为什么LoRa将是IoT的关键技术

本文作者：Marc Pegulu  来源：Semtech  编译自Electronicdesign

随着我们进入互联时代，我们对物联网（IoT）的依赖将更加明显。在无数物理设备，车辆和其他物品之间主动传输大量数据的能力将成为改变人们和企业的游戏规则。

Machina Research估计，到2025年，将有270亿个IoT连接产生3万亿美元的收入。尽管2025年短距离无线技术将继续占所有IoT连接的约72％，但Machina Research估计，将有11％的IoT连接将使用低功耗，广域网（LPWAN）技术，这显示了解决方案的真正市场机遇。围绕远距离和低功耗功能构建。

为了支持这一趋势，物联网需要可靠的技术，以便能够充分利用各种连接应用程序。数据传输依赖于范围广，功耗低的安全网络。解决方案是LoRa无线射频技术，这是一种远程，低功耗的无线射频（RF）平台。LoRa技术具有足够的通用性，可以在稠密的城市环境和分散的农村地区运行，使其成为适用于多种案例的理想物联网解决方案。

基于LoRa的IoT解决方案从启用LoRa的嵌入式传感器开始，该传感器通过LPWAN网关应用程序发送数据（图1）。然后将其发送到网络服务器，并路由到应用程序服务器和云IoT服务。这些应用程序使用诸如机器学习和人工智能之类的技术来解释从嵌入式传感器收集的数据，从而安全地向最终用户提供有价值的信息。

1.LoRa网络架构

安全物联网

Gartner发现，在过去三年中，近20％的组织至少观察到了一次基于IoT的攻击。该公司还预测，2021年全球在物联网安全方面的支出将达到31亿美元。

LoRaWAN规范是一种低功耗，广域网协议，旨在将电池供电的物无线连接到局域、国家或全球网络中的Internet。LoRaWAN网络协议的关键要素是安全性。例如，其基准认证和安全框架基于AES 128加密方案，该方案由IEEE 802.15.4 / 2006附件B [IEEE802154]实施。通过使用单独的密钥进行用户数据加密和身份验证/网络完整性，与单个密钥实施方案相比，LoRaWAN提供了更高的安全性。

将IoT设备或所谓的终端节点连接到LoRaWAN网络有两种方法。第一个称为“个性化激活”（ABP）。在这种方法中，网络会话密钥和应用会话密钥已经与唯一的32位设备地址和唯一的24位网络ID一起存储在IoT设备中，该ID标识该设备要连接的特定LoRaWAN网络。

连接LoRaWAN IoT设备的默认方法是通过称为空中激活（OOTA）的过程进行。通过这种方法，每个物联网设备将向网络服务器发送加入请求消息，然后网络服务器将该消息转发到服务器（图2）。

2.加入请求和加入接受消息格式。

该加入请求MAC命令将包含三个数据字段（图3）。IEEE定义的64位DevEUI（可将其视为LoRa设备的“以太网MAC”地址）唯一标识此特定的LoRaWAN /终端节点。它还将发送一个唯一的AppEUI，以标识此特定终端节点要连接的应用服务器。最终数据是一个随机的2字节设备令牌。加入服务器将存储来自每个终端节点的先前加入请求消息中的随机设备令牌。

3.NwkSKey和AppSKey生成（LoRaWAN 1.02规范）

如果加入服务器从特定终端节点接收到的将来的加入请求，其设备令牌与最近收到的令牌相同，则加入服务器将忽略加入请求。这将防止所谓的“重播攻击”，在这种情况下，黑客可能会以某种方式从特定的终端节点捕获“加入请求”无线电消息，并重播（即重新传输）同一条消息，目的是使原始终端设备与网络断开连接。

只有加入服务器能够验证DevEUI和AppEUI的组合，它才会发出唯一的32位设备地址，唯一的24位网络ID和3字节的应用程序令牌。终端节点将以所谓的“加入响应”命令从网络服务器接收这些参数。然后，终端节点可以生成自己的安全密钥。图3显示了哪些字段用于生成应用程序会话密钥（AppSKey）和网络会话密钥（NwkSKey）。生成这些密钥的密钥字段之一是AppKey。这是唯一的128位固定值，对于每个端节点都是唯一的。

设计考虑到安全性，LoRa部署是物联网解决方案的命脉。现在，让我们看一下基于LoRa的IoT应用程序的一些常见示例。

全球供应链跟踪

车队，例如卡车，汽车，轮船和飞机，是许多具有全球市场的企业的骨干。通过利用物联网车队跟踪，企业可以获得必要的数据，以制定明智的成本节约决策。嵌入式传感器可以通过路线规划，地理车辆跟踪以及为计划性维修和减少停机时间提供预测性维护更新来协助有效的燃油管理。整个车队可以在不到一天的时间内配备嵌入式传感器，并且维护工作量最小，因为其低功耗使传感器电池可以使用长达20年。

嵌入式传感器还可用于监控这些车队在全球供应链中运送的货物。货运公司可以监视并自动调整冷藏室的环境条件，从而降低严重温度波动的风险。远距离运输敏感的易腐食品（例如食物）时需要的功能。此外，传感器可以定期中继有关装运地点的地理数据，从而为用户提供监视物品并确保其到达预定目的地。

智慧农业

地球上只有3％的水是可利用的淡水，其中70％由农业消耗。物联网解决方案对于为农民提供他们需要的信息以决定如何有效利用他们可支配的资源至关重要。通过使用基于LoRa的智能灌溉，农民能够减少因过度灌溉或枯竭导致农作物死亡的风险。

灌溉区配备了远程传感器平台和不同深度的土壤湿度传感器。传感器站点的LoRa收发器会定期向LoRa网关发送消息包，其中包含有关土壤湿度水平的数据。该网关可在六英里半径内支持多达1000个传感器部署。然后，通过专用或基于云的服务器分析土壤数据，将其发送给最终用户，最终用户可以配置该应用程序以在干旱地区进行手动或自动灌溉。通过将传感器与灌溉系统集成在一起，农民可以节省多达30％的用水量，同时保持最佳的农作物产量，这使LoRa技术成为农业行业的理想物联网解决方案。

智能家居

作为房主，有很多事情要注意。用水，照明和温度等。在互联时代，物联网解决方案可以简化公用事业的管理，无论所有者在其网络中的何处，都可以轻松访问它们。支持LoRa的智能家居应用可扩展到恒温器，洒水装置，门，锁和电源插座。与智能冰箱类似，基于LoRa的恒温器能够监控家庭温度并全天根据需要进行调整。智能灌溉应用程序可以监控喷淋头何时启用。这些应用程序都可以通过移动设备轻松访问，从而使房主和物业管理者能够控制多种公用事业并节省能源。

此外，智能家居物联网解决方案还可以帮助保护房屋和建筑物免受水分的损害。霉菌是困扰许多房主的一个问题，但是要使霉菌生长，必须存在理想的条件。水分和湿度是霉菌生长的关键因素，两者均可使用基于LoRa的嵌入式传感器进行监控。与其他智能家居公用事业类似，除湿机可以通过LoRa网络激活。此外，低成本和低功率传感器可以安装在易漏水区域，例如水槽下，管道和窗户附近。通过确定整个房屋的湿度和温度水平，房主可以在发生泄漏时立即得到通知，并根据需要进行修复以防止霉菌生长。

未来

随着世界拥抱互联时代，必将开发更多物联网应用程序来应对新挑战。 LoRa技术将继续为物联网解决方案提供关键支持，从而为最终用户提供远程，低功耗网络。作为物联网的基因，LoRa技术拥有光明的未来，可以为不同行业提供加入物联网所需的工具。