LoRa模塊無線通信技術在距離測量和定位上的應用

LoRa技術是Semtech公司采用并且推廣的的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案，屬于低功耗廣域網（Low Power Wide Area Network，LPWAN）通信技術中的一種。LoRa技術不再受限于傳輸距離和功耗的折衷考慮，為用戶們提供了一種能夠實現傳輸距離遠、功耗低、多節點的系統，從而拓展成網絡。

隨著LoRa技術的受眾群體越來越多，以及本身的持續發展。Semtech公司緊接著推出了SX1280這顆芯片，意味著2.4GHz頻段的LoRa的面世。該芯片內置Ranging Engine,即到達時間差（Time Difference Of Arrival, TDOA）融合測距引擎，使用了time-of-flight測距方法。正因為低功耗、距離遠又能用于精確測距及定位，越來越多的公司跟進了這一技術。如成都億佰特電子科技有限公司基于SX1280的SPI接口無線模塊E28-2G4M12S、E28-2G4M20S。

圖1基于SX1280的SPI接口無線模塊（來自成都億佰特電子科技有限公司官網）

接下來簡要介紹time-of-flight測距方法，該方法屬于雙向測距技術，利用數據信號在一對收發機之間往返的飛行時間來測量兩點間的距離。將****端發出數據信號和接收到接收端應答信號的時間間隔記為Tt,接收端收到****端的數據信號和發出應答信號的時間間隔記為Tr，如下圖所示。信號在這對收發機之間的單向飛行時間Tf=(Tt-Tr)/2，則兩點間的距離d=c*Tf,其中c表示電磁波傳播速度。

圖2time-of-flight測距方法

time-of-flight測距方法有兩點關鍵的約束，接收端提供信號傳輸時間的長短，****端和接收端時鐘必須同步。

接下來簡要介紹LoRa定位的原理，LoRa技術是使用上文提到的TDOA來實現地理位置定位的。LoRa定位的前提是所有的LoRa網關共享一個相同的時基，并且至少需要3個LoRa網關來接收數據信號。當一個LoRaWAN終端設備****一段數據信號，其所在網絡范圍內的所有的LoRa網關都會接收到這段信號，并傳輸給網絡服務器。網絡服務器通過比較信號強度、到達時間、信噪比和其他參數來計算終端設備的最可能所在位置，如下圖所示：

圖 3 3個網關實現LoRa定位

正因為LoRa地理位置功能無需涉及到GPS定位技術，可以實現最小尺寸、最低功耗、最低成本。目前LoRa地理位置功能開始被應用到各個行業和領域，如物流、畜牧業、建筑、保險行業等。下文簡要介紹下畜牧業上的應用。

  目前畜牧業的主要現狀：

• 牛羊主要靠人工看管，人工投入成本大；
  

• 牛羊無定位，每年存在不同程度的牛羊走失；
  

• 部分用GPS+GPRS定位方案費用高、續航時間短。

將LoRa地理位置功能應用到畜牧業上，組成一個牛羊定位系統。該牛羊定位系統主要由LoRa定位模塊、LoRa網關、牲畜管理平臺組成。LoRa定位模塊主要用于牛羊的佩戴，一一對應。幾個LoRa網關便可以滿足大型牧場的需求。LoRa定位模塊定時向幾個LoRa網關傳輸數據包，而LoRa網關向牲畜管理平臺傳輸這些數據。牲畜管理平臺通過算法處理分析這些數據，可以查看牛羊的具體位置、健康狀態等。當牛羊生病時，工作人員可以及時趕到牛羊的位置進行處理、治療等。

LoRa技術一直在高效地發展，隨之帶來的是LoRa距離測量與定位的完善和成熟，相信在未來會給更多的領域帶來方便。