LoRaWAN技术在智慧社区环境监测中的应用研究

魏素盼 时生乐

【摘要】社区作为城市系统的基本单元，其信息化建设的相关研究对基层社会管理有着关键的实践价值。在社区信息化建设过程中，底层数据的获取以及这些数据如何通过可靠的网络传输接入互联网是尤为重要的。本文将几种传统无线短距离通信技术和低功耗广域网LPWAN技术进行了对比，提出一种基于LoRa技术的智慧社区环境监测建设方案，通过LoRa技术实现数据传输的低成本及广覆盖，具有广阔的应用前景。

【关键字】智慧社区;物联网;LPWAN技术;LoRa

基金项目：河南水利与环境职业学院院内项目：职业技能大赛对物联网专业建设实效性研究（编号：KY1906）

社区智慧化的本质是通过现代新兴的通信手段，将各种采集器、控制器和人有效的结合在一起，从而提升社区治理能力，推动社区融合发展，实现由传统社区向智慧社区及未来社区的转型升级。

在智慧社区建设中，社区环境的全面监测及数据传输是基础。对社区相关设施进行环境监测分析，不仅能为社区环境治理提供数据支撑，同时也能为社区环境保护规划提供建设性意见。就当前的智慧社区建设领域来看，数据的有线传输依旧是主要形式。现有的有线传输方案通过RJ45网口或RS485通信方式进行数据传输，此方案存在成本高、传输距离短及布线难等缺点，更低成本和更广域覆盖的无线传输方案是智慧社区建设首要考虑的问题。近年来，正在开发和部署的低功耗广域网LPWAN（LowPower Wide Area Network）技术可以支持此类物联网连接需求，使得规模化的网络部署成为可能。城市级统一开放的物联网运营平台已经开始在各大城市部署，借助新兴的无线传输技术，将物理世界和信息系统紧密联系在一起，获得前所未有的海量数据，社区信息化建设也将由于物联网技术得重新定义而焕发新的巨大活力。

1. LPWAN技术和LoRaWAN协议

物联网无线组网技术有多种，以传输距离进行划分，主要分为两大类：一类是传统的短距离无线通信技术，包括ZigBee、WiFi、蓝牙、超宽带（UWB）等;另一类新兴的长距离无线通信LPWAN技术。由于第一类技术在组网过程中存在功耗大、距离短、连接数有限、穿透能力弱等问题，在实际的社区信息化部署中不能满足远程监测与控制的需求;第二类技术因其低成本、低功耗、大连接和广覆盖等特点，在智慧社区和城市建设中受到越来越多的重视和认可。

1.1 LPWAN技术

LPWAN是一种无线通信广域网，用于物联网中信息的低速率远距离传输，其特征主要是功耗低、数据速率低、地域覆盖广。主流技术有两类：一类是工作在授权频谱下，有NB-IoT、EC-GSM、LTE Cat-m等;另一类是工作于未授权频谱的LoRaWAN、SigFox等技术。其中NB-IoT，即Cat-NB1，Narrowband IoT，窄带物联网，构建于蜂窝网络，主要以3GPP为主导，有专用的通信信道，新增到LTE平台的无线电规范，针对低端市场而优化;LoRaWAN技术则是由LoRa联盟制定的LPWAN技术规范，主要面向无线电池供电应用。目前中国的部分企业在使用LoRaWAN技术，频段网关为470-510MHz，其通信协议更加简单灵活，与NB-IoT相比，其最大优势在于不依赖电信运营商，且不产生网络使用费及流量费。

1.2 LoRaWAN协议

一个LoRaWAN网状网络架构由终端节点、集中器/网关、回程、网络服务器与应用服务器五部分组成。终端节点异步广播数据包到网络，网关有一个多信道和多数据速率的射频嵌入式设备，可以获取终端节点广播的数据包，并对其进行解调。LoRa的长距离特性使得数据包可以单跳传输。终端节点可以将数据包同时发给多个网关，网关对数据做转发处理，将LoRaWAN数据分别承载在LoRa射频传输和TCP/IP上。

