采用LoRa

綜合應(yīng)用 Application

2021年3月 月刊 總第347期

采用LoRa-Mesh與藍(lán)牙混合技術(shù)組建

樓宇窄帶物聯(lián)網(wǎng)的研究

文/中廣有線信息網(wǎng)絡(luò)有限公司 許瑜超

華數(shù)數(shù)字電視傳媒集團(tuán)有限公司 葉翔

摘要：針對(duì)LoRa信號(hào)對(duì)樓宇

覆蓋和組網(wǎng)技術(shù)，本文提出了采用

LoRa-Mesh與藍(lán)牙混合組網(wǎng)的概念，

用于區(qū)分廣義的LoRa物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)

方式。采用Mesh組網(wǎng)的LoRa物

聯(lián)網(wǎng)，可以有效解決樓宇復(fù)雜環(huán)境

下的深度覆蓋，通過(guò)云中心實(shí)現(xiàn)各

個(gè)樓的連接。同時(shí)，結(jié)合藍(lán)牙技術(shù)，

將具備藍(lán)牙功能的設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)，

大大提高接入設(shè)備的通用性，降低

組網(wǎng)成本，使該物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)更易于

商業(yè)化和快速實(shí)施。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng) 窄帶通信

藍(lán)牙 Mesh 智能樓宇

1 引言

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)是繼互聯(lián)網(wǎng)技

術(shù)之后，又一劃時(shí)代的技術(shù)突破。互

聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，充分實(shí)現(xiàn)

了人與人的鏈接，軟件既服務(wù)（SaaS）

極大地改變了我們的生活。隨著物聯(lián)

網(wǎng)和邊緣計(jì)算的興起，今后將會(huì)實(shí)現(xiàn)

物與物的鏈接，感應(yīng)既服務(wù)會(huì)滲透到

我們生活的每一個(gè)角落。伴隨“智慧

廣電”的發(fā)展，各地廣電網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始在

物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)和探索上摸索新的業(yè)

務(wù)模式，特別是在窄帶物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

當(dāng)中，以LoRa技術(shù)組網(wǎng)的較為普遍，

產(chǎn)生了不少成功的案例。

眾所周知，窄帶物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是

LPWAN（低功率廣域網(wǎng)絡(luò)），其小數(shù)

據(jù)量、長(zhǎng)距離傳輸及省電的特性，使這

一技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域中大放異彩。

NBIoT、LoRa、Sigfox都是以大型

的室外基站為核心，向城市和大樓的

各個(gè)角落發(fā)送和接收信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線

通信。

在實(shí)際的應(yīng)用當(dāng)中，由于一些建

筑物結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的LoRa組

網(wǎng)方式使用星型拓?fù)洌嬖谥T多缺點(diǎn)，

例如無(wú)法為整個(gè)建筑提供真正普遍的

連接，尤其是地下室等特殊區(qū)域，因

占空比限制和鏈路質(zhì)量較差，往往

會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)使用困

難。我們提出了采用LoRa-Mesh的

組網(wǎng)技術(shù)，同時(shí)疊加藍(lán)牙通訊形成的

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（以下簡(jiǎn)稱“Mesh IoT”），

以室內(nèi)LoRa節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)形成大樓內(nèi)

的LoRa-Mesh網(wǎng)絡(luò)，以網(wǎng)關(guān)為核心，

由大樓內(nèi)向大樓外擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋，通

過(guò)云服務(wù)達(dá)成各樓宇的互聯(lián)，可以有

效解決樓宇內(nèi)信號(hào)的覆蓋、大量節(jié)點(diǎn)

的接入問(wèn)題。通過(guò)與藍(lán)牙技術(shù)相結(jié)合，

可實(shí)現(xiàn)LoRa節(jié)點(diǎn)與第三方設(shè)備的靈

活接入，實(shí)現(xiàn)智能樓宇的窄帶物聯(lián)網(wǎng)

建設(shè)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Mesh IoT由四種設(shè)備組成，分

別是云端、網(wǎng)關(guān)、節(jié)點(diǎn)和傳感器，系

統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.1云端

集中部署在公有云上，由Mesh

IoT運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)和運(yùn)維，一般是

根據(jù)區(qū)域或行業(yè)建設(shè)，主要功能如下。

（1）運(yùn)營(yíng)商配置和管理網(wǎng)關(guān)與節(jié)

