物联网技术的基本要求是什么

物联网097

物联网技术的基本要求是什么,第1张

正确的是:必须适应强电磁干扰环境,采用自适应跳频、确定性通信资源调度,无线路由,采用低开销高精度时间同步,网络分层数据加密,异常监视与报警以及设备入网鉴权。

就国内目前的主要市场环境来看,其主要用的是wifi mesh(例如strix的mesh设备)和cofdm mesh(例如winet无线智能宽带网络),前者利用的是wifi技术速率可达几百兆,频率主要用24G和58G,使用全向天线距离大概3-5公里。

物联网

是新一代信息技术的重要组成部分,IT行业又叫:泛互联,意指物物相连,万物万联。由此,“物联网就是物物相连的互联网”。这有两层意思:第一,物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;第二,其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间,进行信息交换和通信。

(1)物联网中的数据量更大:物联网的最主要特征之一是节点的海量性,除了人和服务器之外,物品、设备、传感网等都是物联网的组成节点,其数量规模远大于互联网;

同时,物联网节点的数据生成频率远高于互联网,如传感节点多数处于全时工作状态,数据流源源不断。

(2)物联网中的数据速率更高:

一方面,物联网中数据海量性必然要求骨干网汇聚更多的数据,数据的传输速率要求更高;

另一方面,由于物联网与真实物理世界直接关联,很多情况下需要实时访问、控制相应的节点和设备,因此需要高数据传输速率来支持相应的实时性。

(3)物联网中的数据更加多样化:物联网涉及的应用范围广泛,从智慧城市、智慧交通、智慧物流、商品溯源,到智能家居、智慧医疗、安防监控等,无 一不是物联网应用范畴;

在不同领域、不同行业,需要面对不同类型、不同格式的应用数据,因此物联网中数据多样性更为突出。

(4)物联网对数据真实性的要求更高:物联网是真实物理世界与虚拟信息世界的结合,其对数据的处理以及基于此进行的决策将直接影响物理世界,物联网中数据的真实性显得尤为重要。

物联网是新一代信息技术的重要组成部分,也是“信息化”时代的重要发展阶段。

顾名思义,物联网就是物物相连的互联网。这有两层意思:

其一,物联网的核心和基础仍然是互联网,是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;

其二,其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间,进行信息交换和通信,也就是物物相息。

物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术,广泛应用于网络的融合中,也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。

物联网是互联网的应用拓展,与其说物联网是网络,不如说物联网是业务和应用。

物联网的实践最早可以追溯到1990年施乐公司的网络可乐贩售机—Networked Coke Machine。

物联网用途广泛,遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防等多个领域。

在这之前,我们通过《从陌生到认识——LoRa技术》知道了LoRa,在这之后,我们或许可以将LoRa技术落地应用。

首先,什么是LoRa网关? 网关功能和大小都和WIFI路由器差不多,它用来接收节点(终端)发射的数据,然后通过互联网把数据转送到LoRa应用服务器。

常用的LoRa网关芯片有:

以 Dragino 网关为例,Dragino LG08 网关使用了一个网关芯片(SX1301),两个射频前端芯片(SX1257),可以同时监听8路+1路LoRa信号,接收灵敏度为 -140dBm,支持LoRaWAN协议标准。

大部分网关的设计都可以同时接收8 路不同射频频率的信号

因为,LoRa网关有8个LoRa信号接收信道,这信道好比马路上的车道,如果马路有八条车道,即可以同时实现八辆车并排通行,如果要求每一种类型的车仅能行驶在固定的车道,那么,八车道的马路同时并排的八辆车必须是不同类型的,LoRa网关也如是,它只能同时接八种不同类的信号(频率和SF不同),如果同一时间有大量节点发射数据,网关的信道被占满后,会放弃其他多余的信号。

LoRa信道冲突是很常见的,所以节点发射信号要有协议规定,例如信号占空比,每个节点每次发射信号占用的时间不能超过规定的时间,否则视为不遵守规则。 网关可以通过硬件设计方式,例如添加节点芯片,实现LBT——listen-before-talk,LBT的作用是监控信道是否被占用,在某些国家(日、韩)是强制要求网关实现这个功能的,因为这些国家面积小,人口又比较多,通信频道容易拥塞,使用LBT能提高信道效率。

网关容量的计算比较复杂,如果终端按每3分钟发射一次数据,数据长度为50B去估算,网关接纳终端的数量是900个左右。

具体要计算网关接纳终端的容量,受很多因素制约,其中至关重要的是通道多址接入控制协议,多址接入协议分类有:

1固定多址接入,典型的有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)、 码分多址(CDMA)、空分多址(SDMA)。

2随机多址接入,靠随机数控制,典型的协议有ALOHA, CSMA。

3基于预约的多址接入,数据发射前先进行通道预约,原理和日常预约挂号差不多。

LoRaWAN一般有8路信道,每路信道是相互独立的,我们只要分析其中一路信道,计算其容量,再乘以8就可以计算出网关的容量。

以Dragino LG08网关的其中一个信道为例进行分析,首先,需要统计网关覆盖区域内的所有终端节点的发包长度、ADR后的扩频因子、发包频率这些参数。通过LoRa计算工具(计算公式)计算出LoRaWAN模式下不同扩频因子对应的传输速率,并计算出每个终端节点的每个包的飞行时间,然后进行加权平均和数据处理。

