介绍
随着各行业寻求具有扩展范围和设备支持的经济解决方案, 满足这些条件的连接已成为必需. 这样的需求导致了LPWAN的出现 (低功耗广域网) 和 LoRaWAN 技术. LoRaWAN是一种低功耗广域网 (低功耗广域网) 旨在允许设备远距离无线连接到互联网的协议. 其主要特点——长距离覆盖和最低功耗——非常适合无线通信的要求 物联网设备 基本上都是电池供电的.
什么是LoRaWAN?
LoRaWAN 是一种属于 LPWAN 范畴的无线通信技术 (低功耗广域网). 这意味着它的设计旨在使用最小的功率，同时实现远距离传输, 使其成为大规模物联网应用的理想选择. 本质上, LoRaWAN采用LoRa调制技术, 这是实现LPWAN的具体方式.
洛拉, 其核心, 是一种采用线性调频扩频的物理层调制技术 (CSS) 信息编码技术. 它指定各种通信设置, 包括带宽, 传输频率, 编码率, 和扩频因子. 基于 LoRa 构建, LoRaWAN技术定义了物联网终端节点设备与网络之间通信的协议 网关, 帮助设备无缝连接到互联网.
LoRaWAN 类
A级
A 类作为异步系统运行，其中终端节点可以在必要时向网关广播消息，然后进入非活动状态，直到下一次传输. 该设置有效地利用了多通道系统中的时隙
B级
一种向电池供电节点发送消息的方法, 网关每隔一段时间就会发出一个信标 128 秒. 该信标使所有 LoRaWAN 基站能够使用 GPS 卫星信号同步时间.
C级
使节点能够随时持续监听并传输下行消息. 此类通常用于交流供电应用，因为它需要大量能量来保持节点完全活动并且接收器始终运行.
LoRaWAN 的工作原理
LoRa 调制使用一种称为线性调频扩频的技术将数据编码为无线信号. 通过提高线性调频速率, 信号分布在多个频率范围, 允许它在没有太多干扰的情况下行驶更远的距离. LoRa 采用基于这种线性调频技术的专有扩频调制. 例如, 靠近网关的设备由于邻近而使用较低的扩频因子来快速传输数据, 而距离较远的设备则使用较高的扩频因子来扩展信号范围, 即使这会减慢传输速度.
物联网设备 (例如 传感器) 在 LoRaWAN 网络中定期或按需收集数据. 这些设备使用内置的LoRa模块和LoRa调制技术将收集到的数据无线传输到附近的LoRaWAN网关, 然后将数据上传到 LoRaWAN 网络服务器. 数据去重和验证后, 设备入网验证、身份认证等功能的处理, 数据将转发至应用服务器, 这通常是用户定制的系统, 以便于分析和存储接收到的数据, 并进行发起报警、生成报告等相应处理.
LoRaWAN 的主要特性和优点
长距离和 覆盖范围:
LoRaWAN下的LoRa调制技术允许传输范围达数公里, 长达数十公里. 大多数情况下, LoRaWAN 实现了约 2-5 城市中的公里范围，但在空旷的乡村地区可以超过15公里.
低功耗:
使用LoRaWAN系统伴随着低能耗, 因此，这些系统更适合低功耗或电池供电的设备. 这意味着这些设备多年来不需要每隔几个月更换电池, 对于位于难以访问区域的远程监控传感器和资产跟踪器来说，这一功能非常重要.
可扩展性:
单个 LoRaWAN 网关能够同时处理数千个设备, 从而支持广泛的连接. 通过使用自适应数据速率 (美国存托凭证) 功能, LoRaWAN网络也称为低功耗广域网资源管理，旨在以更有效的方式在设备之间进行通信.
经济高效的硬件:
启动 LoRaWAN 网络成本较低，因为不需要太多设施. 开源基础设施和软件资源使其采用起来更加经济.
全球连通性:
正如 LoRaWAN 联盟所述，LoRaWAN 对所有用户开放. 设备和网络可以协调运行，无需共同的提供商, 从而提供更好的跨品牌和跨行业整合, 以及应用它们的更多可能性.
LoRaWAN 的常见用例
1. 智慧城市
LoRaWAN 技术可以帮助连接不同的物联网设备, 传感器, 通过提供广域网，智能电表和其他设备出现在智慧城市中. 物联网设备和网络可以整合到城市现有的基础设施中，从而促进流程自动化以及系统监督和控制，从而降低运营成本. 以下是一些可以在智慧城市中实施的想法:
- 智能路灯: 控制, 通过广泛的 LoRaWAN 网络管理和监控城市路灯，能够根据交通流量和外部照明调节亮度，以降低能源成本.
- 停车管理: LoRaWAN 传感器跟踪停车位的占用情况并告知驾驶员停车位的可用性, 从而缓解停车问题和交通流量.
