LoRa 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

資文彬 董楚楚 曹 康

1(桂林電子科技大學(xué) 計算機與信息安全學(xué)院 桂林 541004)

2(中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 深圳 518055)

1 引 言

物聯(lián)網(wǎng)時代將會有海量的物體接入到網(wǎng)絡(luò)中[1]。在傳統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊中，所用到的接入技術(shù)主要有 WiFi、藍(lán)牙、ZigBee 和2G/3G/4G 等技術(shù)。但是，基于這些技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊都有一些缺點導(dǎo)致其并不適合應(yīng)用于大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景[2,3]。如基于 WiFi、藍(lán)牙和 ZigBee 等技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，其抗干擾能力差、傳輸距離近、功耗高等；基于2G/3G/4G 等技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，其容量小、模塊成本非常高等。事實上，在物聯(lián)網(wǎng)時代，主要是物與物之間的通信，它和人與人的通信追求高速率高帶寬、通信設(shè)備需要頻繁充電的方式不一樣，其特點是[4]：大量設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)后僅需少量數(shù)據(jù)傳輸或數(shù)據(jù)傳輸頻率很低；很多設(shè)備因其所處環(huán)境的特殊性和數(shù)量巨大，要求設(shè)備功耗低。在這種情況下，低功耗廣域網(wǎng)(Low Power Wide Area Network，LPWAN)技術(shù)應(yīng)運而生，它能夠解決物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中低功耗、低成本、廣覆蓋、大容量等方面的關(guān)鍵問題。因此，LPWAN 技術(shù)勢必會在物聯(lián)網(wǎng)市場中具有廣闊的發(fā)展空間。其中，LoRa 是 SemTech 公司在2013年8月推出的一種 LPWAN 技術(shù)[5]，由于它在物聯(lián)網(wǎng)市場中的良好表現(xiàn)而備受關(guān)注，成為目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究熱點。LoRa 技術(shù)基于線性Chirp 擴頻調(diào)制，具有高時間帶寬積和寬頻帶，主要有以下 4個優(yōu)點[6-8]：(1)極大地改善了接收靈敏度，降低了功耗；(2)抗干擾與抗多徑衰落能力強；(3)基于該技術(shù)的網(wǎng)關(guān)支持多信道多數(shù)據(jù)速率的并行處理，系統(tǒng)容量大；(4)基于終端和網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)可以支持測距和定位。這些關(guān)鍵特征使得 LoRa 技術(shù)非常適用于要求功耗低、距離遠(yuǎn)、大量連接以及定位跟蹤等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，如智能抄表、智能停車、車輛追蹤、寵物跟蹤、智慧農(nóng)業(yè)、智慧工業(yè)、智慧城市、智慧社區(qū)等領(lǐng)域應(yīng)用。LoRa 技術(shù)與其他無線技術(shù)的特點對比如表 1所示。

現(xiàn)有研究 LoRa 技術(shù)的文獻(xiàn)[6-14]僅從發(fā)射功率、接收靈敏度方面考慮了 LoRa 模塊的性能，但忽略了功耗、天線、頻偏等因素對模塊性能的影響，因此模塊性能沒有達(dá)到理想效果。本文設(shè)計了一種基于 LoRa 技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過該模塊可以將各種各樣的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入到物聯(lián)網(wǎng)中，從發(fā)射功率、接收靈敏度、天線、頻偏等角度較為完整地分析了影響 LoRa 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊性能的要素并給出了詳細(xì)的測試方案。實測結(jié)果表明，與現(xiàn)有 LoRa 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊相比，該模塊具有功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性高等的優(yōu)點，能夠為 LoRa 技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用提供更有效的解決方案。

2 硬件設(shè)計

LoRa 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊硬件主要由STM8L151、SX1276、電池模塊、自研天線、ST-LINK、UART 和 I2C 等模塊組成。其與儀器儀表、傳感器等設(shè)備的連接結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

表1 幾種無線技術(shù)比較Table 1Comparison of several characteristics of wireless technology

LoRa 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)主控芯片STM8L151C8是 ST 意法半導(dǎo)體公司推出的基于STM8內(nèi)核的超低功耗 8位微控制器，采用哈佛體系結(jié)構(gòu)和三級流水線結(jié)構(gòu)，最高 16MHz 工作頻率，內(nèi)置 64kB 大容量閃存、2kB 的 E2PROM以及 4kB 高速 RAM，能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)在性能上和存儲空間上的應(yīng)用要求，同時支持等待、低功耗運行、低功耗等待、活躍停機與停機 5種低功耗工作模式，方便低功耗設(shè)計[15]。硬件設(shè)計中，SX1276射頻模塊中的 SX1276收發(fā)器主要采用 LoRaTM遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器，使用 FEC 前向糾錯編碼，具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)以及可靠性高、信號抗干擾性強和穿透性強、數(shù)據(jù)接收和發(fā)送穩(wěn)定等特點[16]。LoRa 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊一般使用電池供電，本模塊使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電池ER14505M 鋰亞電池供電。鑒于 LoRa 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊安裝時物理空間受限，使用實驗室自主研發(fā)的彈簧天線。此外，模塊提供 UART、I2C兩種常用通信接口，用戶選擇時更靈活。

