LoRa物联网技术详解

LoRa物联网技术详解

LoRa技术为物联网应用提供了可靠、高效的无线通信解决方案。

LoRa基础概念

什么是LoRa

LoRa（Long Range）是一种低功耗广域网（LPWAN）技术，具有以下特点：

• 远距离传输：1-10公里
• 低功耗：电池可持续数年
• 低成本：设备成本低
• 高容量：支持大量设备接入

应用场景

• 智能抄表（水表、电表、燃气表）
• 环境监测（温湿度、空气质量）
• 农业物联网（土壤监测、灌溉控制）
• 工业监控（设备状态、能耗监测）
• 资产追踪

LoRa协议数据流程

整体架构

LoRa设备 → LoRa网关 → MQTT服务器 → 应用服务器

数据流向

上行数据（设备→服务器）

LoRa设备 → LoRa网关 → MQTT主题: application/+/device/+/rx → 应用服务器

下行数据（服务器→设备）

应用服务器 → MQTT主题: application/{applicationID}/device/{devEUI}/tx → LoRa网关 → LoRa设备

消息主题是LoRaWAN协议的标准规范。

数据报文

上行报文示例

{
  "applicationID": "5",
  "deviceName": "custom-device",
  "devEUI": "00010117ff000bf4",
  "rxInfo": [
    {
      "gatewayID": "b827ebfffe619c43",
      "rssi": -70,
      "loRaSNR": 9.0
    }
  ],
  "txInfo": {
    "frequency": 472300000,
    "dr": 5
  },
  "fCnt": 1,
  "fPort": 223,
  "data": "BAAFAAAAAAAAAAAAAAAAIAEYAgAAADAAAFXwAAAAJgAAA0QD6BOIAAAAAA=="
}

字段说明如下，data内容属于私有协议，自行约定解析

字段	说明	示例值
applicationID	应用ID	“5”
deviceName	设备名称	“kongtiaotest”
devEUI	设备唯一标识	“00010117ff000bf4”
gatewayID	网关ID	“b827ebfffe619c43”
rssi	信号强度	-71
loRaSNR	信噪比	9.2
frequency	频率	472300000
dr	数据速率	5
fCnt	帧计数器	304
fPort	应用端口	223
data	Base64编码数据	“BAAFAAAA…”

LoRa网关作用

LoRa网关设备，在数据链路中非必须，设备也可不通过网关，直连服务器。

LoRa设备 (1-10km) → LoRa网关 → 网络服务器 (全球)
     ↑                    ↑           ↑
   无线LoRa            网络转发     互联网

网关的双重角色

• 无线接收端：网关接收LoRa设备的无线信号，通过LoRa射频模块接收无线信号，频率433MHz, 868MHz, 915MHz等，调制方式LoRa调制。
• 网络发送端：网关将数据转发到网络服务器，通过以太网/WiFi/4G发送到MQTT服务器，协议如MQTT, HTTP, TCP等。

远距离传输关键

基于LoRa网关，能够实现无线+网络的组合，实现远距离传输。

1. LoRa协议：提供1-10公里的无线传输距离
2. 网关中继：将无线信号转换为网络信号
3. 网络传输：通过互联网实现全球传输

基于LoRa和LoRaWAN的无线物联网通信技术

LoRa处理的是物理的射频信号传输，LoRaWAN处理的是虚拟的网络协议逻辑，两者结合实现了无线物联网通信。 数据发送过程：

┌─────────────┐    ┌─────────────┐    ┌─────────────┐
│ LoRaWAN协议 │ -> │ LoRa调制    │ -> │ 射频信号    │
│ (网络层)    │    │ (物理层)    │    │ (物理传输)  │
└─────────────┘    └─────────────┘    └─────────────┘
    虚拟协议           物理技术          物理电磁波

LoRa调制技术

• 是一种物理层的调制技术（类似FM、AM），不是协议。
• 提供物理层通信能力。数据传输基于物理的电磁波信号。
• 可以传输任意数据格式

信息编码过程

信息编码方式：

数字信号 → 模拟信号 → 电磁波调制 → 空间传播

改变载波的特性，绘制出特定规律的波形图（AM振幅、FM频率等），来编码信息。对电磁波信息编码过程：

原始数据: "101" → 载波生成: 868MHz纯净正弦波 → 调制过程: 根据数据改变载波特性 → 调制信号: 包含"101"信息的电磁波 → 天线发射: 辐射到空间 → 空间传播: 电磁波传播 → 天线接收: 接收调制信号 → 解调过程: 从载波中提取数据 → 恢复数据: "101"

无线通信基本原理

电磁波由电场和磁场组成。电磁波的基本特性包含频率、波长、振幅、相位。本质是电场和磁场的振荡，是能量在空间中的传播。

• 载波：原始的没有包含任何信息的电磁波。
• 调制：遵循特定协议，把报文信息编码到波里，产生特定规则的波形。接收端可以解码。 可以通过改变扩频因子和带宽来编码信息，使用更复杂的调制方式，提升抗干扰能力。

LoRaWAN网络协议

• 是建立在LoRa之上的网络协议
• 定义了设备管理、安全、路由等
• 标准化了消息格式和流程

协议规范

| 字段 | LoRaWAN标准 | |——|————-| | devEUI | 设备唯一标识 | | applicationID | 应用标识 | | fCnt | 帧计数器 | | fPort | 应用端口 | | data | 载荷数据 |