點(diǎn)；業(yè)務(wù)單位通過(guò)API接口調(diào)用數(shù)據(jù)，

開(kāi)發(fā)應(yīng)用。

（2）數(shù)據(jù)分發(fā)上，根據(jù)數(shù)據(jù)包的

特征，為業(yè)務(wù)的使用者提供相關(guān)數(shù)據(jù)。

例如，將A、B公司的傳感器數(shù)據(jù)分

別傳給A、B公司，但A、B公司的

數(shù)據(jù)是相互隔離的。或者按區(qū)域發(fā)送

數(shù)據(jù)，如將區(qū)域內(nèi)所有消防類傳感器

數(shù)據(jù)傳送給該區(qū)域的消防部門。

2.2 網(wǎng)關(guān)

根據(jù)實(shí)際建筑物或園區(qū)的大小，選

擇部署1個(gè)到多個(gè)網(wǎng)關(guān)，由Mesh IoT

網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)預(yù)先配置，并將其放置

在樓宇中心位置的弱電機(jī)房即可，網(wǎng)

關(guān)使用有線網(wǎng)絡(luò)或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（4G、

5G等）連接到互聯(lián)網(wǎng)，主要功能如下。

（1）組網(wǎng)管理方面，網(wǎng)關(guān)使用

LoRa協(xié)議與節(jié)點(diǎn)通信，指揮節(jié)點(diǎn)自動(dòng)

組網(wǎng)，并將相關(guān)信息注冊(cè)到云端。

（2）通信通道轉(zhuǎn)換方面，網(wǎng)關(guān)將

節(jié)點(diǎn)傳送上來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)

.

97

Application

綜合應(yīng)用

或4G、5G網(wǎng)傳送到云端。

感器。其中，藍(lán)牙傳感器是通用設(shè)備，

3.2 組網(wǎng)過(guò)程

2.3 節(jié)點(diǎn)

使用標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙協(xié)議的傳感器都可以接

可以有LoRa和藍(lán)牙兩種接入方式。

入Mesh IoT網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)消息報(bào)文的

如果是采用藍(lán)牙接收傳感器接入的，由

特征，Mesh IoT網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商會(huì)把這些

于藍(lán)牙協(xié)議的限制，節(jié)點(diǎn)與傳感器一般

傳感器的信息準(zhǔn)確地傳送給指定的物

不能超過(guò)20m，則一般每層樓需要部

聯(lián)網(wǎng)處理服務(wù)器。由于藍(lán)牙協(xié)議是低

署1個(gè)，平層面積較大的樓房需要部署

功耗的，所以傳感器可以使用電池供

更多的節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)的主要功能如下。

電，壽命通常在幾年甚至更久。

（1）將傳感器的藍(lán)牙協(xié)議轉(zhuǎn)化為

LoRa協(xié)議，將數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)關(guān)。

3 組網(wǎng)方案

（2）自組網(wǎng)，采用Mesh技術(shù)，通

3.1 數(shù)據(jù)傳送過(guò)程

過(guò)修改路由協(xié)議使各節(jié)點(diǎn)之間可以通LoRa傳感器或藍(lán)牙傳感器發(fā)送數(shù)

信并組成鏈路，在部分節(jié)點(diǎn)損壞時(shí)，據(jù)，經(jīng)由節(jié)點(diǎn)層層傳遞到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)絡(luò)還可以自動(dòng)修復(fù)，迂回連通。會(huì)傳送給云端，云端根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)文特

2.4 傳感器

征分發(fā)給對(duì)應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)商，數(shù)據(jù)傳

傳感器可以是LoRa或藍(lán)牙傳

送過(guò)程示意圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 數(shù)據(jù)傳送過(guò)程示意圖

98

.

