原标题:浅谈LoRa及在无线抄表中的设计思路和应用举例

大多数厂家对LoRa的理解或印象仅仅停留在普遍被宣传的距离远,抗干扰,低功耗,如被洗脑一般,更有甚者,过度神话LoRa,简直无所不能的能解决一切问题,极其容易被忽悠掉坑里,我想应该先吐糟一下。

某些厂家使用或者测试LoRa,往往过于肤浅,只关注LoRa能传多远距离、穿几层楼层,甚至在对比不同厂家产品的时候都只以距离为唯一的评判标准,其实LoRa芯片只来源于美国SEMTECH,各家拿到的是一样的芯片SX1278/6,如果公司不是技术实力太差,相同条件下的传输距离基本都不会相差太远。

同样道理,如果LoRa做成透传模块,只进行简单的发送和接收,各家的模块功耗也应该是差不多的水平。

由此来看,排除各家公司的细节处理、工艺、用料等差异,各家的LoRa产品性能其实都是差不多的水平,而真正体现各家LoRa产品水平的就是上层的应用,如功耗控制方法、LoRa互联技术等。

以水表无线抄表举例(燃气表适用):

手抄机抄表已经是很普遍的抄表方式,成本低易于实施,稍有开发能力的公司或技术人员都能设计和使用LoRa,但基于目前的趋势判断(美其名曰:智慧城市,智慧抄表),自动化远传抄表才是未来发展的方向,此处讨论的即是集中器或者基站抄表,通俗点讲,即只部署1个基站抄收整个小区内的LoRa水表,再通过运营商的2G/4G网络,水司/水务公司在办公室就能远程抄收水表数据,全自动远传抄表。

水表无线抄表,或者说无线抄表核心需求就3点:

1.可抄到

2.使电池长时间待机

3.双向交互

1.LoRa比传统的FSK、GFSK传输距离更远,安装在水表中的确距离和穿透力有了提升,但依然和实际需求有差距,特别是小区环境,所有水表到集中器肯定无法都进行直接传输,完全做不到一级就到,1个集中器肯定无法覆盖所有的水表,此处读者不禁要问,为啥不把LoRa的扩频因子(SF)调到最高12,速率也调到最低,那样不就可以传输最远了吗,说不定小区就全覆盖了?真的是这样吗?No, Too young, too simple,的确,扩频因子最高,速率最低可以提高LoRa的传输距离,但这仅仅就足够了吗,SF到12模块可以穿12-15层楼,假如集中器设置在30层楼的楼顶,显然还是无法保证无盲点,有人会说多加集中器,土豪当然可以这么干,众多集中器,水表肯定能百分百覆盖了,但为了几个盲点加集中器,值得吗!当然,解决方法显而易见:加中继(第3点),但同时另一个致命问题又来了:功耗(第2点)。

多数希望做无线水表的厂家还是表本位的思路(其它产品亦适用),认为LoRa或者无线只是无线水表的简单附属品,很多厂家将实现远距离通信的效果完全寄托于LoRa,而忽略了表本身的结构对无线的影响,特别是表内的LoRa天线,其重要程度甚至高于LoRa本身,设计人员以为随便找个位置塞进去就行,其实不然,特别是如LoRa之类的甚高频RF无线类型,对金属等结构件极敏感,设计上的稍作改动都会使无线传输效果大打折扣,水表与LoRa或者说水表与无线的组合应该是相辅相成,不应该孤立的看成是两种组件简单的组装,厂家在产品设计初期就应该特别注意。

如图,两种常见的浪花水表,改造为LoRa远传无线表,如果天线设计和匹配良好,两种效果不会相差太大。

2.电池容量一定的情况下,要想省电做到常年运行,降低LoRa的功耗就至关重要,在发射功率50mW情况下,LoRa在各个状态的功耗可由电流得出: 发射85mA,接收10mA,休眠4uA,发射、接收和休眠功耗都是LoRa模块硬性的功耗支出,任何厂家也无法改变,由此可见模块消耗的功耗主要是发射和接收状态下(当然,常年工作的情况下休眠功耗也很可观,可另做分析),在实际场景中,水表抄表事件发生的概率并不高,如每月抄表,每天抄表,每小时抄表,为了节省电池功耗,厂商只能通过控制LoRa的工作方式节省功耗,有且只有一种(主动上传方式下文有分析):即LoRa模块在非抄表状态下进行呼吸工作方式,或称之为心跳方式,非抄表状态省电运行,而抄表时能即时响应,以此达到省电的目的。

LoRa呼吸/心跳工作方式:

