LoRa技术在距离测量和定位上的应用

LoRa技术是Semtech公司采用并且推广的的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案,属于低功耗广域网(Low Power Wide Area Network,LPWAN)通信技术中的一种。LoRa技术不再受限于传输距离和功耗的折衷考虑,为用户们提供了一种能够实现传输距离远、功耗低、多节点的系统,从而拓展成网络。

随着LoRa技术的受众群体越来越多,以及本身的持续发展。Semtech公司紧接着推出了SX1280这颗芯片,意味着2.4GHz频段的LoRa的面世。该芯片内置Ranging Engine,即到达时间差(Time Difference Of Arrival, TDOA)融合测距引擎,使用了time-of-flight测距方法。正因为低功耗、距离远又能用于精确测距及定位,越来越多的公司跟进了这一技术。如成都亿佰特电子科技有限公司基于SX1280的SPI接口无线模块E28-2G4M12S、E28-2G4M20S。

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图1基于SX1280的SPI接口无线模块(来自成都亿佰特电子科技有限公司官网)

接下来简要介绍time-of-flight测距方法,该方法属于双向测距技术,利用数据信号在一对收发机之间往返的飞行时间来测量两点间的距离。将发射端发出数据信号和接收到接收端应答信号的时间间隔记为Tt,接收端收到发射端的数据信号和发出应答信号的时间间隔记为Tr,如下图所示。信号在这对收发机之间的单向飞行时间Tf=(Tt-Tr)/2,则两点间的距离d=c*Tf,其中c表示电磁波传播速度。

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图2time-of-flight测距方法

time-of-flight测距方法有两点关键的约束,接收端提供信号传输时间的长短,发射端和接收端时钟必须同步。

接下来简要介绍LoRa定位的原理,LoRa技术是使用上文提到的TDOA来实现地理位置定位的。LoRa定位的前提是所有的LoRa网关共享一个相同的时基,并且至少需要3个LoRa网关来接收数据信号。当一个LoRaWAN终端设备发射一段数据信号,其所在网络范围内的所有的LoRa网关都会接收到这段信号,并传输给网络服务器。网络服务器通过比较信号强度、到达时间、信噪比和其他参数来计算终端设备的最可能所在位置,如下图所示:

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图 3 3个网关实现LoRa定位

正因为LoRa地理位置功能无需涉及到GPS定位技术,可以实现最小尺寸、最低功耗、最低成本。目前LoRa地理位置功能开始被应用到各个行业和领域,如物流、畜牧业、建筑、保险行业等。下文简要介绍下畜牧业上的应用。

  目前畜牧业的主要现状:

将LoRa地理位置功能应用到畜牧业上,组成一个牛羊定位系统。该牛羊定位系统主要由LoRa定位模块、LoRa网关、牲畜管理平台组成。LoRa定位模块主要用于牛羊的佩戴,一一对应。几个LoRa网关便可以满足大型牧场的需求。LoRa定位模块定时向几个LoRa网关传输数据包,而LoRa网关向牲畜管理平台传输这些数据。牲畜管理平台通过算法处理分析这些数据,可以查看牛羊的具体位置、健康状态等。当牛羊生病时,工作人员可以及时赶到牛羊的位置进行处理、治疗等。

LoRa技术一直在高效地发展,随之带来的是LoRa距离测量与定位的完善和成熟,相信在未来会给更多的领域带来方便。