根據(jù)大樓里樓層的位置合理安裝

網(wǎng)關(guān)，一般20層樓安裝1~2個(gè)網(wǎng)關(guān)。

每一層都安裝1個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)，按

照建筑物里的環(huán)境大小合理布放節(jié)點(diǎn)，

要保證所有藍(lán)牙傳感器都能和節(jié)點(diǎn)通

信。大樓的設(shè)備安裝如圖3、圖4所示。

4 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

4.1 解決室分和物聯(lián)網(wǎng)可靠通信的

矛盾

NBIoT、LoRa、Sigfox是典型

的

星形通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)

構(gòu)簡(jiǎn)單、通訊效率高，在基站和節(jié)點(diǎn)

之間是簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，缺點(diǎn)是在

出現(xiàn)物體屏蔽或者隨機(jī)性干擾的情況

下，會(huì)出現(xiàn)通信中斷或無(wú)法通信情況。

通過(guò)Mesh IoT組網(wǎng)技術(shù)，以樓宇樓

層中的室內(nèi)網(wǎng)關(guān)為核心，由大樓內(nèi)向

大樓外擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋，這種架構(gòu)可以

實(shí)現(xiàn)大樓內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)信號(hào)無(wú)死角覆蓋。

Mesh IoT結(jié)合了LoRa長(zhǎng)距離

星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)和ZigBee Mesh

Network網(wǎng)狀通訊協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)，可以

動(dòng)態(tài)自組織和自配置，進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配

工作負(fù)載，從而減少了安裝開(kāi)銷，實(shí)

現(xiàn)了可靠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信。當(dāng)遇到屏

蔽或者干擾，網(wǎng)絡(luò)通信受阻時(shí)，網(wǎng)絡(luò)

會(huì)通過(guò)節(jié)點(diǎn)跳轉(zhuǎn)，自動(dòng)尋找新的通信

路徑，以確保通信的建立。即使出現(xiàn)

通信節(jié)點(diǎn)損壞，網(wǎng)絡(luò)也具備自修復(fù)功

能，尋找附近節(jié)點(diǎn)，重新建立通信路

徑，這有助于提高容錯(cuò)能力并降低維

護(hù)成本。

4.2 解決節(jié)點(diǎn)接入數(shù)量和節(jié)點(diǎn)狀態(tài)

的監(jiān)控問(wèn)題

窄帶通信網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)勢(shì)是通

信距離長(zhǎng)，在空曠地帶可以輕松達(dá)到

綜合應(yīng)用 Application

2021年3月 月刊 總第347期

4.3 Mesh IoT網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的安全性高

網(wǎng)關(guān)和Mesh IoT服務(wù)器通過(guò)使

用MQTT（消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸）協(xié)議

相互通信。Mesh IoT服務(wù)器生成的證

書(shū)，可作為每個(gè)網(wǎng)關(guān)都必須具有訪問(wèn)

Mesh IoT服務(wù)器的憑據(jù)，同時(shí)往返于

Mesh IoT服務(wù)器的所有流量都必須通

過(guò)安全傳輸層協(xié)議（TLS）進(jìn)行加密。

對(duì)于云上的數(shù)據(jù)，則由云服務(wù)商的安

全機(jī)制來(lái)保證。

網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)之間的通信是采用遠(yuǎn)

程（LoRa）技術(shù)，使用預(yù)置共享密鑰

（PSK）方案，對(duì)全流量采取128位高

圖3 節(jié)點(diǎn)在大樓的分布圖

強(qiáng)度的AES算法加密。

對(duì)于采用藍(lán)牙加入的第三方設(shè)

備，只要求其通信完全遵循藍(lán)牙低功

耗（BLE）規(guī)范。如果有特殊應(yīng)用場(chǎng)景，

可以建立配對(duì)，在兩個(gè)設(shè)備之間生成

一個(gè)臨時(shí)會(huì)話密鑰（AES128）。

所有數(shù)據(jù)最終都存儲(chǔ)在云服務(wù)器

中，節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)均不存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，不存

在數(shù)據(jù)泄漏的風(fēng)險(xiǎn)。

4.4 藍(lán)牙技術(shù)解決了大樓內(nèi)第三方

設(shè)備的靈活接入問(wèn)題

相比LoRa傳感器，藍(lán)牙傳感

器具有廉價(jià)、功耗更低的特點(diǎn)，所以

Mesh IoT網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本比全部采用

圖4 傳感器與節(jié)點(diǎn)的平層分布圖

LoRa傳感器要低更多。同時(shí)，具有藍(lán)

