serveur d'applications. L'étoile et les topologies de réseau cellulaires sont employées entre les stations de base et les terminaux. En raison des caractéristiques de fond de LoRa, transmission de simple-houblon peut être employé entre elles. Le noeud terminal peut envoyer aux stations de base multiples en même temps. La station de base en avant les données de protocole de LoRaWAN entre le NS et le terminal, et porte les données de LoRaWAN sur la transmission de radiofréquence de LoRa et le TCP/IP respectivement.
3. Aperçu de protocole de LoRaWAN
3,1 classification des noeuds terminaux
En termes de spécifications techniques, le débit de transmission de LoRaWAN est au sujet de 30bit/s-50kbit/s, la distance de transmission est environ 2-5 kilomètres dans la zone urbaine, et le plus long peut atteindre 15 kilomètres dans les banlieues. Il soutient la transmission bilatérale, et la méthode de transmission dépend des conditions de retard et des fonctions de la puissance peuvent être divisées en trois niveaux : Ligne de base (classe A), balise (classe B) et continu (classe C). La classe qu'une méthode transmettra seulement quand le terminal envoie une demande, la puissance est la plus basse. Elle est employée dans des mètres d'eau et des compteurs à gaz. La classe C signifie la transmission de données continues, avec le temps de retard le plus court de transmission. La classe C est généralement employée dans des mètres électriques.
3,2 transmission de liaison montante et de liaison descendante des noeuds terminaux
C'est le diagramme d'ordre de la classe une liaison montante et une liaison descendante. Actuellement, la fenêtre de réception RX1 commence généralement 1 seconde après la liaison montante, et la fenêtre de réception RX2 commence 2 secondes après la liaison montante.
La classe C et A sont fondamentalement identique, sauf que quand la classe A dort, elle ouvre la fenêtre de réception RX2.
3,3 méthode de noeud terminal joindre le réseau
Il y a deux manières de joindre le réseau : Au-dessus - de l'activation d'air (OTAA) et de l'activation par la personnalisation (ABP).
Les réseaux commerciaux de LoRaWAN suivent généralement le processus d'activation d'OTAA, de sorte que la sécurité puisse être garantie. Cette méthode doit préparer les trois paramètres, y compris : DevEUI, AppEUI, et AppKey.
DevEUI est identification unique d'a globalement - semblable à IEEE EUI64, qui identifie un terminal unique. Il est équivalent au MAC address du dispositif.
AppEUI est identification unique d'a globalement - semblable à IEEE EUI64, qui identifie un fournisseur d'application unique.
AppKey est assigné au terminal par le propriétaire de l'application.
Le terminal lance « joignent » la commande, et le NS (serveur de réseau) confirme qu'il est correct, il répondra au terminal et assignera l'adresse réseau DevAddr (identification à 32 bits). Les deux parties emploient les informations importantes dans la réponse et l'AppKey de réseau, produisent des clés de session NwkSKey et AppSKey, qui sont employées pour chiffrer et vérifier des données.
Si la deuxième méthode de dépistage (activation d'ABP) est employée, configurez directement les paramètres de communication finaux de DevAddr, de NwkSKey, et d'AppSKey, et joignez le processus n'est plus exigé. Dans ce cas, le dispositif peut envoyer des données d'application directement.
3,4 transmission et réception de données
Après joignez le réseau, les données d'application est chiffré.
Il y a deux types de cadre de données de LoRaWAN : Confirmé ou non confirmé, c.-à-d., le type qui exige la réponse et autre qui n'exigent pas la réponse. Les fabricants peuvent choisir le type approprié selon les besoins d'application.
En outre, il peut voir de l'introduction que LoRaWAN est à la diversité d'application de soutien. En plus d'employer AppEUI pour diviser des applications, le port d'application de FPort peut également être employé pour traiter des données séparément pendant la transmission. La chaîne de valeur de FPort est (1~223), qui est spécifié par la couche application.
3,5 mécanisme d'ADR
Il y a un facteur de propagation dans la modulation de LoRa, et les différents facteurs de propagation ont différents distances et débits de transmission de transmission, et n'ont aucune influence sur la transmission de données.
Afin d'augmenter la capacité du réseau de LoRaWAN, un mécanisme d'adaptation de taux de LoRa (données adaptatives taux-ADR) est conçu dans le protocole. Les dispositifs avec différentes distances de transmission emploieront le débit le plus rapide possible selon les conditions de transmission. Ceci rend également la transmission de données globale plus efficace.
4. Caractéristiques de LoRaWAN
LoRaWAN a les caractéristiques de la transmission sans fil, de la capacité anti-parasitage forte, de la communication chiffrée, de la couverture large, de la consommation de puissance faible, de la grande connexion, et du coût bas.
De fond : LoRa réalise approximativement deux fois la distance de communication de la technologie cellulaire.
Grande capacité : Beaucoup de noeuds d'IoT, et un réseau de LoRaWAN peuvent facilement relier des dizaines de milliers de noeuds.
Expansion facile de capacité : Quand un réseau de LoRaWAN doit augmenter sa capacité, ajoutez juste un passage.
Sécurité : LoRaWAN est un Internet double-chiffré des choses. Il convient à l'application de l'information du mètre électrique.