2. 智慧社区总体架构

基于LoRaWAN技术的智慧社区环境监测系统总体架构如图1所示，采用包含采集感知层、网络传输层、平台处理层和应用层的四层架构。采集感知层将LoRa模块与传感感知设备结合在一起，包括超声波传感器、甲烷传感器、流量计、液位仪等，这些传感器负责采集超声波信息、甲烷浓度信息、水流量、水位信息等，通过LoRa模组将数据传输至LoRa网关。LoRa网关通过互联网将数据发送到公共或私有云平台。平台层具有协议适配能力，具有统一标准和接口，可以接入和管理不同类型终端设备与不同类型应用平台，并确保各类设备、平台之间数据的联通。应用层运行在服务器上，实现各类管理及智慧应用功能，管理者可以基于该平台进行应用程序开发，同时能够在电脑端通过IP网络经身份验证后进行远程数据查询和监控，客户端可在手机上安装APP应用软件，实现随时随地的信息监测与管理。

3. LoRaWAN技术在智慧社区应用实例

3.1 智能垃圾桶

智能垃圾桶用于管理垃圾桶信息，实时监测智能垃圾桶设备状态、垃圾桶设备详细概况以及设备数据。其设备详细概况有：1）垃圾高度（cm）=桶高（cm）-超声波测距（mm）;2）桶状态：垃圾桶已满和垃圾桶未满;3）通知状态：报警开启并且达到触发条件时，报警状态灯变红;4）详情：通过详情可以查看设备数据和历史数据。安装在垃圾桶中的超市波仪器对准不同距离（有效范围3cm-4.5cm）的障碍物，可以适当调整垃圾高度值。设备数据最终通过LoRa通道将数据传输至LoRa网关，LoRa网关将接收到的数据上传到云平台，软件客户端从云平台实时获取垃圾桶超声波等相关数据。

3.2 智能井盖

智能井盖用于管理井盖信息，装有甲烷传感器、超声波传感器、三軸传感器。实时监测甲烷含量，当设置的甲烷含量超过触发的条件时，会自动开启井中风扇，风扇执行器由数据采集网关来控制。超声波传感器用于监测水位高度，其工作原理为水位高度=井深-超声波传感器测距，LoRa无线网关统一收集井盖各种监控参数，经IP网络回传至社区管理中心的专业平台，解析数据并进行存储。社区管理平台具有相关权限，可发送相应指令对现场设备运行状态进行调整或控制。

3.3 智能水质监测

在社区内部容易积水的地段安装内置LoRa模块的流量计、液位仪，并保持设备始终在线，实时上传数据信息至LoRa网关。将社区的排水泵和电动阀门同样加装LoRa传输模块与数据收发接口，在社区管理中心平台可随时查看流量计液位信息，可通过相关设置，实现社区自动排水和防洪控制。

4. 总结

智慧社区作为智慧城市建设中的重要基础单元，其信息化改造充分利用物联网、云计算等新一代信息技术，实现了关键设备与人之间的互联。同时，由于这种连接的数据传输量有限，只需要在关键时间点进行数据传输，因此，作为最早出现的LPWAN技术之一，LoRa以其低功耗、远距离传输以及高度自主的布网能力等特点为各种物联网应用和终端用户提供了从设备、边缘到云端的一体化解决方案。未来，LoRa技术的应用范围会不断扩大，LoRa技术必将在物联网产业中扮演重要角色。

参考文献：

[1] 赵静，苏光添.LoRa无线网络技术分析[J].移动通信，2016，40（21）：50-57.

[2] 王瑞.基于LoRa 通信的无线水表抄表系统的设计[D].浙江工业大学，2016.

[3] 徐灿辉.低功率广域网络主流技术应用前景分析[J].广东通信技术.2018（2）：16-19.