什麼是 LoRaWAN 以及它為何對物聯網部署如此重要

您是否正在考慮將 LoRaWAN 整合到您的物聯網解決方案中？在快速發展的物聯網技術領域，LoRaWAN 是 LPWAN 領域中一個舉足輕重的參與者。如果您正在考慮為工業或企業應用部署 LoRaWAN 網路解決方案，那麼深入研究該協定的複雜性是至關重要的第一步。在本文中，我們將深入探討 LoRaWAN 技術的所有關鍵面向。加入我們，我們將為您梳理要點，為您提供洞見，幫助您為您的物聯網專案做出明智的決策。

什麼是LoRaWAN技術

LoRaWAN 代表長距離廣域網路 (Long Range Wide Area Network)。它是一種低功耗廣域網路 (WAN) 協議，專為電池供電的無線物品和資產而設計。 LoRaWAN 網路通常使用 433MHz 或 900MHz 等非授權頻譜，以無線方式將設備遠距離連接到網際網路。

該技術基於稱為 洛拉採用線性調頻擴頻調變技術。這種方法將訊號擴展到更寬的頻寬，使其具有抗干擾能力和遠距離特性。 Semtech 最初開發了 LoRa 調製技術，並對其進行了維護。

LoRaWAN 增加了網路層協議，以實現終端設備和網關之間的雙向通訊。網關隨後透過 IP 連接到中央網路伺服器。此架構支援自適應資料速率、裝置尋址、安全性、漫遊等功能，從而實現大規模部署。

LoRa 聯盟是一個開放的非營利協會，負責監督 LoRaWAN 標準 並推動全球應用。該聯盟在全球擁有超過500名成員，涵蓋設備製造商、營運商和解決方案提供商，致力於推進部署。

之間的差 LoRa和LoRaWAN

簡而言之，LoRa 僅指實現長距離通訊的物理調變技術或訊號編碼方案。它利用啁啾擴頻調製和前向糾錯的概念，在鄉村地區實現超過 10 英里的覆蓋範圍，在城市地區實現超過 3 英里的覆蓋範圍。

LoRaWAN 協定在 LoRa 調變基礎上運行，用於管理資料通訊、實現雙向交換並實現網路安全功能。這些功能包括資料速率最佳化、定址方案、實施 AES-128 加密以及管理設備和網關之間的資料交換。

因此，LoRa 是一種允許長距離訊號傳輸的實體層調變方案，而 LoRaWAN 則定義了通訊協定和標準。 LoRa 就像一條高速公路，讓車輛能夠快速行駛很長的距離，而 LoRaWAN 則是一條交通標誌和控制系統，用於管理這條高速公路上有序、安全的交通。

LoRaWAN技術的工作原理

LoRaWAN 架構包括具有感測器、網關、網路伺服器和應用伺服器的終端設備/節點。

終端透過 LoRa 連結與部署在室外（例如建築物、塔樓等）的網關連接。網關可連接 WiFi、乙太網路或蜂窩網路等回程連線。它們可以覆蓋數英里的遠距離，數據速率可在 0.3kbps 至 50kbps 之間自適應。

網關將來自數百萬台裝置的訊息轉回中央網路伺服器。此伺服器管理安全性、定址、設備設定檔、規則、資料速率自適應等基本功能。它還能刪除重複訊息，並控制應用程式和裝置之間的確認交付。

網路伺服器透過 IP 連線將資料傳遞到應用伺服器。物聯網應用程式和業務邏輯就駐留在應用程式伺服器上，用於解碼感測器資料並將其與儀表板、分析工具、雲端服務等連接。

LoRaWAN 設備類別 A、B 和 C

LoRaWAN 包含三種不同類型的終端設備，以滿足廣泛應用中出現的不同需求：

A類：最低功耗，雙向終端設備

這是預設類別，允許端點隨時進行上行傳輸，之後是兩個較短的下行接收視窗。由於上行通訊是非同步的，且下行遵循上行時序，因此裝置可以進入休眠狀態，從而最大程度地延長電池壽命。下行訊息會在伺服器上緩衝。