牙功能的第三方設(shè)備應(yīng)用更廣泛，任

10km點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊。覆蓋的范圍越廣，

之間的信號(hào)干擾，在物理層面有效地

理論上需要接入的節(jié)點(diǎn)就越多，但

解決了物聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備的數(shù)量的問(wèn)題。

何具備藍(lán)牙通信模組的應(yīng)用設(shè)備，都

可以自由地接入Mesh IoT網(wǎng)絡(luò)，利

用即插即用的均勻分布的LoRa節(jié)點(diǎn)，

形成短距離藍(lán)牙無(wú)線覆蓋。用戶完全

不會(huì)被硬件廠商鎖定，可以自由選擇

硬件靈活地接入網(wǎng)絡(luò)。

是窄帶通信的一大缺點(diǎn)是通信速率低，

一個(gè)IoT網(wǎng)關(guān)可以輕松接入上萬(wàn)個(gè)物

信號(hào)占空比高，在一天之內(nèi)允許發(fā)送

的數(shù)據(jù)有限，極大限制了接入節(jié)點(diǎn)的

數(shù)量。面對(duì)長(zhǎng)距離大面積覆蓋和低速

網(wǎng)絡(luò)的矛盾，采用Mesh IoT組網(wǎng)技術(shù)，

在一個(gè)網(wǎng)關(guān)下可以輕松覆蓋一座幾十

層的大樓和周邊100m的空間。通過(guò)

降低信號(hào)功率，極大地縮小了樓與樓

聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，可以在樓宇任何地點(diǎn)采集

數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)接入點(diǎn)的數(shù)量隨時(shí)增

減網(wǎng)關(guān)，解決了數(shù)據(jù)接入問(wèn)題。

此外，Mesh IoT還具備對(duì)所有

接入的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控的功能，出

現(xiàn)故障可及時(shí)告警，確保了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)

的正常運(yùn)行。

4.5 Mesh IoT是一個(gè)完全開(kāi)放的

網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

Mesh IoT兼容LoRa 和藍(lán)牙的技

.

99

Application

綜合應(yīng)用

術(shù)規(guī)范，現(xiàn)有的符合這兩類的終端設(shè)

備都可以接入。終端數(shù)據(jù)都存在公有

云平臺(tái)上，客戶通過(guò)TCP/IP和公有云

平臺(tái)通信，就可以訪問(wèn)這些終端的數(shù)據(jù)。

藍(lán)牙功能，所以可以提供基于室內(nèi)的

位置服務(wù)。

靈活，可實(shí)現(xiàn)樓宇的全面覆蓋，通過(guò)與

藍(lán)牙技術(shù)相結(jié)合，大大降低了組網(wǎng)成本，

同時(shí)滿足多種終端設(shè)備的接入。此外，

基于藍(lán)牙技術(shù)還可以開(kāi)發(fā)智能樓宇的基

于位置服務(wù)的多種應(yīng)用。因此，這種解

決方案將為廣電在開(kāi)展窄帶物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)

和應(yīng)用時(shí)提供一定的借鑒意義。

5.1 資產(chǎn)定位應(yīng)用

對(duì)樓宇中的關(guān)鍵資產(chǎn)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)

控，并跟蹤其位置信息，這對(duì)業(yè)主在

設(shè)施管理中非常有效。例如，醫(yī)院的

檢測(cè)儀器的使用位置、危險(xiǎn)危化物品

處置的軌跡跟蹤等。

4.6 系統(tǒng)建設(shè)與維護(hù)極其方便

Mesh IoT采用即插即用的模

式，在工程建設(shè)時(shí)只要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境

的情況合理部署節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)連

接需管理的設(shè)備傳感器，并將數(shù)據(jù)通

過(guò)樓內(nèi)的LoRa網(wǎng)絡(luò)傳輸給網(wǎng)關(guān)，在

云端進(jìn)行配置即可運(yùn)行。另外，由于

Mesh IoT具備對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)

控的功能，如果節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，則該

節(jié)點(diǎn)會(huì)脫離網(wǎng)絡(luò)并及時(shí)發(fā)出告警，但

整個(gè)網(wǎng)絡(luò)仍能正常運(yùn)行，使得維護(hù)工

作十分便捷。

5.2 人員定位服務(wù)

在大型建筑物內(nèi)，可以進(jìn)行自助

式定位和導(dǎo)航（大型購(gòu)物商場(chǎng)的導(dǎo)購(gòu)

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)信息通信研究院.物聯(lián)網(wǎng)白皮書(shū)

（2018）[R].北京:中國(guó)信息通信研究院,2018.

