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LoRaMESH: LoRa Meets Gossip

來源:艾森智能 2022-09-09 16:30

LoRaMESH網絡的價值

提到應急救援,我們會想起大型的災難現場、基于WIFI的寬帶自組網、衛星回傳鏈路、無人機移動基站、可視對講等等。但我們往往會忽視其它一些應急救援的場景,列舉幾個典型的案例:

案例1:山地馬拉松事故21人遇難。這是一起因局部天氣突變發生的公共安全事件。比賽過程中,受突變極端天氣影響,氣溫驟降,導致參賽人員出現身體不適、失溫。慘痛的教訓之余,我們思考應對之策:在比賽路徑上部署若干個天氣監測站點,各站點之間通過LoRaMESH構建一個低功耗的AdLibNet網絡,定期廣播天氣狀況。參賽人員通過便攜式電子設備的地圖上獲取各站點的實時天氣變化,通過預警提示及時規避風險。遇到危險時,參賽人員使用電子設備報警,位置和文本信息通過LoRaMESH網絡傳送到各救援服務點,參賽人員得到快速救援。

案例2:驢友在梧桐山不慎走失,警方7小時跨夜營救。由于山中的手機信號十分微弱,無法準確定位,警方只能動員大量人力進行地毯式搜索。這種戶外遇險的事件屢見不鮮,給應急救援部門帶來巨額負擔。如何在野外遇險情況下快速傳遞傳遞出SOS信號呢?應對之策:梧桐山網格化部署數十個SOS裝置。各裝置通過LoRaMESH構建一個低功耗的AdLibNet網絡,定期廣播位置信息,提供SOS報警按鈕。驢友可以利用該裝置快速傳遞出報警信號和位置信息,也可利用隨身攜帶的電子設備,快速發現附近站點位置或找到同伴。

案例3:化工廠毒氣揮發事故當晚5 名消防員昏迷。當化工廠發生環保事故,如何及時評估現場的安全態勢?如何快速定位事故源頭?一種應對之策:投擲若干探測節點。散布的探測節點通過LoRaMESH構建一個AdLibNet網絡,感知并定期廣播氣體、溫度、位置等數據。由此,場外的指揮裝置能及時掌握現場的安全態勢,進場的消防員通過電子設備可獲取每個探測點位的安全狀態,從預警提示中及時規避風險。

我們從上述案例中可以看到,LoRaMESH構建的AdLibNet網絡具有顯著價值。

LoRaMESH網絡的特征

艾森智能致力于利用LoRaMESH構建一種具有如下特征的應急救援網絡:

1. 動態拓撲、去中心化的多跳網絡

LoRaMESH網絡需要足夠的自治性、自愈性和擴展性,滿足即時組網的需要。網絡中節點完全對等,網絡的拓撲及拓撲的變化不影響正常的傳輸功能。RPL等傳統的樹狀路由協議無法滿足,基于六度分隔理論的Gossip協議是正確的選擇。

2. 低功耗、遠距離的窄帶網絡

LoRaMESH網絡雖然可達15跳,但是在復雜環境中,單跳的可視傳輸距離仍然需要達到數公里以上,網絡節點也基本上依靠電池或太陽能供電。LoRa由于在低功耗和遠距離上有突出的性能,成為應急救援網絡有競爭力的無線傳輸技術。

3. 易部署、免維護的低成本網絡

應急救援網絡即時部署需要免配置免維護,上電即用。除了便利性,低成本更有利于網絡的推廣普及。以LoRaMESH網絡為例,在戶外馬拉松的線路上位部署一套天氣監測網絡系統,僅需要幾萬部署成本,并可以反復使用。

4. 時延容忍的高可靠網絡

應急救援網絡在物理層優先滿足低功耗和遠距離,在鏈路層通過協議保證高可靠性。Gossip協議具有一定的可靠性,但會降低網絡容量。LoRaMESH協議通過跳頻、消息匯聚、鏈路層應答、網絡自適應等協議技術將網絡端到端的可靠性提升到90%以上。

