LoRaWAN（非蜂窝LPWA）入门——从基础知识到物联网使用事例

April 28, 2024

Fanny Hu

发布于2024-03-27

1.什么是LoRaWAN？

LoRaWAN是在具有广域、远距离、低速、低耗电量等特点的LPWA（Low Power Wide Area）无线通信中，利用不需要无线局许可证的非授权频段（Sub-GHz频带）的规格。LoRaWAN是一种非蜂窝LPWA，由非营利组织LoRa Alliance制定，并经国际电信联盟[ITU]批准后于2021年12月成为国际标准。

LoRaWAN是一种无线网络系统，它通过将一台或少数网关与配备多个LoRaWAN模块的终端设备¹连接来使用。

LoRaWAN不需要运营商的通信网，允许用户在自己的公司构建和运营网络，由于其不受用途和业务规模的限制，易于引入，所以用户数量逐年增加。

1.1 LoRaWAN（非蜂窝LPWA）与蜂窝LPWA的比较

LoRaWAN是一种非蜂窝LPWA标准，同与运营商签订合同后使用线路的蜂窝LPWA相比，它可以降低运营成本。此外，也不需要考虑其使用场所能否与运营商的基站进行稳定的通信。

而且，由于它也可构建公司自己完全独立的网络环境，因此可以实现私密且安全的无线通信环境，不需要通过外部公司的线路。

参考：3.3 蜂窝LPWA与非蜂窝LPWA的规格比较｜什么是LPWA（Low Power Wide Area）无线通信 - 基础篇

1.2 LoRaWAN的主要用途

主要用途有生活基础设施中的智能仪表、智能城市、智能建筑、公共交通智能化、制造业物联网化、基于物流货物和人员的位置信息的跟踪、环境传感、智能农业等。与蜂窝LPWA不同，它不受运营商的服务区域限制，并且可以以相对较低的成本进行运营，因此作为一种适用于多种领域的物联网和M2M的无线通信方式在全球范围内受到的关注程度越来越高。

以下页面介绍了一些使用LoRaWAN的事例。
4. 使用LoRaWAN的物联网解决方案事例｜LoRaWAN（非蜂窝LPWA）入门——从基础知识到物联网使用事例（2）

2. LoRaWAN的通信协议栈—LoRa和LoRaWAN的作用

在许多情况下，通过查看已实现的通信协议栈可以了解该通信方法的特征。（通信协议栈在本页最下方的“专栏——什么是通信协议栈？”中解说。）

图1显示了LoRaWAN的通信协议栈。在此，我们将对LoRaWAN的协议栈以及LoRa和LoRaWAN各自在协议中的含义和作用等进行说明。

图1 ：LoRaWAN的通信协议栈

2.1 什么是LoRa（物理层）？

位于图1底部物理层的LoRa是Long Range（远距离）的缩写，指的是由美国的SEMTECH公司基于频谱扩散的一种——CSS（Chirp Spread Spectrum）开发的无线调制方式。

此外，LoRa的ISM频段²如表1所示是按国家和地区分别设定的。

表1：按区域（部分）划分的LoRa频带

2.2 什么是LoRaWAN（MAC层）？

MAC³层的LoRaWAN是非蜂窝LPWA的标准名称，同时也指LoRaWAN网络的通信协议（通信中的约定）。在LoRaWAN中，终端设备没有IP，而是使用MAC（设备ID）连接到网关并进行无线通信。

此外，MAC选项有Class A / Class B / Class C，它们在终端设备和网关之间的双向通信中具有不同的上行和下行通信方案和间隔，与耗电量相关的设备侧接收槽的打开/关闭动作等也不一样。

长时间使用电池驱动设备时，大多使用设备侧接收待机时间短且耗电量低的Class A。另一方面，如果要在向设备持续供电的同时进行低延迟通信等，则可以根据目的和环境分别使用其他Class。

3. 构建LoRaWAN网络—配置LPWA设备、网关、服务器等

LoRaWAN是一种非蜂窝LPWA标准，因此它不像蜂窝LPWA设备的无线通信那样使用运营商的基站和通信网。

在LoRaWAN中，数据通信在终端设备（配备了LoRaWAN模块的传感器等）与支持LoRaWAN的网关之间以无线方式进行。数据通过该网关传输到通信协议与LoRaWAN不同的网络服务器、应用服务器等。

下面，我们将介绍使用LoRaWAN构建的主要网络事例。

3.1 自制LoRaWAN网络的构建事例

非蜂窝LPWA不需要无线局许可证，因此也可以通过公司自己准备配备了LoRaWAN模块的终端设备，再加上支持LoRaWAN的网关、网络服务器、应用服务器等来构建系统。

图2：自建自营的LoRaWAN网络构建事例

如图2所示，其优点是可以通过公司自己构建和运营整个环境来使用私密且安全的无线解决方案。此外，各服务器可以部署在本地（公司内部环境），也可以利用公司签约的云服务器。