休眠一段时间——-接收打开搜索唤醒信号——–如有唤醒信号则正常收发进行抄表或发现无唤醒信号则进入休眠

抄表状态下的功耗无法节省,真正能控制省电的部分就只能是呼吸状态下的电流消耗,呼吸状态只产生休眠和接收功耗,显而易见,控制接收功耗就是关键,要做到模块省电最好的办法就是尽量缩短接收时间,然而,如果把LoRa扩频因子调到最高,速率最低,传输相同数据的情况下唤醒时间(接收时间)必将被成倍拉长(SF=7, 18.23Kbps;SF=12, 0.3Kbps; 两相对比可见差异之大),即使是毫秒级的mA级接收电流消耗对电池寿命影响将是致命的,多数水表为了防水都将电池灌胶封住不可更换,无线水表一般要求6-10年的保证期,一旦没电,也许就只能‘呵呵’了;速率太高,距离短,速率太低,太耗电,所以,水表无线抄表中扩频因子的选择,即速率的选择与接收时间必需取得一定意义上的平衡,而不能走极端。

3.既然有了距离和功耗的双重限制,大家肯定也想到只有一种办法解决问题了:加中继,即在水表和集中器直接加中继进行接续传输,而且需要至少满足3点,1.支持多级中继,水表数据能通过多级跳方式传回集中器;2.中继器的成本还要远低于集中器,土豪请忽略。3.中继器也是电池供电,不然无线抄表就失去了意义。What’s more, 中继之间还需要进行联网并自动进行路径选择,一条中继路径阻塞自动选择另一条,如果是人工设置路劲,麻烦就大了,假如小区内环境产生变化,树木长大了,车辆增多了,居民家里物体介质变化了,水表连不上之前的中继了,那请水表厂家再来设置吧,而且未来会不定时要来哦!

理想状态下,每个水表既做表又做中继是最佳方案,那么整个方案就无需额外增加中继器,但如果按照水表6-10年的电池寿命,LoRa的10mA接收功耗不足以支撑其再扮演中继器的角色,如果表数据通过的路径不均衡,比如某些表承担了更多的中继任务,更会导致有的表耗电慢,有的表耗电极快。国内大多数开发者使用最多的CC1101,接收电流在14mA左右,更不适合用于表或者中继设备,目前国内除了SX1212组网模块大批量商用外(SX1212接收电流2.8mA),基本没有其它芯片可以做到这点。

电池的自放电损耗与一致性在无线水表整个生命周期内的影响也是必需考虑的因素,常年工作运行的电池自放电最少可达电量的1/10,再加上一致性上的差异,最差的情况下电池实际放出供模块使用的电量只有70%左右,如:3600mA实际只放出2500mA电量。

关于功耗和距离还有另一种方式解决问题,比如市场火热的LoRaWAN等主动上传产品。

主动上传是在固定时间或规定的时间窗口进行数据传输,其它时间则可处于休眠状态,以LoRaWAN为例,最大64个通道,如果发射间隔周期够长,在功耗方面的确要比主从式工作方式更省电(忽略1个LoRaWAN基站带几千至上万个点竞争时间窗口造成的数据冲突,重发功耗损失),但是其优势恰恰暴露了其弱势,下行,下行,下行,说3遍表达重要性,例如要进行双向交互怎么办?如阀控。

更为致命的也许是:盲点怎么办!!当然,土豪又要说了,多加基站,仅此而已。

集中器/基站控制第1级中继器,第一级中继再向下延伸控制多级中继器,多级中继器组成的网络才足以提供覆盖整个小区的深度和广度。

鉴于此,无线水表抄表如果要做成双向交互的LoRa远传抄表系统,无疑只能在功耗、距离上取得平衡,在整个结构中加入中继器,使用LoRa 做成MESH组网设计才能实现,即LoRa MESH,但是LoRa通过协议做成MESH网络看上去很美,但很多问题需要协议解决,冲突机制如何设计,中继与路径选择,唤醒方式等等(特别是唤醒机制,如果如同手持机一样将所有表都同时唤醒,假设小区有1000块表,在第1000块表没有抄读完之前,所有表都需要处于收发状态,无疑功耗损失就非常大,解决方式可以是整个小区内的表都是异步通信,表按照某种时序传数据,传输完成则进入呼吸状态),国内某些厂家能做好其中的某点或几点,但完全将所需的功耗控制和网络技术糅合在一起,再加上需要规模化的验证其稳定性,能成型大规模商用的水表LoRa抄表解决方案已经屈指可数。

最理想状态当然是:水表全覆盖,路径自动选,成本绝对低,后期免维护;说到这大家应该都明白了,各家做LoRa的实力对比就在此,LoRa大家都能用,真正拼的恰恰是LoRa以外的东西。

据了解,LoRa联盟与NB-IoT联盟正在火热抢夺物联网市场,由于二者技术特性、适用场景不同,难以一站式满足客户需求。目前,协成智慧有落地成功案例与丰富行业解决方案,又是CLAA(LoRa联盟)与中国NB-IoT产业联盟成员,提供一站式LoRa解决方案(兼容NB-IoT),包含LoRa模组、NB-IoT模组+物联网基站+管理平台软件开源+数据供应等,可定制可开发,市场首选。

责任编辑: