LoRa模塊無線通信技術(shù)在距離測量和定位上的應(yīng)用

LoRa技術(shù)是Semtech公司采用并且推廣的的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案，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，為用戶們提供了一種能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低、多節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)，從而拓展成網(wǎng)絡(luò)。

隨著LoRa技術(shù)的受眾群體越來越多，以及本身的持續(xù)發(fā)展。Semtech公司緊接著推出了SX1280這顆芯片，意味著2.4GHz頻段的LoRa的面世。該芯片內(nèi)置Ranging Engine,即到達(dá)時間差（Time Difference Of Arrival, TDOA）融合測距引擎，使用了time-of-flight測距方法。正因?yàn)榈凸摹⒕嚯x遠(yuǎn)又能用于精確測距及定位，越來越多的公司跟進(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接口無線模塊E28-2G4M12S、E28-2G4M20S。

圖1基于SX1280的SPI接口無線模塊（來自成都億佰特電子科技有限公司官網(wǎng)）

接下來簡要介紹time-of-flight測距方法，該方法屬于雙向測距技術(shù)，利用數(shù)據(jù)信號在一對收發(fā)機(jī)之間往返的飛行時間來測量兩點(diǎn)間的距離。將****端發(fā)出數(shù)據(jù)信號和接收到接收端應(yīng)答信號的時間間隔記為Tt,接收端收到****端的數(shù)據(jù)信號和發(fā)出應(yīng)答信號的時間間隔記為Tr，如下圖所示。信號在這對收發(fā)機(jī)之間的單向飛行時間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間的長短，****端和接收端時鐘必須同步。

接下來簡要介紹LoRa定位的原理，LoRa技術(shù)是使用上文提到的TDOA來實(shí)現(xiàn)地理位置定位的。LoRa定位的前提是所有的LoRa網(wǎng)關(guān)共享一個相同的時基，并且至少需要3個LoRa網(wǎng)關(guān)來接收數(shù)據(jù)信號。當(dāng)一個LoRaWAN終端設(shè)備****一段數(shù)據(jù)信號，其所在網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的所有的LoRa網(wǎng)關(guān)都會接收到這段信號，并傳輸給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器通過比較信號強(qiáng)度、到達(dá)時間、信噪比和其他參數(shù)來計算終端設(shè)備的最可能所在位置，如下圖所示：

圖 3 3個網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)LoRa定位

正因?yàn)長oRa地理位置功能無需涉及到GPS定位技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)最小尺寸、最低功耗、最低成本。目前LoRa地理位置功能開始被應(yīng)用到各個行業(yè)和領(lǐng)域，如物流、畜牧業(yè)、建筑、保險行業(yè)等。下文簡要介紹下畜牧業(yè)上的應(yīng)用。

  目前畜牧業(yè)的主要現(xiàn)狀：

• 牛羊主要靠人工看管，人工投入成本大；
  

• 牛羊無定位，每年存在不同程度的牛羊走失；
  

• 部分用GPS+GPRS定位方案費(fèi)用高、續(xù)航時間短。

將LoRa地理位置功能應(yīng)用到畜牧業(yè)上，組成一個牛羊定位系統(tǒng)。該牛羊定位系統(tǒng)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(yīng)。幾個LoRa網(wǎng)關(guān)便可以滿足大型牧場的需求。LoRa定位模塊定時向幾個LoRa網(wǎng)關(guān)傳輸數(shù)據(jù)包，而LoRa網(wǎng)關(guān)向牲畜管理平臺傳輸這些數(shù)據(jù)。牲畜管理平臺通過算法處理分析這些數(shù)據(jù)，可以查看牛羊的具體位置、健康狀態(tài)等。當(dāng)牛羊生病時，工作人員可以及時趕到牛羊的位置進(jìn)行處理、治療等。

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