3.2 利用运营商的LoRaWAN网络构建事例

在只使用一段时间或者公司内部没有与SI和网络相关的人才等不适合由公司自己构建LoRaWAN环境时，也可以利用销售或出租的支持LoRaWAN通信协议的网关，或利用提供云服务等的运营商。

图3 ：利用运营商服务的LoRaWAN网络构建事例

如图3所示，在某些情况下，支持LoRaWAN的网关、网络服务器以及某些情况下的应用服务器也是在与运营商签订付费合同后使用的。服务内容因运营商而异，但可以将网关的引入和服务器维护等全部委托给运营商可以说是其优点之一。

此外，支持LoRaWAN的网关能与多台设备连接和通信，网关可专门供签约用户使用，也可通过由多个签约用户共用来降低使用费用。

此外，除了网关之外，一般都会提供云服务。如果签订网关或服务器合同，将按月收取费用。然而，与因使用手机通信网而需要与运营商签订合同的蜂窝LPWA相比，一般认为非蜂窝LPWA式LoRaWAN的网络服务器运营商等收取的服务费更低。

专栏——什么是通信协议栈？

无论是无线还是有线，电气通信都是通过按照通信协议来发挥作用的（参考：6. 什么是通信协议？｜无线通信的基础知识-无线机制（2））。表2给出了LoRaWAN模型和OSI参考模型⁴中通信协议栈各层的作用和对应关系。

表2 ：OSI参考模型和各层的作用、LoRaWAN模型

从表2中可以看出，LoRaWAN模型的栈有3层，而互联网通信协议——TCP/IP模型有4层，因此，LoRaWAN模型的协议构成更简单。这使协议更新更加容易并有助于缩短响应时间。

4. 使用LoRaWAN的物联网解决方案事例

使用LoRaWAN的LPWA无线通信作为适合多种物联网解决方案的无线通信网络被用于各种用途。在此，我们介绍一些使用本公司的LoRaWAN模块（Type ABZ）的应用成功事例。

4.1 使用LoRaWAN和环境监测传感器的防灾系统

图4 ：有河流的城镇或住宅区

为了应对暴雨引发的洪涝灾害，可以在河流周围设置配备了LoRaWAN、坚固耐久的环境监测传感器。这是一种使用多个LoRaWAN设备在河流的各个地点测量降雨量，然后通过远距离无线通信收集数据，并将状况显示在终端画面的地图上的应用。用户可以通过智能手机等实时查看大雨的状况，可用于预防大雨和洪水造成的损害。

同时，LoRaWAN模块耗电量低、电池寿命长，因此即使在室外部署多个传感器，也能在大幅减少更换设备电池等维护工作的时间和费用。

4.2 使用LoRaWAN和土壤传感器的智能农业

图5 ：村田土壤传感器

近年来，对利用土壤传感器和无线通信的智能农业的需求不断增加。通过无线通信感知大范围或远处的土壤状态时，效率非常高。因此，耗电量低、大幅降低电池更换频度、可实现远距离无线通信的LPWA的引入越来越受到关注。

在农业用地内进行集中管理时，或者在山区等远离城市或村庄的农田中使用时，不需要考虑与运营商签订合同以及运营商基站覆盖的区域即可使用的非蜂窝LPWA——LoRaWAN非常有效。

此外，本公司的土壤传感器（可以同时测量土壤或水中的EC［电导率］、Moisture［体积含水量］和Temperature［温度］）及LoRaWAN模块体积小，可以承受恶劣的环境，因此能实现在室外也能稳定使用的应用。

4.3 使用LoRaWAN的生活基础设施智能仪表

图6：智能仪表图片

以前，抄表员需要到现场确认自来水、电、煤气等日常生活基础设施。近年来，通过在区域内设置的许多仪表中配备LoRaWAN模块来收集使用数据，减少了抄表的时间和成本的成功事例逐渐增加。

此外，还可以检测长期过度使用或停止使用等并发出警报，以及远程控制供电中断和恢复。而且，由于LoRaWAN是一种非蜂窝LPWA，因此可以在不依赖运营商服务区的情况下引入和运营。

4.4 使用LoRaWAN的太阳能发电设施的智能化

图7：太阳能发电设施

LoRaWAN还可用于可再生能源领域。放置在大型场地的太阳能电池板通过电力传输电缆相互连接，因此，如果进行物联网必不可少的数据通信也使用长有线电缆，则会使系统变得复杂并且需要点检的位置也会增加。通过利用LoRaWAN的低耗电量和远距离通信并将传感和面板控制的数据通信实现无线化，可以实现简单、合理以及低成本的运行。此外，LoRaWAN模块由于耗电量低，电池寿命长，所以大大降低了更换电池等维护频度。