LoRa 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊主要完成儀器儀表、傳感器等設(shè)備數(shù)據(jù)的采集，上報任務(wù)以及接收下發(fā)的指令，從而對儀器儀表、傳感器等設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制。

圖1 LoRa 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1Schematic diagram of the structure of LoRa wireless data transmission module

3 軟件設(shè)計

LoRa 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的軟件在 Contiki 操作系統(tǒng)上運行。其中，Contiki 是一個針對硬件資源受限嵌入式平臺的輕量級的、開源的、易于移植的多任務(wù)操作系統(tǒng)，運行時占用的內(nèi)存空間不到 2kB[17]。它引入了很多新的特性，包括動態(tài)鏈接與裝載，Coffee 文件系統(tǒng)，Rime/Chameleon通信協(xié)議棧以及對多線程的支持等[18]。Contiki系統(tǒng)運行原理示意圖如圖2所示，該操作系統(tǒng)以事件驅(qū)動機制為核心，確保了多任務(wù)在其上并發(fā)執(zhí)行。

如圖2所示，Contiki 系統(tǒng)啟動后，系統(tǒng)首先調(diào)用 clock_init()函數(shù)初始化系統(tǒng)時鐘，使用 process_init()完成進(jìn)程初始化。然后，調(diào)用process_start(&etimer_process,null)啟動系統(tǒng)進(jìn)程，使用 autostart_start(autostart_processes)函數(shù)開啟用戶進(jìn)程。其中，autostart_processes 是一種 process 類型的結(jié)構(gòu)體指針數(shù)組，用來存放用戶自定義進(jìn)程模塊。在本系統(tǒng)中，autostart_processes 存放了 radio_process 進(jìn)程模塊，該進(jìn)程主要用于處理數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。最后，系統(tǒng)進(jìn)入到一個 while 無限循環(huán)中，并不斷地調(diào)用process_run()函數(shù)，查詢是否有高優(yōu)先級的進(jìn)程：如果有，則先轉(zhuǎn)去執(zhí)行高優(yōu)先級進(jìn)程再處理事件，若無則直接轉(zhuǎn)去處理新到達(dá)的事件。

圖2 Contiki 系統(tǒng)運行原理示意圖Fig.2Schematic diagram of Contiki system operation principle

4 模塊測試與分析

為充分評估 LoRa 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的性能，全面地測試了模塊的關(guān)鍵參數(shù)，包括靜態(tài)功耗、天線性能、頻偏與發(fā)射功率、接收靈敏度、通信距離、傳輸可靠性和工作溫度范圍。測試對象為 2個 LoRa 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。其中，一個模塊設(shè)置為發(fā)射模式，記為模塊 S；另外一個模塊設(shè)置為接收模式，記為模塊 R。測試時，模塊并未連接儀器儀表或傳感器，此時設(shè)置模塊 S 與模塊 R 的發(fā)射功率為 20dBm，射頻中心頻率為 433MHz。開啟 LoRa 模式時，設(shè)置模塊 S 與模塊 R 的編碼率(Coding Rate，CR)為4/5，帶寬(Bandwidth，BW)為 125kHz，擴頻因子(Spreading Factor，SF)為 12。開啟 FSK 模式時，設(shè)置模塊 S 與模塊 R 的頻偏為 0，數(shù)據(jù)率為1.2kbit/s，帶寬(BW)為 50kHz。在測試中，默認(rèn)開啟 LoRa 模式，模塊 S 發(fā)送完數(shù)據(jù)后即進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，休眠 10s 后自動喚醒繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，模塊 S 重復(fù)此過程；模塊 R 則一直處活躍接收狀態(tài)，接收到數(shù)據(jù)后輸出到 UART 串口。最后對測試結(jié)果進(jìn)行了分析論證，并給出了與現(xiàn)有LoRa 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊在關(guān)鍵性能上的對比。對比結(jié)果顯示，本文模塊性能優(yōu)于現(xiàn)有方案。

