基于LoRa的廣域無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計

楊貴新 張燕芬 吳新

摘要：基于LoRa無線傳輸技術(shù)，設(shè)計了一套由終端、基站設(shè)備和云服務(wù)器組成的傳輸系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計思路和系統(tǒng)中LoRa終端設(shè)備、基站設(shè)備以及云服務(wù)器的具體設(shè)計及實現(xiàn)，通過搭建試驗驗證系統(tǒng)，對LoRa的無線通信性能進(jìn)行測試試驗，證明了LoRa無線通信遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膬?yōu)勢。該系統(tǒng)充分發(fā)揮了LoRa技術(shù)在遠(yuǎn)距離、低功耗及大規(guī)模組網(wǎng)等方面的突出優(yōu)點，對未來物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計、開發(fā)和部署具有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；無線傳輸；系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2020）10-56-4

0引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，無線傳輸技術(shù)也在不斷發(fā)展，但是一直以來都難以解決遠(yuǎn)距離和低功耗之間的矛盾問題[1]。低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network，LPWAN）技術(shù)產(chǎn)生之后，一定程度上解決了此問題，最大程度地實現(xiàn)更長距離的通信與更低功耗，同時還可節(jié)省額外的中繼器成本[2]。

LoRa是LPWAN中較為成熟的技術(shù)，具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、功耗低及穿透性強的特點[3]。該技術(shù)利用了先進(jìn)的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)和編解碼方案，增加了鏈路預(yù)算，具有更好的抗干擾性能[4]。2015年Semtech公司帶頭成立了非盈利的開放組織，稱為LoRa聯(lián)盟。該聯(lián)盟提出的LoRaWAN技術(shù)，可應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)，目前多應(yīng)用于智慧城市和智慧工業(yè)等領(lǐng)域[5]。設(shè)計采用了LoRa遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)技術(shù)，適合于長距離、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)基于LoRa技術(shù)實現(xiàn)廣域無線傳輸，采用了標(biāo)準(zhǔn)的LoRaWAN通信協(xié)議。相比于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)是一個典型的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，消除了同步開銷和多跳，具有結(jié)構(gòu)簡單和低功率等特點[6]。

系統(tǒng)主要由LoRa終端設(shè)備、LoRa基站設(shè)備、交換網(wǎng)絡(luò)以及云服務(wù)器構(gòu)成。其中終端設(shè)備主要完成傳感數(shù)據(jù)采集、設(shè)備管理以及LoRa數(shù)據(jù)通信等功能；基站設(shè)備主要完成多通道LoRa數(shù)據(jù)收發(fā)處理和網(wǎng)關(guān)功能；服務(wù)器主要完成用戶注冊、設(shè)備管理、通信協(xié)議解析、網(wǎng)絡(luò)管理以及信息采集的呈現(xiàn)等功能，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 LoRa終端設(shè)備硬件設(shè)計

終端設(shè)備硬件功能單元由CPU處理單元、LoRa通信單元、傳感器采集單元、藍(lán)牙通信單元、電源管理單元、按鍵與指示燈單元及SWD調(diào)試單元等組成，功能框架如圖2所示。

2.1.1 CPU處理單元

CPU處理單元采用Nordic公司的nRF52832實現(xiàn)，主要完成藍(lán)牙數(shù)據(jù)采集和協(xié)議棧的處理功能，它是一款功能強大、高度靈活的超低功耗多協(xié)議的CPU模塊，帶有浮點運算單元的ARM Cortex-M4 32位處理器，工作頻率64 MHz，F(xiàn)lash 512 KB，RAM 64KB，在低功耗模式下的靈敏度為-96 dBm，可以支持多種協(xié)議，包括BLE藍(lán)牙低功耗和2.4 GHz專有協(xié)議，并在運行時自動切換。

2.1.2 LoRa通信單元

LoRa通信單元主要采用Semtech公司的SX1278射頻芯片實現(xiàn)LoRa數(shù)據(jù)的傳輸，該芯片用于超長距離擴(kuò)頻通信，抗干擾性強，能夠最大限度降低電流消耗。相較傳統(tǒng)調(diào)制技術(shù)，LoRa調(diào)制技術(shù)在抗阻塞和選擇性方面也具有明顯優(yōu)勢，解決了傳統(tǒng)設(shè)計方案無法同時兼顧距離、抗干擾和低功耗的問題。

