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利用LoRaWAN®技术造福人类

Published Date
Author Fanny Hu

发布于2023-11-17

疫情期间，各地为减轻新冠肺炎最不利的影响而推行了居家文化，从而减少了交通拥堵，城市空气质量也得到了改善。美国国家经济研究局的一份报告显示，由于美国城市上路的车辆减少，让空气污染得到了减轻，因而全国哮喘、肺病和心脏病等空气质量相关疾病下降了约25%。

但这并不是一件值得沾沾自喜的事情。随着后疫情时代的来临，各城市恢复开放，拥堵正在卷土重来。伴随而来的，就是不断排放的有害尾气（包括直径小于等于2.5µm的致命大气颗粒物 (PM)）。这种“PM2.5”污染会深入肺部，被认为是对健康危害最大的污染物。

空气质量问题是一大全球性问题，而贫困人口受此的影响最大。例如，印度孟买由于车辆维护不善，交通拥堵严重，空气质量之差往往令人震惊。据《印度时报》报道，孟买在全球859个城市中污染程度排名第63位，是第四大污染最严重的“特大城市”。该报还提到，按照联合国 (UN) 每天生活费低于1.90美元的贫困线定义，孟买是一座有多达20%的人口生活在贫困线以下的大都市。

迅速成熟的物联网 (IoT) 为发达国家和发展中国家的空气质量问题提供了长期解决方案。通过广泛部署借助LoRaWAN®等低功耗无线局域网 (LPWAN) 以无线方式连接到物联网 (IoT) 的商用空气质量传感器，就有望通过生成细粒度数据来帮助城市规划人员应对大气污染挑战。

采取行动保护弱势群体

孟买并不是一个特例。联合国表示，在全球范围内，有超过10亿城市居民生活在贫民窟中，他们正承受着空气质量问题带来的严重影响。世界卫生组织 (WHO) 的数据显示，空气污染是导致非传染性疾病的主要原因，大约24%的成人死于心脏病，25%死于中风，43%死于慢性阻塞性肺病，29%死于肺癌。

联合国意识到，我们需要采取紧急行动来改善这一高危人群的生活质量和安全问题。2015年，联合国成员国通过了《2030年可持续发展议程》。该《议程》由17个可持续发展目标 (SDG) 组成，其中一个目标就是建设安全、有抵御灾害能力的可持续城市，并承诺改善空气质量。

物联网技术提供商将全力支持此联合国议程。这其中就包括LoRa联盟，这是一个开放的非营利性协会，其成员密切合作以推动LoRaWAN协议的成功。联盟成员以“LoRaWAN for Good”为前提，正在积极制定多项缓解空气污染的举措。

物联网将低成本小型无线传感器通过LoRaWAN连接到云端，以快速生成、整理和分析传感器数据，让城市规划人员能够利用大数据来改善空气污染控制措施。这些系统包括以下元素：

  • 无线空气质量传感器，用于实时监测和报告污染水平

  • LoRaWAN连接，将数据从短程无线传感器网络传输到云端

  • 云服务器，能够分析来自数万个无线传感器的连续数据流

  • 预测算法，用于建议为防止空气污染达到危险水平而需要采取的措施

无线空气质量传感器可以通过“调校”，实现重点检测废气中普遍存在的二氧化氮 (NO2) 和一氧化碳 (CO)，从而让用户了解车辆造成的空气污染整体情况。由于这些PM2.5传感器和气体传感器价格便宜并且不引人注目，因此它们可以广泛部署在整个城市以监测空气污染。

支持LoRaWAN的终端设备可以整合到这些无线空气质量传感器网络中，进而再连接到LoRaWAN网关网络。借助于电池续航可达十年的电池供电终端设备，这类网络可以在城市地区实现5km的传输距离，在农村空旷环境下可达到15km。因此，LoRaWAN可以提供一个主干网，在城市任何区域快速、廉价地部署无线传感器网络。

可靠基础设施的重要性

为确保长期的可靠性，LoRaWAN必须使用工业级设备构建。因此，网关成为了通信链条中的关键环节，而且市面上已经有了许多成熟的工业化选项。Advantech的WISE-6610工业级LoRaWAN网关就是一个例子，它可以确保为工业环境提供可靠的LoRaWAN连接。Advantech网关支持私有和公共LoRaWAN网络，并支持MQTT协议，这是一个轻量级网络协议，构成了互联网协议 (IP) 套件的一部分。

WISE-6610网关的硬件和软件灵活性可支持边缘计算系统，其冗余增强功能可防止连接丢失。此外，借助为安全通信而创建的VPN隧道以及可以本地加密和转换LoRaWAN数据的网络服务器，能够确保高级别的安全性。其他特性包括868至915MHz频率范围、9至36VDC电源输入范围、DIN导轨或壁式安装以及IP30外壳防护等级。

将数据由LoRaWAN网关发送到云端后，就可以对其进行整理和分析，让我们近乎实时地详细了解城市空气污染变化情况。随着历史数据库规模的不断扩大，可以借助于算法通过引用过去的事件来准确预测未来将如何发展，从而使相关机构能够在需要时采取预防措施。有了这些信息，相关人员就可以采取一些必要措施并进行主动干预，比如管制交通流量、暂时降低环保车辆的道路通行费，以及通过蜂窝网络或互联网迅速建议公民避开可能很快变得危险的区域。

迈向可持续发展目标

柴油和汽油车在城市中随处可见，因此尾气排放的PM2.5对人类健康是一种潜在的危害。一线城市正面临着呼吸系统疾病导致的生产力下降和卫生系统负荷增加，因此开始借助于物联网和LoRaWAN来解决传统监测系统的弱点。无线传感器网络可以近乎实时地连续生成准确的数据流，使规划者能够做出明智的决定，例如在条件特别恶劣的时候进行交通管制以减少污染。

随着由市域LoRaWAN基础设施支持的新一代无线传感器网络的问世，我们正大步迈向联合国提出的第十一个可持续发展目标，即建设安全、有抵御灾害能力的可持续城市。与此同时，这也是如何充分利用LoRa技术的绝佳例子。

结语

全球各地的城市都深受空气污染之苦，贫困人口尤其容易受到影响。物联网的应用日益广泛，加上可用于测量NO2和CO的廉价无线传感器的出现，为解决这一日益严重的问题提供了机遇。而由LoRaWAN基础设施支持的无线空气质量传感器可提供快速、细粒度的数据，能够应对长期和突发的高颗粒物污染事件。

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