4.1 靜態(tài)功耗測試

靜態(tài)功耗是評價 LoRa 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的一個重要指標(biāo)，它直接影響電池的使用壽命。本文設(shè)計了如圖3所示的測試電路對模塊 S 的靜態(tài)功耗進(jìn)行測試。測試時，首先使用容量為 3.6V/2200mAh 的鋰亞電池給模塊 S 供電；然后，在電路中串聯(lián)一個多功能萬用表測試模塊S 發(fā)送數(shù)據(jù)后處于低功耗休眠狀態(tài)時的電流；最后，萬用測試結(jié)果表顯示模塊靜態(tài)電流為 1.6μA，結(jié)果如圖4所示。測試結(jié)果比 LoRa 模塊靜態(tài)電流 3.6V/2.5μA 的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)[13]降低了 0.9μA，符合實際應(yīng)用要求。

圖3 靜態(tài)功耗測試電路Fig.3Static power test circuit

圖4 靜態(tài)功耗測試結(jié)果Fig.4Test result of static power

4.2 天線性能測試

天線是遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的一個非常重要的部件，因此對天線的配置要求較高。普通天線的性能難以滿足實際需求，且針對不同的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、不同的應(yīng)用，由于需要不同的匹配電路，天線要求也不同，故需要設(shè)計一款高性能的天線。通過大量反復(fù)的調(diào)試，我們自主研發(fā)了一款適合本研究 LoRa 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的彈簧天線。用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對安裝在模塊 S 的自研彈簧天線進(jìn)行測試，實測其性能如圖5所示。該天線中心頻率為 433MHz，功率信號衰減標(biāo)識 S11系數(shù)為－12dB，小于－10dB 的標(biāo)準(zhǔn)。天線性能測試結(jié)果表明，信號反射功率僅為6%，94% 的能量都被發(fā)射到空中，從而極大地增加了信號的傳輸距離，能夠很好地滿足應(yīng)用需求。

圖5 天線性能圖Fig.5Antenna performance diagram

4.3 頻率偏移與發(fā)射功率測試

LoRaTM是擴頻調(diào)制模式，故在 FSK 模式下測試頻偏與發(fā)射功率更接近實際值。用頻譜分析儀測試模塊 S 的頻偏與發(fā)射功率時，模塊S 開啟 FSK 模式，設(shè)置頻譜分析儀的掃頻寬度(SPAN)為 5MHz，分析帶寬(RBW)為 47kHz，顯示帶寬(VBW)為 470kHz，并設(shè)置為跟蹤功率最大值。實測模塊 S 的頻偏與發(fā)射功率如圖6所示，射頻中心頻點為 433.003MHz，故頻偏為3kHz。在誤差范圍 1～5kHz 內(nèi)，發(fā)射功率為20.044dBm，接近理論值 20dBm，頻偏和功率性能都比較好。

圖6 頻偏與功率測試結(jié)果Fig.6Frequency offset and power test results

4.4 接收靈敏度測試

測試時，用模塊 R 連接信號發(fā)生器，并選擇使用與模塊 R 的參數(shù)設(shè)置保持一致的 LoRa波形輸出文件。設(shè)置信號發(fā)生器的輸出波形頻率為 433MHz，Level 值為－136.9dBm，信號發(fā)生器設(shè)置界面如圖7所示。用示波器測量模塊 R 的串口輸出引腳波形，跟蹤測試 10min，測試結(jié)果如圖8所示。測試全程波形正常穩(wěn)定，無丟包、無誤碼，故模塊 R 的接收靈敏度小于－136.9dBm。Semtech 官方資料顯示，當(dāng)帶寬(BW)設(shè)置為 125kHz、編碼率(CR)設(shè)置為 4/5、擴頻因子(SF)設(shè)置為 6～12時，接收機靈敏度典型值如圖9所示。其中，紅色圈圈標(biāo)出當(dāng)擴頻因子為 12時，接收機靈敏度典型值為－137dBm。通過以上分析，在與原廠 LoRa 模塊參數(shù)配置相同的情況下，實測模塊 R 接收靈敏度為－136.9dBm，與原廠提供的靈敏度典型值非常接近，符合 LoRa 模塊對接收靈敏度的設(shè)計要求。

圖7 信號發(fā)生器設(shè)置界面Fig.7Signal generator setting interface

圖8 串口輸出波形圖Fig.8Serial output waveform diagram

圖9 接收機靈敏度幾種典型值Fig.9Several typical values of receiver sensitivity

4.5 通信距離測試

LoRa 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的傳輸距離對其在物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中有著十分重要的意義。本文選擇在廣東虎門大橋附近的水域?qū)δK通信距離進(jìn)行點對點的外場測試。如圖10所示，在 A、B、C、D 四個地點進(jìn)行點對點收發(fā)測試。其中，模塊 S 置于 A 地離地面約 2m 的位置，模塊 R 先后置于 B、C、D 地離地面同樣高度的位置，實測A 和 B 相距 2.9km，通信成功率為 100%，信號強度(RSSI)為－56dBm；A 與 C 相距 3.7km，通信成功率為 100%，信號強度為－81dBm；A 與D 相距 4.9km，通信成功率為 98%，信號強度為－92dBm。測試結(jié)果表明，LoRa 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的通信距離能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需求[19]。

