看见新视界NO.10｜浙江大学信息与电子工程学院史治国教授：探索LoRa广域低功耗定位技术在室外厂区高精度定位场景的应用

1月12日，“看见创新力量”——阿里云科技创新年会暨阿里巴巴诸神之战年度盛典暨阿里巴巴-浙江大学前沿技术联合研究中心（AZFT）年会在杭州举行。年会上，浙江大学信息与电子工程学院副院长史治国教授以《LoRa广域低功耗定位技术探索》为主题展开分享。小编对分享内容进行了整理，做了不改变原意的删减、编辑，现在分享给大家。

　 低功耗广域物联网市场需求潜力巨大

在1999年，曾有一个对物联网概念的解释：物联网是把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。20余年后的今天，日常生活中能够实现联网的设备数量和种类越来越多，智能家居、交通监控、农业、物流等各领域均可成为物联网应用的实践场景，物联网解决方案与技术不可避免地变得更加复杂与动态，这就需要一种覆盖广、成本低、部署简单、支持大连接的物联网生态出现，低功耗广域物联网（LoRa）应运而生。

多年来，我们在浙江大学-阿里巴巴联合实验室的主要工作就是利用具备地理定位功能的LoRa技术打造“室外厂区高精度定位”方面的应用设备。

目前，市场对室外厂区高精度定位存在广泛需求，大多数厂区在安防、作业过程管理、人员定位、室内外货物定位等方面暂时还未找到行之有效的低功耗、低成本的定位技术。以众所周知的定位系统和应用为例，Wi-Fi定位、UWB定位等更适用于室内场景，且对定位锚点的放置位置也有严格要求。又如GPS定位，虽然也是一项性能完善且适用于室外的定位系统，但由于使用过程中所需功耗太大，无法大规模、普遍化应用在工厂等场景中。

经过一系列调研后，我们发现，在复杂环境的厂区中实现高精度定位确实存在一定的技术困难，于是开始仔细思考，是否可以用正在研究的LoRa技术来解决这一难题？LoRa是一项长距离、低功耗的无线射频通信技术，除了通信功能之外，还具备定位功能，相较于其他定位技术，LoRa定位技术只需标签节点与锚点通信就可得到地理位置数据，具备低功耗的显著特点。

　　 Kora Mesh实现了定位和数据传输的无死角广域覆盖

根据我们最初的设想，每个厂区根据自身条件和业务需求都可以做一份单独的解决方案，整个应用流程不需要特定的电源供电，定位锚点、定位标签可随意放置即可实现高精度定位目的。

然而，随着实验的深入，我们发现LoRa技术在实际使用中容易出现信号传输覆盖不完善的问题。比如，当把定位锚点放在机器底部、地下室、屏蔽室等位置下时就会影响信号传输。这个时候就需要LoRa Mesh网络支持，即“无线网格网络”，它是解决“最后1公里”问题的关键技术之一，可以让任意两个设备保持无线互联。

在LoRa Mesh网络支持下，我们在两公里范围内的厂区里按照厂区业务需求放置LoRa定位锚点，再通过Mesh网络的组网形式，管理者从云端对定位锚点发出指令，就可以收集并查看所处场景下的节点信息。

此外，LoRa Mesh组网协议是一种开放标准，可以实现根据定位节点任务变化而动态调节网络的场景，于是，我们在按需平面距离向量路由协议（AODV）的基础上改进了设计路由和组网方案。

我们曾经在浙江大学玉泉校区进行过一组实验，首先，我们通过对“最大化RSSI的路由选择”、“最小化RSSI的路由选择”、“多变量协同考虑的路由选择”3种实验参数进行测试。对比实验数据发现，在放置4个定位标签需要被测距并通信的实验中，“多变量协同考虑的路由选择”方案比“最大化RSSI的路由选择”方案花费的数据传输数据减少3.7秒，比“最小化RSSI的路由选择”方案包达到率提高13%，“多变量协同考虑的路由选择”优势明显。

“多变量协同考虑的路由选择”是一种启发式算法寻找最佳路由的方案，它可以兼顾网络的节点负载、包到达率和数据传输时间等多种因素，同时所处节点也可以选择吸引力最强的节点申请加入网络，每当网络变动时，即可更新吸引力并重新选择路由。

　 LoRa定位+Mesh组网传输数据解决方案四大优势

基于此，我们依靠LoRa单个芯片的通信和定位的能力，配合Lora Mesh的自组网能力，做出了一套可解决“厂区高精度定位”的整体方案。这个解决方案有诸多好处：

第一，方便部署。在放置定位锚点时，管理者只需配一个太阳能模块即可实现功能正常运作。此外，它还可以利用Mesh网络高效传输，不受部署地点的网络和供电条件限制。

第二，覆盖范围广。LoRa信号理论传输距离可达5-15千米，同时管理者可以在厂区多个位置放置锚点，通过多锚点组网协同定位操作，实现无死角信号覆盖目的。

第三，精度高。我们经过多次测试获知，单个锚点测距误差<0.1米，系统定位平均误差<2米，在厂区内部署多组LoRa定位锚点就可以获得高精度定位能力。在之后的研究中，我们将结合锚点负载和标签-锚点间通信质量，为标签选择合适的定位锚点，通过多锚点协同排除非直射径的测距信息，降低多径传播导致的定位误差。

第四，能耗低、成本低。LoRa定位锚点主要由主控芯片、LoRa专用芯片、射频功放、天线和外围电路组成。我们通过多次实验发现，定位标签80秒仅耗能0.254mAh，是Wi-Fi/GPS同样条件下能耗的1/3；此外，定位锚点物料成本低于50元，定位标签物料成本也低于30元，比其他定位设备物料成本更为低廉。

接下来，浙江大学-阿里巴巴联合实验室将持续优化“室外厂区高精度定位”的研究方案。我们预想，在最优定位锚点放置、路由发包优化、提升定位精度、扩展到三维空间等方面仍有较大优化空间。例如，在LoRa组网-定位系统中，由于频带资源受限，如果不对发包进行合理调度，很容易导致堵塞的现象。我们在进行基于SX1280芯片内置的信道检测功能，从节点的发包规则和主从节点协同进行发包优化的研究。