LoRaMESH構建的應急救援網絡架構示意圖:

網絡支持固定和移動節點,通信功能完全相同。固定節點多為太陽能供電的裝置,提供環境、位置、UI交互等功能,移動節點為充電電池供電的電子設備,提供位置、UI 交互,或作為接收機收集數據供分析呈現使用。

LoRaMESH網絡的關鍵技術

艾森智能研發的基于LoRa的高可靠Gossip協議--LoRaMESH包括如下關鍵技術:

1. 多信道跳頻(FHSS)

LoRaMESH以隨機跳頻方式利用多個信道進行通信。節點在需要向網絡發送消息時,先在公共信道發一條引導消息(H),引導鄰近節點跳頻到一個專用信道上接收完整消息(M)。FHSS充分擴展了信道容量,也有效避免多徑干擾。

2. 消息聚合

Gossip協議極易造成消息碰撞,導致消息轉發效率降低。消息聚合將多個小消息合并成一條大消息發送,從而減少消息發送頻次,有效降低消息碰撞概率。如下圖所示,消息合并減少了由于載波偵聽退讓的隨機間隔時間,有效提高信道利用率。

3. 鏈路層確認

LoRaMESH引入一種鏈路層確認+重傳機制,保證了Gossip協議的高可靠性:

  1. 源節點發送REQ消息,通過Gossip轉發,目標節點收到REQ消息后回應ACK。
  2. 任意節點收到ACK時,如果與緩存的REQ消息匹配上,則停止轉發REQ和ACK。
  3. 任意節點如果探測網絡空閑,可以在一段較短的時間內多次泛洪同一條消息。
  4. 源節點在某個限定時間內沒有收到ACK時,可以重發REQ。

結合消息聚合機制,ACK帶來的網絡開銷有限,但能顯著減少重發消息引起的泛洪次數。

4. 網絡自適應

當節點在空間上密集分布時,廣播消息會造成信道擁塞。LoRaMESH設計在節點分布密集分布時使用高速擴頻因子,在節點分布稀疏分布時使用低速擴頻因子,同時兼顧了節點間的距離和信道容量,避免空口消息過于擁塞。

LoRaMESH通信模組

艾森智能研制的LoRaMESH通信模組是一種高性能、低功耗、遠程微功率無線模塊,采用分布式自組網通信模式,嵌入LoRaMESH協議,用戶無需對現有設備、協議進行任何修改,即可實現無線自組網。艾森智能提供兩種同尺寸的通信模組LoRaMesh(最大發射功率21dBm)和LoRaMesh_PA(最大發射功率27dBm)。

LoRaMesh_PA模組外觀:

LoRaMesh_PA模組參數:

封裝 SMT
天線接口 IPEX
數據接口 UART
尺寸(mm) 19*18*2.6
電壓范圍 3.6-5V供電
調制方式 LoRa
工作頻率 423-443MHz
最大發射功率 27dBm(5V供電)
24dBm(3.6V供電)
最大發射電流 350mA(5V供電)
300mA(3.6V供電)
接收靈敏度 126(SF8/125KHz)
-129(SF9/125KHz)
串口速率 1200bps~57600bps(默認9600bps)
接收電流 <=11mA
工作溫度 -40~+80℃
工作濕度 10%~90%相對濕度,無冷凝

LoRaMesh_PA模組引腳:

1 SWD 數據信號
2 SWC 控制信號
3 GND 電源
4 VCC 電源
5 TX TTL輸出
6 RX TTL輸入
7 IO1 模組喚醒 Host MCU
8 IO2 預留

關于艾森智能

深圳市艾森智能技術有限公司一直致力于為客戶提供可管理的低功耗無線物聯網解決方案。LoRaWAN、AISLink SubG(RT-LoRa)、LoRaMesh等LPWAN物聯網方案已大規模商用,贏得了客戶的高度認可和行業的良好口碑。

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