B類：具有確定性下行鏈路延遲的雙向終端設備

B類設備會依照與網路同步的預定間隔開啟額外的接收視窗。這可以降低下行鏈路延遲，但代價是功耗更高。確定性延遲可在128秒內進行編程，使其適合電池供電。

C類：最小延遲，雙向終端設備

C類放大器基於A類放大器，除非正在發射訊號，否則接收器會持續保持開啟。這使得伺服器可以隨時以接近零延遲進行下行傳輸。然而，持續監聽的功耗可能超過50mW，因此C類放大器更適合市電供電應用。此外，C類放大器還支援臨時切換。

LoRaWAN 與其他 LPWAN 技術的比較

这 廣域網 物聯網連接領域是物聯網連接市場中一個快速成長的部分，其中包括 SigFox、LoRaWAN、NB-IoT、LTE-M、Link Labs 和 Weightless。其他協議，例如 LTE-CAT M、IEEE P802.11AH 和 Dash7，也在 LPWAN 生態系統中發揮至關重要的作用。在本節中，我們將主要深入探討前面提到的技術。

• 廣域網

LoRaWAN 由 LoRa 聯盟管理，其特點是其開放的標準網路層，並得到了多元化產業聯盟的支持。 LoRa WAN 基於 LoRa 晶片運行，透過高效分發編碼資料包，減少碰撞和乾擾，在僅上行鏈路應用中表現出色。儘管 LoRaWAN 是開放標準，但由於依賴 Semtech 晶片進行全端實施，這為其增添了一層排他性。

• 西格福克斯

SigFox 是一家成立於 2009 年的法國公司，其獨特之處在於透過低調製速率實現更大的傳輸範圍。作為一項專有技術，SigFox 是需要低頻和小數據突發的應用的理想選擇，例如智慧垃圾桶和停車感測器。然而，下行鏈路容量的限制以及對訊號幹擾的敏感度對某些用例構成了挑戰。

• NB-IoT和LTE-M

NB-IoT 和 LTE-M 正在 LPWAN 領域興起，利用標準 LTE 連線。 NB-IoT 在能源效率和成本效益方面表現出色，使其成為智慧城市應用的理想選擇，而 LTE-M 則提供更高的數據速率。兩者之間的選擇取決於特定應用；NB-IoT 非常適合智慧電錶，而 LTE-M 可能更適合無人機或車輛。

• 鏈接實驗室

Link Labs 使用 LoRa 晶片，但引進了名為 Symphony Link 的私有 MAC 層。 Symphony Link 在 LoRaWAN 的基礎上增加了一些重要的連接功能，包括保證無線韌體升級、訊息接收、中繼器功能以及消除動態範圍和占空比限制。

• 失重

Weightless SIG 的使命是標準化 LPWAN 技術。作為唯一真正開放的標準，Weightless 在低於 1GHz 的未授權頻譜上運作。 Weightless 提供三個版本，可用於不同的用途：

Weightless-w：利用空白頻段（授權電視頻段中未使用的本地頻譜）

Weightless-n：源自 NWave 技術的免授權頻譜窄頻協議

Weightless-p：源自 M2COMM Platanus 技術的雙向協議

Weightless N 和 P 是更受歡迎的選擇，因為 Weightless W 的電池壽命較短。

LoRaWAN技術的優勢

以下是 LoRaWAN 技術提供的一些突出優勢：

• 超低功耗：LoRaWAN設備可以在低功耗模式下運行，其電池可使用數年。
• 卓越的範圍：鄉村地區遠距離覆蓋範圍可達 10 英里，城市環境可達 1-3 英里
• 室內深度穿透：LoRaWAN 網路可以提供室內深度覆蓋，並輕鬆覆蓋多層建築。
• 免費頻譜許可：LoRaWAN 技術在免費（未經許可）頻率上運行，無需額外的頻譜許可費用。
• 高容量：網路容量支援每個網關覆蓋超過一百萬台裝置。
• 公共和私人部署：使用相同的軟體和硬體（終端設備、網關、天線）可以輕鬆部署私人和公共 LoRaWAN 網路。
• 端到端安全：強大的 128 位元 AES 端對端加密，確保強大的安全性。
• 低成本：設備和營運成本非常低，非常適合大型設備部署
• 生態系統：LoRaWAN 擁有非常龐大的生態系統，包括設備製造商、應用程式開發人員、網路服務供應商和解決方案供應商。

