本文发表于评估工程并经允许在此发表。
你将学习:
- 是什么让LoRa如此适合物联网连接?
- 分解LoRa和LoRaWAN系统的工作方式。
- 特别适合LoRa的特定应用。
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、车辆和其他物品上主动传输大量数据的能力，将会改变个人和企业的游戏规则。
Machina研究估计到2025年，将有270亿个物联网连接，产生3万亿美元的收入。虽然到2025年，近程无线技术将继续占到所有物联网连接的72%左右，但据Machina Research估计，11%的物联网连接将使用低功耗广域网(LPWAN)技术，这显示了围绕长距离和低功耗特性构建的解决方案的真正市场机会。
为了支持这一趋势，物联网需要可靠的技术，能够充分利用各种连接应用。数据传输依赖于覆盖面广、功耗低的安全网络。LoRa设备和无线射频技术(LoRa技术)，一种远程、低功耗的无线射频(RF)平台，是解决方案。LoRa技术具有足够的灵活性，可以在密集的城市环境和分散的农村地区发挥作用，使其成为任何数量的用例的理想物联网解决方案。
基于lora的物联网解决方案首先使用支持lora的嵌入式传感器，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，并路由到应用服务器和云物联网服务。这些应用程序使用机器学习和人工智能等技术解释从嵌入式传感器收集的数据，为最终用户安全地提供有价值的信息。
安全物联网
Gartner发现近20%的组织在过去三年中至少观察到一次基于物联网的攻击。该公司还预测，到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、广域网络协议，旨在将电池供电的“东西”无线连接到地区、国家或全球网络的互联网上。LoRaWAN网络协议的一个关键要素是安全性。它的基本认证和安全框架基于IEEE 802.15.4/2006附录B [IEEE802154]实现的AES 128加密方案。通过使用单独的密钥对用户数据进行加密和认证/网络完整性，LoRaWAN提供了比单密钥实现更高级别的安全性。
物联网设备或所谓的终端节点连接到LoRaWAN网络有两种方法。第一种被称为个性化激活(ABP)。在这种方法中，网络会话密钥和应用程序会话密钥已经存储在物联网设备中，以及唯一的32位设备地址和唯一的24位网络ID，该ID标识设备要连接的特定LoRaWAN网络。
连接LoRaWAN\IoT设备的默认方法是通过一个称为空中激活(Over The Air Activation, OOTA)的过程。在这种方法中，每个物联网设备将向网络服务器发送一个加入请求消息，然后网络服务器将此消息转发给一个加入服务器(图2)．
这个连接请求MAC命令将包含三个数据字段(图3)．一个ieee定义的64位DevEUI(可以把它看作LoRa设备的“以太网MAC”地址)唯一地标识这个特定的LoRaWAN/end-node。它还将发送一个唯一的AppEUI来标识这个特定的终端节点想要连接到的应用服务器。最终的数据是一个随机的2字节设备令牌。连接服务器将存储来自每个结束节点的之前的连接请求消息中的这些随机设备令牌。
如果连接服务器从一个特定的终端节点接收到一个未来的连接请求，其设备令牌与最近收到的设备令牌相同，则连接服务器将忽略该连接请求。这将防止所谓的“重放攻击”，黑客可以以某种方式从一个特定的终端节点捕获一个Join Request无线电消息，并重放(即重新传输)相同的消息，目的是获得原始终端设备从LoRaWAN网络断开连接。
只有当连接服务器能够验证DevEUI和AppEUI的组合时，它才会发出一个32位的设备地址，一个24位的网络ID和一个3字节的应用程序令牌。这些参数将由来自网络服务器的所谓Join Response命令中的终端节点接收。然后，终端节点可以生成自己的安全密钥。图3显示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)。生成这些密钥的关键字段之一是AppKey。这是一个唯一的128位固定值，对每个结束节点来说都是唯一的。
在设计时考虑到安全性，LoRa部署是物联网解决方案的命脉。现在让我们来看一些基于lora的物联网应用程序的常见示例。
全球供应链追踪
卡车、汽车、轮船和飞机等车辆是许多全球市场企业的支柱。通过利用物联网车队跟踪，企业拥有必要的数据来做出明智的成本节约决策。嵌入式传感器可以通过路线规划、车辆地理位置跟踪、为计划维修提供预测性维修更新和减少停机时间来帮助有效的燃料管理。整个车队可以在不到一天的时间内安装嵌入式传感器，并以最小的努力进行维护，因为它的低功耗允许传感器电池使用长达20年。
嵌入式传感器也可用于监测这些船队在全球供应链上运送的货物。航运公司可以监测和自动调整冷藏设备的环境条件，减少严重温度波动的风险。长途运输食品等敏感易腐物品时，这是一个理想的功能。此外，传感器可以周期性地转发货运位置的地理数据，为用户提供监测物品并确保其到达预定目的地的能力。
智能农业
地球上只有3%的水是可获取的淡水，其中70%用于农业。物联网解决方案至关重要，可以为农民提供必要的信息，帮助他们就如何有效利用可支配资源做出决策。通过基于lora的部署，使用智能灌溉，农民能够减少作物因过度灌溉或干旱而死亡的风险。
灌区配备了遥感传感器平台和不同深度的土壤湿度传感器。传感器站的LoRa收发器定期向LoRa网关发送一个包含土壤湿度水平数据的消息包。该网关可支持在半径6英里范围内部署多达1000个传感器。土壤数据随后由专用或基于云的服务器分析，然后发送给最终用户，他们可以配置应用程序，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，农民能够节省高达30%的用水量，同时保持最佳作物产量，使LoRa技术成为农业行业理想的物联网解决方案。
智能家居
作为一个房主，有很多事情要跟踪。用水、照明和温度等等。在互联时代，物联网解决方案可以简化公用事业的管理，使其易于访问，无论所有者在其网络的哪个位置。劳拉智能家居应用扩展到恒温器、洒水器、门、锁和电源插座。类似于智能冰箱，基于lora的恒温器能够监控家庭温度，并在一天中根据需要进行调整。智能灌溉应用程序监控洒水器何时和多长时间应该是活跃的。这些应用程序都很容易通过移动设备访问，为房主和物业经理提供控制多个公用事业和节约能源的能力。
此外，智能家居物联网解决方案还可以帮助保护住宅和建筑免受水的损害。霉菌是困扰许多房主的一个问题，但为了它的生长，必须有理想的条件。湿度和湿度是霉菌生长的关键因素，两者都可以通过基于罗拉的嵌入式传感器进行监测。与其他智能家居设施类似，除湿器可以通过LoRa网络激活。此外，低成本和低功率传感器可以安装在容易进水的区域，如水槽下，管道和窗户附近。通过识别整个房子的湿度和温度水平，房主能够在发生泄漏时立即得到通知，并在必要时进行修复，以防止霉菌生长。
前方的道路
随着世界进入互联时代，更多的物联网应用必将被开发出来，以迎接新的挑战。LoRa Technology将继续为物联网解决方案提供关键支持，为终端用户提供远程、低功耗网络。作为物联网的DNA, LoRa科技有着光明的未来，为不同行业提供加入物联网运动所需的工具。