5. Spécifications de passage de LoRaWAN
5,1 passage
5,2 module de LoRaWAN
Consommation de puissance faible : Le plus bas courant de réserve est 1.5uA
Sensibilité élevée : Elle peut atteindre -139dBm@SF12/125KHz
Anti-parasitage : Communication performante de fréquence d'extension, et interfoliage de cycle efficace de correction d'erreurs
La capacité pénétrante forte, sa gamme de couverture peut atteindre plus de 2km.
6. Rapport des essais
6,1 essai de distance
À une distance linéaire de 3.7KM de Wuhan Radarking Electronics Corp., la force du signal est -94, le SNR est -6,0, et les paquets de données d'antenne intégrée et d'antenne externe sont normaux.
6,2 test de pénétration dans le bâtiment : Le passage est installé dans le puits du mètre sur le 15ème étage du 4ème bâtiment de la première phase du jardin de Huangjinkou Binjiang.
Bâtiment d'essai | ||||
Antenne externe | Antenne intégrée | |||
Force du signal | SNR | Force du signal | SNR | |
F32 | -83 | 3 | -90 | -8 |
-85 | 4 | -90 | -8 | |
-85 | 1 | -91 | -7 | |
-85 | 2 | -88 | -8 | |
-84 | 4 | -91 | -8 | |
F25 | -85 | 2 | -91 | -5 |
-87 | 2 | -87 | -6 | |
-85 | 1 | -90 | -7 | |
-84 | 1 | -90 | -6 | |
-85 | 1 | -91 | -5 | |
F20 | -66 | 9 | -76 | 9 |
-64 | 9 | -81 | 8 | |
-66 | 9 | -78 | 9 | |
-63 | 9 | -77 | 9 | |
-88 | 9 | -77 | 9 | |
F10 | -64 | 10 | -73 | 11 |
-63 | 10 | -72 | 9 | |
-61 | 9 | -75 | 9 | |
-62 | 9 | -72 | 9 | |
-63 | 9 | -72 | 9 | |
F5 | -84 | 1 | -90 | -7 |
-88 | 1 | -90 | -5 | |
-86 | 1 | -90 | -8 | |
-85 | 1 | -89 | -9 | |
-88 | 1 | -89 | -10 | |
F2/F1 | -78 | 9 | -91 | -9 |
-88 | -5 | -90 | -8 | |
-83 | 3 | -89 | -4 | |
-88 | 1 | -91 | -9 | |
-89 | -10 | -90 | -7 |
Dans la table ci-dessus, la force du signal est au-dessus de -100dbm (bien plus grand que la limite de réception -139dbm de la sensibilité du module), et le SNR est au-dessus de -10 pour réaliser la communication fiable bi-directionnelle. Par conséquent, quand nous installant le passage sur le 15ème étage, le signal pouvons planchers entiers de couverture les 32.
6,3 l'essai d'indice de réussite du téléchargement de données
Conditions d'essai : 120 mètres électriques, un passage (8-canal semi-duplex)
Mode de communication : Sans confirmation, renvoyez une fois le temps. | |||
Essai non. | Le nombre de mètres que les données téléchargent avec succès | Indice de réussite (%) | Heure de télécharger (en second lieu) |
1 | 119 | 99,2 | 154 |
2 | 118 | 98,3 | 155 |
3 | 120 | 100 | 155 |
4 | 120 | 100 | 155 |
5 | 118 | 98,3 | 155 |
6 | 119 | 99,2 | 155 |
7 | 119 | 99,2 | 155 |
8 | 120 | 100 | 155 |
9 | 120 | 100 | 155 |
10 | 120 | 100 | 155 |
Mode de communication : Sans confirmation, renvoyez deux fois les périodes. | |||
Essai non. | Le nombre de mètres que les données téléchargent avec succès | Indice de réussite (%) | Heure de télécharger (en second lieu) |
1 | 120 | 100 | 155 |
2 | 120 | 100 | 154 |
3 | 120 | 100 | 155 |
4 | 119 | 99,2 | 154 |
5 | 118 | 98,3 | 159 |
6 | 119 | 99,2 | 154 |
7 | 118 | 98,3 | 158 |
8 | 119 | 99,2 | 158 |
9 | 120 | 100 | 154 |
10 | 118 | 98,3 | 154 |
Il peut voir des essais ci-dessus que 120 mètres peuvent télécharger des données d'ici 3 minutes, et l'indice de réussite moyen est plus de 99%.
En conclusion :
1. L'utilisation des antennes intégrées dans la ville peut assurer la communication normale à moins de 2-3km, et l'utilisation des antennes externes peut atteindre de plus longues distances.
2. Il peut pénétrer 10-15 planchers
3. Utilisant un passage semi-duplex de 8 canaux avec 120 mètres, la transmission de données fiable peut être accomplie d'ici 3 minutes, et un passage semi-duplex de 16 canaux peut réaliser la transmission de données fiable de plus de 200 mètres.
La technologie de LoRaWAN peut effectivement réaliser la collecte et le contrôle d'information de l'eau et de mètre électrique.
Personne à contacter: Mrs. Ada Yang
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