LoRaWAN技術的用例

以下是一些非常適合 LoRaWAN 的有前景的用例類別：

智慧城市與公用事業

城市可以有效率地連接市政基礎設施，例如儀表、垃圾箱、路燈和污染監測器。甚至可以實現車輛和公車追踪，從而實現智慧交通。對於公用事業公司而言，大規模智慧計量（涵蓋燃氣、電力和水錶）非常可行。

供應鏈與物流

物流公司可以追蹤貨櫃、托盤在多個倉庫和運輸途中的位置、狀況和移動情況。冷鏈可以確保易腐貨物的完整性。港口運作可以追蹤起重機、車輛、貨物等。

智能農業與耕作

LoRaWAN 感測器可廣泛應用於農場、果園和葡萄園，透過電池感測器全年監測土壤濕度、作物生長環境和儲存條件。動物健康和定位穿戴裝置也正在興起。

資產管理與追蹤

設備等貴重資產可跨地點監控溫度、衝擊、運動等參數，進而提高安全性、使用率和使用壽命。 LoRaWAN 標籤托盤和箱子可簡化倉庫流程。

工業物聯網和感測器監控

工廠可以部署可靠的遠端感測器，跨樓層追蹤資產、安全指標和產品品質指標，無需佈線或更換電池。即使是管道、鑽孔機等遠端站點也能進行測量。

智慧醫療

醫院可以使用 LoRaWAN 高效連接醫療設備和輪椅等資產，從而實現更佳的追蹤和利用率。住院期間配戴患者腕帶可監測患者運動狀況，進而改善工作流程。輔助生活設施也能從定位和跌倒偵測功能中獲益，進而提高安全性。

適合您應用的 MOKOSmart LoRaWAN 感測器

MOKOSmart提供多種支援LoRaWAN的感測器，非常適合許多遠端低功耗物聯網應用。一些可能有用的MOKOSmart LoRaWAN感測器包括：

LoRaWAN PIR 運動感測器：偵測動作並可用於佔用監控、入侵者警報、自動化觸發等。

LoRaWAN GPS追蹤器：追蹤資產的即時位置，並可監控溫度和移動。適用於車隊管理、資產追蹤和防盜。

LoRaWAN溫濕度感測器：監測環境溫度和濕度。非常適合冷鏈物流、暖通空調監控、儲存單元追蹤和環境分析。

LoRaWAN緊急按鈕：緊急警報按鈕，按下時可通知人員問題或啟動緊急應變系統。

LoRaWAN 停車感應器：偵測停車位內是否有車輛。支援智慧停車應用和分析。

LoRaWAN智慧徽章：追蹤人員即時位置，並可作為緊急按鈕發送警報。非常適合勞動力管理、門禁控制和安全應用。

如何開始使用 LoRaWAN 技術

部署 LoRaWAN 解決方案 從概念驗證到大規模推廣，主要步驟通常包括：

• 研究 LoRaWAN 是否滿足可靠性、範圍和電池壽命
• 了解透過公共網路、社區網路或私人部署的覆蓋選項
• 選擇 LoRa 模組和 LoRaWAN 感測器等硬件
• 檢查本地網路服務供應商的可用性或部署自己的網關
• 透過網關將終端設備硬體連接到 LoRaWAN 網路伺服器
• 開發設備應用程式和物聯網應用程式與雲端服務的集成
• 在預期的部署條件下測試覆蓋率和感測器性能

隨著 LoRaWAN 覆蓋範圍和設備選項的快速擴展，現在是探索您自己的創新 LoRaWAN 用例的好時機。