LoRa模塊無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在距離測量和定位上的應用

LoRa技術(shù)是Semtech公司采用并且推廣的的一種基于擴頻技術(shù)的超遠距離無(wú)線(xiàn)傳輸方案，屬于低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network，LPWAN）通信技術(shù)中的一種。LoRa技術(shù)不再受限于傳輸距離和功耗的折衷考慮，為用戶(hù)們提供了一種能夠實(shí)現傳輸距離遠、功耗低、多節點(diǎn)的系統，從而拓展成網(wǎng)絡(luò )。

隨著(zhù)LoRa技術(shù)的受眾群體越來(lái)越多，以及本身的持續發(fā)展。Semtech公司緊接著(zhù)推出了SX1280這顆芯片，意味著(zhù)2.4GHz頻段的LoRa的面世。該芯片內置Ranging Engine,即到達時(shí)間差（Time Difference Of Arrival, TDOA）融合測距引擎，使用了time-of-flight測距方法。正因為低功耗、距離遠又能用于精確測距及定位，越來(lái)越多的公司跟進(jìn)了這一技術(shù)。如成都億佰特電子科技有限公司基于SX1280的SPI接口無(wú)線(xiàn)模塊E28-2G4M12S、E28-2G4M20S。

圖1基于SX1280的SPI接口無(wú)線(xiàn)模塊（來(lái)自成都億佰特電子科技有限公司官網(wǎng)）

接下來(lái)簡(jiǎn)要介紹time-of-flight測距方法，該方法屬于雙向測距技術(shù)，利用數據信號在一對收發(fā)機之間往返的飛行時(shí)間來(lái)測量?jì)牲c(diǎn)間的距離。將****端發(fā)出數據信號和接收到接收端應答信號的時(shí)間間隔記為T(mén)t,接收端收到****端的數據信號和發(fā)出應答信號的時(shí)間間隔記為T(mén)r，如下圖所示。信號在這對收發(fā)機之間的單向飛行時(shí)間Tf=(Tt-Tr)/2，則兩點(diǎn)間的距離d=c*Tf,其中c表示電磁波傳播速度。

圖2time-of-flight測距方法

time-of-flight測距方法有兩點(diǎn)關(guān)鍵的約束，接收端提供信號傳輸時(shí)間的長(cháng)短，****端和接收端時(shí)鐘必須同步。

接下來(lái)簡(jiǎn)要介紹LoRa定位的原理，LoRa技術(shù)是使用上文提到的TDOA來(lái)實(shí)現地理位置定位的。LoRa定位的前提是所有的LoRa網(wǎng)關(guān)共享一個(gè)相同的時(shí)基，并且至少需要3個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)來(lái)接收數據信號。當一個(gè)LoRaWAN終端設備****一段數據信號，其所在網(wǎng)絡(luò )范圍內的所有的LoRa網(wǎng)關(guān)都會(huì )接收到這段信號，并傳輸給網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器通過(guò)比較信號強度、到達時(shí)間、信噪比和其他參數來(lái)計算終端設備的最可能所在位置，如下圖所示：

圖 3 3個(gè)網(wǎng)關(guān)實(shí)現LoRa定位

正因為L(cháng)oRa地理位置功能無(wú)需涉及到GPS定位技術(shù)，可以實(shí)現最小尺寸、最低功耗、最低成本。目前LoRa地理位置功能開(kāi)始被應用到各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域，如物流、畜牧業(yè)、建筑、保險行業(yè)等。下文簡(jiǎn)要介紹下畜牧業(yè)上的應用。

  目前畜牧業(yè)的主要現狀：

• 牛羊主要靠人工看管，人工投入成本大；
  

• 牛羊無(wú)定位，每年存在不同程度的牛羊走失；
  

• 部分用GPS+GPRS定位方案費用高、續航時(shí)間短。

將LoRa地理位置功能應用到畜牧業(yè)上，組成一個(gè)牛羊定位系統。該牛羊定位系統主要由LoRa定位模塊、LoRa網(wǎng)關(guān)、牲畜管理平臺組成。LoRa定位模塊主要用于牛羊的佩戴，一一對應。幾個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)便可以滿(mǎn)足大型牧場(chǎng)的需求。LoRa定位模塊定時(shí)向幾個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)傳輸數據包，而LoRa網(wǎng)關(guān)向牲畜管理平臺傳輸這些數據。牲畜管理平臺通過(guò)算法處理分析這些數據，可以查看牛羊的具體位置、健康狀態(tài)等。當牛羊生病時(shí)，工作人員可以及時(shí)趕到牛羊的位置進(jìn)行處理、治療等。

LoRa技術(shù)一直在高效地發(fā)展，隨之帶來(lái)的是LoRa距離測量與定位的完善和成熟，相信在未來(lái)會(huì )給更多的領(lǐng)域帶來(lái)方便。