处理方法如下:

很明显LoRa的网关容量是足够大的,物联网节点设备每天的发包率大多数都很低,一个Dragino LG08网关每天可以支持几十万(粗略估算 )条上行数据,计算公式: 。

如果考虑下行数据,上行的数据包总量会有所减少,大概会减少 20%~50%的上行数据容量。

如果使用Dragino的新款网关LIG16(SX1302方案),上述数据容量会明显增大,1302的信道的吞吐量要比1301大 倍。

基本上,LoRaWAN网络的信道容量是足够的,网关布置的关键是要考虑信号的覆盖问题。

LoRa节点芯片亦发展到了第二代,第一代为SX127X系列,第二代为SX126X系列,新产品性能必须要比旧产品性能好,SX126X对比旧版的优势有:

可以通过使用温补晶体或电路开槽的方案解决。

空中飞行时间可以通过公式计算得到:

是单个码元的时间, 是数据包码元总数。

数据包长度值最小是1B,最大长度需要满足国家地区无线电规范。 需要注意的是,每增加1B长度的数据,其空中飞行时间不会连续增加,而是增加一定字节的数据后一次性增加时间。

这是因为数据发射前要经过LoRa芯片的交织编码处理,而交织编码器有一定的容余空间。

例如在 SF = 7 的配置下,交织器的容量是 ,其中有 是有效载荷, 发送1B~3B的数据都是用5个码元,发送4B数据时,就要10个码元数,而10个码元可以容纳56b(7B)有效载荷。

LoRa通过无线电波传输,无线电波从发射天线发出,沿不同途径和方式到达接收天线,传输到达的距离远近和电波的频率、极化方式、传播的路径等有关。

电波的理想路径是在真空传输,没有阻挡,舒舒服服。

在实际的应用环境中存在各种障碍物,使电波的传播产生反射、绕射和衍射等非理想传输方式,造成距离计算的多样性和复杂性。

无线电波极限距离可以用公式表达为:

弗里斯传输方程是讨论,在自由空间的一个射频发射和接收系统中,发射功率、接收功率与天线增益、传输距离之间的关系。

当发射天线与接收天线的方向系数 都为1时,设发射天线辐射功率 与接收天线的最佳接收功率 的比值为 , 得公式:

D=1时,无方向性发射天线的功率密度:

D=1时,无方向性接收天线的接收面积:

该天线的接收功率为:

于是自由空间传播损耗为:

当电波频率提高一倍或距离增加一倍时,自由空间传播损耗分别增加6dB 。

如果考虑天线增益影响,发射天线增益系数为 , 接收天线为 ,可以导出公式:

这就是弗里斯传输公式 ,它还有很多变形,利用公式可计算收发设备间的最远工作距离 。

电磁波传播过程中存在额外衰减,定义为衰减因子:

相应的衰减损耗为:

A与工作频率、传播距离、媒质电参数、地貌地物、传播方式等因素有关。

基本传输损耗:

在路径传输损耗 为客观存在的前提下,降低链路传输损耗L的重要措施就是提高收、发天线的增益系数。

链路预算用来估算信号能成功从发射端传送到接收端之间的最远距离。

一个系统中链路预算等于其发射机的最大输出功率与接收机最高灵敏度的差值,用dB表示。当系统的链路预算大于路径损耗时,可以实现通信。

接收信号强度(RSSI)常用 表示, 用来判断链接质量,其表达式为:

理论上两颗简单的SX1262芯片就可以实现地球和月球之间的无线通信。

实际应用可以通过增大发射功率或者改善天线架设环境等措施去增加无线传输距离。

LoRa技术的性能大体讨论到这里,更高深的知识还待去学习更新。

物联网的特点:

1、物联网是各种感知技术的广泛应用。

物联网上部署了海量的多种类型传感器,每个传感器都是一个信息源,不同类别的传感器所捕获的信息内容和信息格式不同。传感器获得的数据具有实时性,按一定的频率周期性地采集环境信息,不断更新数据。

2、物联网是一种建立在互联网上的泛在网络。

物联网技术的重要基础和核心仍旧是互联网,通过各种有线和无线网络与互联网融合,将物体的信息实时准确地传递出去。在物联网上的传感器定时采集的信息需要通过网络传输,由于其数量极其庞大,形成了海量信息。

3、物联网不仅提供了传感器的连接,其本身也具有智能处理的能力,能够对物体实施智能控制。

物联网将传感器和智能处理相结合,利用云计算、模式识别等各种智能技术,扩充其应用领域。从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理有意义的数据,以适应不同用户的不同需求,发现新的应用领域和应用模式。

4、物联网的可靠传递。

可靠传递是指通过各种电信网络和因特网融合,对接收到的感知信息进行实时远程传送,实现信息的交互和共享,并进行各种有效的处理。

5、物联网的智能处理。

智能处理是指利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术,对随时接受到的跨地域、跨行业、跨部门的海量数据和信息进行分析处理,提升对物理世界、经济社会各种活动和变化的洞察力,实现智能化的决策和控制。

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