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NB-IoT,LoRa实地的应用和设计

  随着低功耗广域物联网技术被越来越多的人认知、解读、参与,加之运营商、芯片厂商向行业的不停宣传、渗透,这对于低功耗广域物联网技术的应用推广有很大的帮助,但是从理论到技术可行,从芯片到产品,从产品到应用实施都有一个过程。

 

        本文通过低功耗广域物联网技术在不同场景下的应用和方案设计思路,希望给出当前状态下低功耗广域物联网技术的成熟度,应用场景选择以及低功耗广域物联网技术在物联网技术领域的重要性上有一个实践性的判断。

二.案例分享

 

         低功耗广域物联网技术对行业吸引力体现在:接入数量多、低功耗、覆盖面广、穿透力强。本文最后一段也给出LoRa实际的测试数据供参考,至于NB-IoT只是有流片出来,芯片级别的测试,对于实际应用会有很大出入,故目前还不能给出测试数据。

 

案例1-外线电缆防盗检测

 
客户需求:
  •  路面施工的时候,很容易挖断电缆

  •  外线电缆偷盗行为的检测

  •  电缆沟积水引起电力事故

 
方案设计:
  • 每个电缆沟放入温度传感器,水浸传感器,震动传感器

  • 利用LoRa节点采集这三类传感器,采用双向通讯与LoRa网关通讯

  • 电池供电,3年供电目标

  • 天线外露设计,传输距离在1.5Km-2Km

 
电缆防盗检测系统拓扑图
 

案例2-电力故障指示器(无人区)

 

客户需求:
 
电力输电、配电网故障指示器远程检测
 
方案设计:

 

        电力故障指示器在电力输电和配电中使用较多的设备,但是通常依赖电力光缆或特殊通讯信道传输,但是在无人区目前的多种通讯方式都达不到要求
采用NB-IoT作为通讯承载协议,可以将覆盖面增大,同时星型组网方式数据可以直接与电网控制中心连接,安装/通讯/协议开发都相对简单

 

案例3-防洪检测

 

客户需求:
 
城市降雨量检测、防洪监测点水位检测
 
案例设计
 
水位检测+LoRa+双向可配置功能
通过双向配置,在非汛期采用低频率检测传输,在汛期采用可配置高频传输。

 

管网漏水检测

 

客户需求:
 
在管网重要点进行漏水检测
 
案例设计
 
漏水检测+LoRa +外露天线+ 低频传输
低频传输有助于延长设备供电时间,外露天线增强传输距离

 

远程水表抄表
 
客户需求:
 
水表远程抄表
 
案例设计
 
水位检测+NB-IoT
NB-IoT的传输距离和运营商的支持,可以有助于水表在一个城市快速铺开和应用。

 
低功耗定位技术(共享单车)

        在无线传感器网络中,常用的测量节点距离的方法主要有TOA(Time of arrival)、TDOA(Time difference of arrival )、超声波、RSSI(Received signalstrength indicator)和TOF(Time of light)等。
 

  • TDOA定位

        LoRa定位可由LoRaWAN网关实现,它能够共享准确的公共时间基准,为接收的每个LoRa数据包添加高分辨率时间戳。每个基站都会报告到达时间和支持的元数据,让位置解算器根据到达时间差(TDOA)算法来确定终端节点位置。
 
        TDOA定位是一种利用时间差进行定位的方法。通过测量信号到达监测站的时间,可以确定信号源的距离。利用信号源到各个监测站的距离(以监测站为中心,距离为半径作圆),就能确定信号的位置。但是绝对时间一般比较难测量,通过比较信号到达各个监测站的时间差,就能作出以监测站为焦点,距离差为长轴的双曲线,双曲线的交点就是信号的位置。
 
        TDOA算法是对TOA算法的改进,他不是直接利用信号到达时间,而是用多个基站接收到信号的时间差来确定移动台位置,与TOA算法相比他不需要加入专门的时间戳,定位精度也有所提高。

远程抄表

图: TDOA定位
 
  • RSSI定位

目前Semtech SX1278系列Lora扩频芯片具有设置发送功率的功能,即可采用信号强度方法进行定位。原理如下:
P = P0 + 10n log10(d/d0)
 
其中P为参考点A接收到被测量点T信号的信号强度(已知);
P0为参考点A接收到从相距d0发送的信号强度(已知);
d为参考点A与被测量点T之间的距离(未知);
d0为参考点A和参考点B之间的距离(已知);
n为环境因子(未知)。
 
        为了更好地适应不同环境,对参考参数P0、d0和n进行动态修正,其中:P0位参考点B以与被测量点T相同功率发送信号,在参考点A接收到的信号强度(已知);
     d0为参考点A和参考点B之间的距离(已知);
n为利用式子分别测量参考点ABC之间的信号强度Pab、Pac、Pbc,计算环境因子n1、n2、n3,然后对3个环境因子取平均值得到n。

 RSSI定位

图:RSSI定位
 
  • NB-IOT定位

        NB-IoT R14将在2017年9月份前完成标准冻结,NB-IoT定位精度希望达到50米以下,不过,由于城市环境的复杂度,NB-IoT定位精度会大大衰减,而且即使按计划目标达到了50米以下的定位精度,NB-IoT也无法对共享单车进行定位。
 
        在50米的视距范围内,可能就有多辆共享单车,用户无法判断哪一辆是其预定的车辆,平台也无法精确对每一辆车进行管理。因此,必须借助GPS、北斗等厘米级的定位工具感知位置信息,NB-IoT进行辅助定位并承担传输位置信息功能。而借助GPS、北斗之后,车锁的功耗会大大增加,电池供电寿命将大打折扣。
 
最近有报道中国电信与ofo进行NB-IoT共享单车的定位研究,从一个方面说明低功耗定位技术的可行性,但是也应明白NB-IoT定位商用还需要时间
 

  • 共享单车方案

LoRa定位+惯性传感器:在城市共享单车点部署LoRa基站,利用手机GPS定位骑行人员轨迹,LoRa进行静态位置定位,惯性传感器作为还车后相对位置定位以及移动报警功能。

 

LoRa模块通讯能力检测


 

本文测试了市场上相对成熟的LoRa模块

 
场景1-城市大楼
城市大楼
设备测试平面地图
 
场景2-没用遮拦物
设备测试平面地图
 

测试结果

500mw的LoRa模块在1.5-2km丢包率开始提高,虽然1秒频率发包一次,但是接收的频率室10秒钟才能收到2-3次。

 

总结


 

就市场、技术成熟度来说LoRa更加的成熟和灵活组网来说都更适用于目前不断出现的物联网应用场景,NB-IoT离商用还有一段距离。
 
      随着市场的成熟,LoRa在单体客户小中型上比NB-IoT有更大的优势,并且不受地理位置、客户属性限制;NB-IoT由于得到运营商的支持,可以在某一个城市快速铺开一个行业。

标签: LoRa应用 NB-IoT应用

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