2.2 LoRa基站設(shè)備硬件設(shè)計

LoRa基站設(shè)備主要完成多通道LoRa數(shù)據(jù)收發(fā)處理和網(wǎng)關(guān)功能，將終端設(shè)備上報的數(shù)據(jù)通過基站設(shè)備上報給服務(wù)器，完成無線LoRa數(shù)據(jù)格式到以太網(wǎng)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換功能。該設(shè)備主要包括ARM數(shù)據(jù)處理單元、LoRa通信單元、以太網(wǎng)通信單元、GPS+北斗衛(wèi)星定位單元、RS485外設(shè)接口單元、Flash數(shù)據(jù)存儲單元和POE電源管理單元。

2.2.1 ARM數(shù)據(jù)處理單元

ARM數(shù)據(jù)處理單元采用ARM9344實現(xiàn)，該CPU能夠面對各種處理能力的應(yīng)用，能夠適應(yīng)-40～85℃的寬溫，可以安裝部署在各種嚴(yán)苛的室外工作環(huán)境，并且提供可插拔帶隔離標(biāo)準(zhǔn)POE模塊接口和PCIE模塊接口。核心處理器為MIPS 74Kc，最高主頻為560 MHz，內(nèi)置單元包括64 BK指令Cache，32 KB數(shù)據(jù)Cache，單周期乘法加速，兼容MIPS32和MIPS16指令集，尋址方式大小端均支持。

2.2.2 LoRa通信單元設(shè)計

LoRa通信單元基于SX1301芯片組和2片SX1255實現(xiàn)，RF前端設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)的MiniPCIe。該模組可用于任何嵌入式平臺，提供具有USB/SPI連接的mPCIe插槽，能夠為模組提供足夠的電源供電與數(shù)據(jù)通信。每個模組支持8個可編程LoRa并行解調(diào)通道，允許同時接收多達(dá)8個LoRa調(diào)制數(shù)據(jù)包。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括LoRa終端軟件、LoRa基站軟件和服務(wù)器平臺軟件三部分，總體軟件設(shè)計如圖3所示。

3.1 LoRa終端設(shè)備軟件設(shè)計

終端設(shè)備通過九軸傳感器采集人體活動時產(chǎn)生的三軸加速度及三軸磁場等信息，通過算法邏輯輸出當(dāng)前的活動姿態(tài)；通過氣壓傳感器采集到當(dāng)前壓力數(shù)據(jù)；通過藍(lán)牙模塊收集人體的健康信息。CPU將所采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匯總處理后，通過LoRa通信模塊與基站進(jìn)行通信，并與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕换スδ埽浖髁鞒倘鐖D4所示。

3.2 LoRa基站設(shè)備軟件設(shè)計

LoRa基站設(shè)備軟件采用分層設(shè)計，通過LoRa基站設(shè)備完成終端數(shù)據(jù)匯總、終端數(shù)據(jù)交換及不同終端數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)等功能。整個軟件分為硬件驅(qū)動層、硬件抽象層、功能模塊層和應(yīng)用層，軟件總體架構(gòu)如圖5所示。

3.3服務(wù)器平臺軟件設(shè)計

服務(wù)器平臺軟件主要包括用戶管理模塊、傳輸服務(wù)模塊、設(shè)備管理模塊及狀態(tài)呈現(xiàn)模塊等。

（1）用戶管理模塊

通過用戶管理模塊，用戶可以進(jìn)行注冊，在數(shù)據(jù)庫中建立個人信息的字段，實現(xiàn)對網(wǎng)站服務(wù)的接入與使用。用戶登錄模塊對用戶信息進(jìn)行驗證，只有驗證通過的用戶才能夠使用系統(tǒng)的服務(wù)。用戶可以通過個人資料管理模塊查看個人資料，并且能夠進(jìn)行個人資料的修改。

（2）傳輸服務(wù)模塊

負(fù)責(zé)完成云服務(wù)器與多個基站設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信功能，基站與云服務(wù)器之間的協(xié)議定義了JSON，GWMP，UDP，IP四層，底下的2層協(xié)議屬于IP協(xié)議棧，而GWMP，JSON融入LoRaWAN的特點。

（3）設(shè)備管理模塊

LoRa終端設(shè)備和基站設(shè)備需要在云服務(wù)器進(jìn)行注冊后使用。云服務(wù)器端提供設(shè)備檢索功能，通過設(shè)定字段檢索條件和查詢結(jié)果顯示順序，返回相應(yīng)的查詢結(jié)果，并支持將查詢結(jié)果導(dǎo)出為Excel文件。云服務(wù)器端同時提供設(shè)備管理功能，可以查看設(shè)備詳細(xì)信息，還可以進(jìn)行設(shè)備的添加和刪除功能。

