2024-03-22碼農

物聯網協定深度解析：深入理解LoRaWAN和Sigfox

物聯網（IoT）正在改變我們的工作和生活方式，成為支撐智慧城市、智慧工業和智慧家居等現實場景的基石。在這個數據和裝置極速增長的時代，數據傳輸協定以其獨特的方式保障了裝置間的通訊效率和安全。在眾多協定中，LoRaWAN和Sigfox因為它們低功耗、長距離通訊的特性而廣受關註。今天，我將深入探討這兩個協定的技術細節和套用場景，幫助你更好地理解這兩種物聯網協定的深層次特性。

LoRaWAN 協定

概述

LoRaWAN是一種低功耗廣域網路（LPWAN）技術，基於LoRa（Long Range）調變技術。它提供的主要優點是長距離通訊（可達數公裏）和低電量消耗，這使得它在無需高頻數據傳輸的套用（例如傳感器網路）中異常適用。

技術架構

LoRaWAN遵守ISO/OSI模型，定義了實體層、MAC（媒體存取控制）子層等。在它的三層架構中，分別有終端節點、閘道器和網路伺服器。終端節點是負責收集數據的裝置，如傳感器；閘道器負責將節點數據轉發到網路伺服器；網路伺服器則處理後續的數據管理及與套用伺服器的通訊。

在這裏，一個關鍵點是LoRaWAN的星狀拓撲設計，即使得一個閘道器可以處理數以萬計的終端節點。

關鍵特性

• 頻率選擇 ：根據不同地區的規定，LoRaWAN在不同的頻率下工作；例如在歐洲是868MHz，美國則是915MHz。

• 訊號強度與傳輸速率 ：LoRaWAN的訊號強度可以最佳化傳輸距離和速率，但通常是一個速率越高，傳輸距離越短的關系。

數據傳輸

LoRaWAN支持三種通訊型別：單播、組播和廣播。這三種通訊方式透過不同的數據傳輸策略（確認/非確認數據訊息）來處理不同程度的可靠性需求。

以下是一個LoRaWAN數據傳輸的程式碼範例：

// 虛擬碼表示LoRaWAN數據傳輸過程 voidsend_data() { lorawan_packet_t packet; // 配置封包內容 packet.port = 1; packet.payload = "Hello, LoRaWAN!"; // 發送封包（非確認訊息，簡單起見） if (lorawan_send(&packet) != LORAWAN_SUCCESS) { // 發送失敗的處理 handle_send_error(); }}

安全性

安全機制是LoRaWAN的一個強有力的特點，每個節點都透過金鑰來保障資訊的機密性與完整性，通常有兩種金鑰：網路金鑰（NwkSKey）和套用金鑰（AppSKey）。

Sigfox 協定

概述

Sigfox是另一種LPWAN技術，專註於提供小數據量的最基礎通訊。與LoRaWAN相比，Sigfox提供了一種更為簡化的方式來進行裝置間的通訊，降低了裝置的成本和復雜性。

技術架構

Sigfox的網路結構與LoRaWAN類似，包括終端裝置、基站和核心網路。但與LoRaWAN網路伺服器需要處理大量數據不同，Sigfox將數據直接發送到雲端，簡化了數據處理流程。

關鍵特性

• 雙向通訊 ：不過是數量有限，為了保持低功耗設計；

• 極簡主義設計 ：Sigfox協定的設計十分精簡，目的是為了最小化裝置的功耗；

• 統一頻段 ：Sigfox在全球範圍內使用同樣的無線電頻段（868MHz或者902MHz）。

數據傳輸

Sigfox協定限定單個訊息的最大大小為12字節，這意味著只適合於非常小的數據負載，比如傳感器狀態。

下面是一個Sigfox數據傳輸的程式碼範例：

// 虛擬碼表示Sigfox數據傳輸過程 voidsigfox_send(uint8_t* data, uint8_t size) { if (size > 12) { // 數據過大錯誤處理 handle_too_large_data(); return; } // 傳輸數據 if (!sigfox_module_send(data, size)) { // 傳輸錯誤處理 handle_transfer_error(); } }