- 空气质量监测: 采用LoRaWAN传感器监测全市大气中各种污染物浓度，达到控制污染的目的.
2. 智慧农业及其现代工具
农业运营正在智能农业的特定领域采用物联网和户外 LoRaWAN 应用. 使用 LoRaWAN 网络, 实时传输涉及作物的所有数据的传感器, 畜牧业, 设备, 物理环境等, 使农民能够适当改变生产水平，从而提高生产质量.
3. 工业物联网
LoRaWAN 技术也有效地融入到工业运营环境中. 自动监控, 安全, 和资产管理使运营商能够更快地做出响应. 以物流和智能仓储领域为例, LoRaWAN 网络比以前更好，提供更广泛的覆盖范围和更少的干扰连接.
4. 公用事业和智能计量
智能电表 (用于电力, 水, ETC。) 实现远程实时监控, 减少错误并提高效率.
5. 医疗保健和可穿戴设备
基于 LoRaWAN 的医疗保健可穿戴设备旨在持续可靠地监测医院患者, 老年护理居民, 或任何需要实时监测生命体征的人.
LoRaWAN网络架构
1. 公共和私有 LoRaWAN 网络
公共 LoRaWAN 网络是第三方拥有的 LoRaWAN 网络, 主要是电信运营商或网络服务提供商, 将设备连接到网络的用户需要付费. 私有LoRaWAN网络是个人和/或企业构建和运营的网络，主要, 受他们控制, 并且往往受到地理区域的限制. 这种连接通常具有更好的数据安全和隐私规定.
2. 混合动力车型
私有和公共LoRaWAN的原则可以结合在一起，这样用户对私有网络的舒适度和覆盖范围的需求可以通过公共网络得到满足，但更安全. 用户可以根据情况选择公网或私网，甚至同时选择两者.
3. 网络部署
评估区域覆盖范围, LoRaWAN 网络可实现的数据速率和消耗的电力, 根据项目要求确定的范围. 确定覆盖区域和部署站点内所需的网关数量后, 构建网络拓扑 (通常是星形拓扑). 选择并安装合适的 LoRaWAN 接入点和其他设备. 硬件部署完成后, 设置网关参数, 配置网络服务器, 并开始测试和验证. 项目部署完成后, 定期对设备进行监控和维护.
LoRaWAN 安全特性
端到端加密
端到端加密保护从设备到应用服务器的整个传输. 通常有两层加密机制, LoRaWAN的网络层加密和应用层加密. 上述两种加密技术产生两个不同的密钥NwkSKey和AppSKey. 这意味着从设备发送数据的那一刻起直到数据到达应用服务器，所有信息在传输过程中都将被加密. 所以, 即使网关或中间网络服务提供商收到数据包, 他们将无法查看或更改数据.
设备认证
LoRaWAN 利用非常严格的设备身份验证机制，不允许任何未经授权的设备进入网络. 加入LoRaWAN网络有两种主要方法.
奥塔阿 (无线激活)
此选项对于所有攻击都是最安全的. 每当, 设备连接到 LoRaWAN 网络, 新的密钥对 (网络会话密钥 NwkSKey 和应用程序会话密钥 AppSKey) 被制定. 这些密钥是根据设备的 DevEUI 和 AppKey 创建的. 使用OTAA, 每次设备连接到网络时, 设备的身份已验证, 并以这种方式, 已确认网络上不允许有任何恶意设备.
动态血压 (个性化激活)
在该技术中, 在部署设备之前，设备的密钥已准备好. ABP 不需要重新生成密钥，但所提供的安全性限制是固定且无法更改的，这使得它不如 OTAA.
OTAA还是ABP都没关系, LoRaWAN 的设备身份验证机制可防止未经身份验证的设备与网络进行任何不需要的通信.
密钥管理
设备和服务器之间的所有交互都采用加密，并且这种加密过程是使用不同的密钥来实现的. LoRaWAN 网络主要采用三个关键管理功能.
- AppKey用于在OTAA过程中生成会话密钥. 当用户设备首次加入网络时, 该密钥有助于创建网络会话密钥和应用程序会话密钥.
- NwkSKey 是帮助加密设备和网络服务器之间的通信数据的密钥.
- AppSKey是加密设备和应用服务器之间的应用数据的密钥.
需要注意的是，LoRaWAN中的密钥管理必须完成以下要求:
- 独特性: 每个设备都有自己的密钥，与其他设备不相同，因此设备通信不会受到其他设备的干扰.
- 关键更新: OTAA 机制可帮助设备在加入新网络时创建新密钥，从而最大限度地减少长期使用静态密钥带来的风险.