（4）狀態(tài)呈現(xiàn)模塊

云服務(wù)器平臺將收集到的終端設(shè)備信息進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計處理和信息呈現(xiàn)，通過狀態(tài)呈現(xiàn)界面，可以清楚地了解到當(dāng)前入網(wǎng)的終端設(shè)備和基站設(shè)備的分布情況，以及每個設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)信息。

4系統(tǒng)測試與分析

基于LoRa終端設(shè)備和基站設(shè)備搭建了系統(tǒng)演示環(huán)境，并對設(shè)備的功能和性能參數(shù)進(jìn)行測試。

4.1終端設(shè)備的功耗測試

對于無線通信設(shè)備，功耗是極為重要的指標(biāo)，在終端設(shè)備的設(shè)計上采用了低功耗設(shè)計，對終端設(shè)備的功耗進(jìn)行了測試，終端的工作模式與功耗的關(guān)系如表1所示。

通過測試結(jié)果可以看到，終端設(shè)備在低功耗模式下功耗為1.3μA，設(shè)備處于數(shù)據(jù)發(fā)送模式時達(dá)到最大功耗86.5 mA，設(shè)備處于數(shù)據(jù)接收模式時功耗又降為12.5 mA。所以在終端設(shè)計時會實時監(jiān)測設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)，盡可能讓設(shè)備工作在低功耗模式。

4.2 LoRa無線網(wǎng)絡(luò)通信距離測試

將基站設(shè)備架設(shè)在海拔比較高的位置，選擇沒有太多遮擋的城市環(huán)境中，通過改變終端設(shè)備的位置，對LoRa無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信距離的測試。

終端與基站設(shè)備進(jìn)行通信距離測試時，設(shè)置LoRa通信的參數(shù)：通信頻率為470～510 MHz，發(fā)射功率為18 dBm，測試結(jié)果如表2所示。

由測試結(jié)果可知，在通信距離大約4 km的范圍內(nèi)，LoRa無線通信的信號強度沒有明顯的衰減，丟包率也不太高，傳輸速率有所下降，但是不影響其正常通信，有效證明了LoRa無線通信遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膬?yōu)勢。

5結(jié)束語

根據(jù)當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)在傳輸距離和傳輸功耗上不可兼得的問題，提出了基于LoRa實現(xiàn)廣域無線傳輸系統(tǒng)的解決方案，設(shè)計了基于LoRa的終端和基站設(shè)備，并搭建了系統(tǒng)演示環(huán)境，對相關(guān)設(shè)備的功耗和通信性能進(jìn)行了測試，通過測試結(jié)果可以看到，與傳統(tǒng)無線通信方式相比，LoRa具有功耗低和傳輸距離長的優(yōu)點，更加適用于物聯(lián)網(wǎng)的部署[7]。該系統(tǒng)基于LoRa技術(shù)可以進(jìn)行靈活地部署，并根據(jù)用戶提供不同的服務(wù)，相信LoRa技術(shù)將來能夠在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場中占據(jù)一席之地[8]。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭華開.LoRa技術(shù)給未來物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品帶來新的起點[J].電子世界，2016（15）：146.

[2] AUGUSTIN A ，YIJiazi， CLAUSEN T， et al.AStudyofLoRa： Long Range & Low Power Networks for The Internet of Things[J].Sensors，2016，16（9）：1466-1483.

[3] Semtech Corporation.Chirp Signal Processor：European， EP2975814A1[P].2016-01-20.

[4]姚曉海，張曉波.一種LoRa網(wǎng)關(guān)路由器及物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng).廣東， CN205829662U[P].2016-12-21.

[5] GEORGIOU O，RAZA U.Low Power Wide Area Network Analysis：Can LoRa.Scale？[J].IEEE Wireless Communications Letters， 2017，6（2）：162-165.

[6]侯義斌，王進(jìn).LoRaWAN技術(shù)研究[J].讀書文摘，2017（13）：38.

[7]孫曼，張乃謙，金立標(biāo)，等.基于LoRa標(biāo)準(zhǔn)的MAC層協(xié)議研究[J].電視技術(shù)， 2016，40（10）：77-81.

[8]劉琛，邵震，夏瑩瑩.低功耗廣域LoRa技術(shù)分析與應(yīng)用建議[J].電信技術(shù)，2016，50（5）：43-46，50.