[2]中國(guó)信息通信研究院.物聯(lián)網(wǎng)終端安全白

院,2019.

[3]Butun,Ismail Pereira,Nuno Gidlund,

et ty Risk Analysis of LoRaWAN

and Future Directions[J].Future Inter-

net,2019,11(1):3.

[4] Ke,Kai-Hsiang Lee,Huang-Chen.

等）；對(duì)需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的人員（老人、

皮書(shū)（2019）[R].北京:中國(guó)信息通信研究

小孩等），可以對(duì)其行動(dòng)軌跡進(jìn)行全程

監(jiān)控和分析，為其提供必要幫助；提

供對(duì)醫(yī)院重癥人員的監(jiān)護(hù)、看護(hù)等。

6 結(jié)語(yǔ)

5 特色應(yīng)用

除了基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)的眾多基

本應(yīng)用之外，由于Mesh IoT結(jié)合了

Mesh IoT通過(guò)采用Mesh組網(wǎng)技

術(shù)，實(shí)現(xiàn)了樓宇內(nèi)的LoRa無(wú)線通信網(wǎng)

絡(luò)，其突出的優(yōu)勢(shì)在于安裝方便、組網(wǎng)

Monitoring of Large-Area IoT Sensors

Using a LoRa Wireless Mesh Network

System:Design and Evaluation[J].IEEE

Transactions on Instrumentation and

Measurement,2018,67(9):2177-2187.

上接第96頁(yè)

云框架中，TensorFlow有效調(diào)度使用

CPU和GPU資源，將一千萬(wàn)張圖片訓(xùn)

練數(shù)據(jù)分散到各核心并行計(jì)算，以此

得到更高訓(xùn)練效率。最后，在設(shè)計(jì)的

容器云框架中，基于MS-Celeb-1M

訓(xùn)練數(shù)據(jù)得到人臉ResNet模型，而后

在測(cè)試集上進(jìn)行十折交叉驗(yàn)證，得到

模型的準(zhǔn)確率為0.95±0.01。

識(shí)別容器云平臺(tái)框架。容器云平臺(tái)提高

了數(shù)據(jù)處理效率，縮短了人臉識(shí)別程序

的處理時(shí)間，進(jìn)一步提升節(jié)目音視頻出

現(xiàn)的敏感人物檢測(cè)效率，有效緩解人工

監(jiān)看工作量。隨著智能技術(shù)在廣電行業(yè)

的應(yīng)用，本文提出的框架也為進(jìn)一步提

[3]Mell Peter M,Grance

NIST Definition of Cloud Computing[M].

Maryland: National Institute of Standards

and Technology,2011.

[4]Boettiger introduction to

Docker for reproducible rearch[J].

ACM SIGOPS Operating Systems

Review,2015,49(1):71-79.

Jianmin,et Flow: a system for

large-scale machine learning: Proceed-

ing of OSDI'16 Proceedings of the 12th

高大規(guī)模音視頻數(shù)據(jù)處理提供新的思路，

[5]Abadi Martin,Barham Paul,Chen

并藉此推動(dòng)“智慧廣電”建設(shè)。

5 結(jié)語(yǔ)

為提高計(jì)算資源利用率，適應(yīng)大

規(guī)模音視頻數(shù)據(jù)處理，建設(shè)具有資源彈

性伸縮和多租戶特性的人臉識(shí)別平臺(tái)，

參考文獻(xiàn)：

[1]茍明太.探究如何通過(guò)人臉識(shí)別技術(shù)

監(jiān)管電視節(jié)目內(nèi)容[J].電視技術(shù),2018,

42(10):117-120.

[2]高晨.基于人工智能的媒資系統(tǒng)敏感人

46(6):34-37.

USENIX conference on Operating Sys-

tems Design and Implementation,2016[C].

Berkeley:USENIX Association,

2016:265-283.

[6]Bernstein ners and Cloud:

From LXC to Docker to Kubernetes[J].

IEEE Cloud Computing,2015,1(3):81-84.

本文在分析虛擬化實(shí)現(xiàn)方式的基礎(chǔ)上，

物回溯研究[J].廣播與電視技術(shù),2019,

提出了構(gòu)建基于TensorFlow的人臉

100

.