- 密钥存储安全: 设备, 网关和服务器应有效保护这些密钥，因为攻击者可能希望获得这些密钥来解密正在传输的信息.
LoRaWAN 对比. 其他物联网协议
LoRaWAN 对比. 窄带物联网
覆盖范围: LoRaWAN 提供扩展的通信范围, 因此在农村或内陆地区最为有利，其范围可达 15 公里. 相比之下, NB-IoT 的覆盖半径有限，约为 10 公里，但在城市和具有许多建筑物的环境中更有效.
功耗: LoRaWAN的功耗相当低，因此设备的电池可持续使用数年，非常适合长期放置此类设备. NB-IoT 的能源效率也非常高，但由于传输的数据量较大，其电池寿命较短.
应用场景: 由于距离远且数据传输量低, LoRaWAN 非常适合智能农业等应用用例, 环境监测等. 另一方面，NB IoT更适用于数据量密集、信号穿透深度较深的场景，例如智能电表、智慧城市解决方案.
LoRaWAN 对比. 无线网络/蓝牙
范围: LoRaWAN的通讯距离可达数千米，而Wi-Fi和蓝牙的通讯距离最多在几米到一百米左右.
电池耐用性: 由于 LoRaWAN 的传输功率较低且传输的数据量非常少, 工作设备的电池足够长，可以承受数年的活跃使用. 相反, 采用Wi-Fi和蓝牙技术的设备功耗较高，因此必须在一段时间内对设备进行充电或更换.
数据吞吐量: LoRaWAN 专为低数据速率传输而设计，即使延迟不是问题，其吞吐量也仅限于几个数据包, 而Wi-Fi和蓝牙技术可实现更高的数据吞吐量，因此可以应用于传输大量数据的环境.
选择正确的 LoRaWAN 产品和解决方案
了解您的需求:
为了获得部署 LoRaWAN 基础设施的最大收益, 必须考虑以下因素.
- 范围: 虽然LoRaWAN可以支持远距离无线覆盖, 信号质量受地理地形和建筑物限制. 网关的布置需要考虑具体的部署地点和规划.
- 电池寿命: 考虑一下您期望 LoRaWAN 设备工作多长时间，然后选择电池寿命和功耗都不错的设备.
- 数据吞吐量: 确定您是否对简单且不频繁的数据传输感兴趣或相反, 频繁传输大量数据. LoRaWAN 设计用于数据传输要求不高的环境.
- 具有成本效益的方法: LoRaWAN 网络在广泛的地理区域部署时具有非常显着的成本优势. 另一方面, 基于项目规模和项目投入（例如设备成本）, 网关和网络维护成本, 选择正确的选项.
- 可扩展性: 如果您的计划需要广泛的设备连接, 或者您更喜欢在未来几年轻松建立设备连接, 那么 LoRaWAN 是最合适的选择.
LoRaWAN 设备的类型:
LoRaWAN 设备有多种形式，例如网关, 传感器, 标签, 模块, ETC. 最新的 MST01 LoRaWAN® 温湿度传感器 通过米纽, 利用LoRaWAN技术超越传统传感器的覆盖范围限制，甚至降低设备功耗. 该传感器对于管理智能仓库物流和运输系统非常重要.
顶级 LoRaWAN 供应商:
更多物联网行业供应商推出LoRaWAN产品和解决方案. Minew 是该领域的领先公司之一, 专注于物联网硬件解决方案并拥有超过 200 专利和原创证书. 您可以与 Minew 合作，根据您的要求创建定制的物联网硬件解决方案.
LoRaWAN 的未来
1. 新兴应用: 随着卫星通讯的增强, LoRaWAN 可以在不可见森林区域的烟雾检测或海洋浮标的温度检测等应用中使用传感器监控. 交互发生时来自 LoRaWAN 传感器的数据, 智慧城市将能够实施有效的交通管理策略.
2. LoRaWAN 和 5G: 工业自动化解决方案采用 5G，可使用 LoRaWAN 传感器的数据远程操作设备.
3. 全球物联网生态系统中的 LoRaWAN: LoRaWAN技术的应用市场呈现急剧增长. 据预测，到 2030 全球LoRa和LoRaWAN物联网市场将扩大至484亿美元, 市场增长率为 36.8% 在预测期内. 物联网市场确实因其许多优点而欣赏该技术.
结论: LoRaWAN 适合您吗?
LoRaWAN 技术的优势显而易见. 不再需要密集部署网关来接收来自远距离设备的信号. LoRaWAN 能够以非常合理的费用轻松满足您的项目需求. 由 LoRaWAN 网络提供支持, 您还可以轻松访问数据来帮助您做出战略决策，从而提高项目和业务的整体生产力. 在物联网市场, 基于LoRaWAN技术的产品和专业服务数量正在稳步增长
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