4.6 傳輸可靠性測試

圖10 LoRa 通信距離測試圖Fig.10LoRa communication distance test chart

圖11 接收模塊位置分布示意圖Fig.11The position distribution chart of the receiving module

測試地點為深圳南山崇文花園小區(qū)，該小區(qū)房屋密集且樓層普遍在 30層以上，符合實際應(yīng)用場景。測試時，模塊 S 置于中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院 C 棟 3樓陽臺離地面約 1m 的位置，模塊 R 通過串口與平板電腦連接，并通過平板電腦上的串口調(diào)試助手打印接收到的數(shù)據(jù)。手持平板電腦先后到達(dá)測試點 1～10位置進(jìn)行收發(fā)測試，測試點位置分布如圖11所示。實測測試點 1～10距離模塊 S 的距離分別為 287m、294m、398m、454m、504m、540m、483m、554m、560m 和 471m。測試時，模塊 R 每次在一個測試點接收 100組數(shù)據(jù)，共測試 10次，用串口調(diào)試助手統(tǒng)計接收結(jié)果。根據(jù)測試結(jié)果，發(fā)送模塊在以上各個測試點的發(fā)送數(shù)據(jù)平均成功率依次為 100%、100%、100%、100%、100%、100%、100%、99.8%、99.8% 和 100%。實驗結(jié)果表明，模塊信號穿透力強、傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性高。

4.7 高低溫測試

測試時，將模塊 S 放置在高低溫交變試驗箱內(nèi)部離地面約 1m 的位置上，模塊 R 通過串口與平板電腦連接，并通過平板電腦上的串口調(diào)試助手打印接收到的數(shù)據(jù)。其中，平板電腦放置在離高低溫交變試驗箱約 1m 的桌上(距地高度約 1m)。根據(jù)LoRa 芯片 SX1276的參考手冊，其工作溫度范圍為－40～85℃，據(jù)此選取 5個具有代表性的溫度值并設(shè)置試驗箱參數(shù)，然后啟動高低溫交變箱對 LoRa 模塊 S 進(jìn)行測試。通過串口調(diào)試助手記錄測試結(jié)果，具體結(jié)果如表 2所示。表 2結(jié)果表明，LoRa 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊能在理論標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍內(nèi)正常收發(fā)數(shù)據(jù)，符合設(shè)計要求。

表2 高低溫測試結(jié)果Table 2High and low temperature test results

4.8 結(jié)果分析

測試結(jié)果中，模塊的頻偏、發(fā)射功率、接收靈敏度和工作溫度與官方的理論值一致，在休眠功耗、數(shù)據(jù)傳輸距離和可靠性方面與現(xiàn)有的基于LoRa 技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊相比都有改進(jìn)，達(dá)到了預(yù)期的效果。從現(xiàn)有的基于 LoRa 技術(shù)的無線模塊中選取幾種做比較，性能對比結(jié)果如表 3所示。本文方案與趙太飛等[12]、羅貴英[13]和 Bor 等[14]方案相比，在靜態(tài)電流、數(shù)據(jù)傳輸距離和丟包率上均有明顯的改善。其中，本文方案與羅貴英[13]方案在靜態(tài)電流和數(shù)據(jù)傳輸距離比較接近，但平均丟包率較后者更低；本文方案與 Bor 等[14]方案在通信距離與丟包率上大體一致，但靜態(tài)電流更低。

表3 幾種 LoRa 無線傳輸模塊性能比較Table 3Performance comparison of several LoRa wireless transmission modules

本文在設(shè)計硬件上采用 STM8L151、SX1276超低功耗芯片，軟件上通過配置主芯片STM8L151的 GPIO 引腳工作方式、裁剪不必要的功能，同時，讓主芯片進(jìn)入 halt 模式、射頻芯片進(jìn)入 sleep 模式，有效地降低了模塊的功耗。通過反復(fù)地調(diào)試、不斷地測試，設(shè)計了一款高性能天線，增加了模塊的通信距離。其中，模塊采用性能較好的溫補晶振，頻率漂移小、誤差低，降低了模塊的頻偏。在射頻輸出電路上增加了功放部分，從而提高了發(fā)射功率，增大了模塊的傳輸距離。通過不斷調(diào)節(jié)射頻接收電路上電容、電感、電阻匹配值，找到了較好的匹配方案，提高了模塊的接收靈敏度。此外，PCB 板材采用FR-4材料，增強了模塊的耐寒與耐高溫性能，提高了電路的穩(wěn)定性。本文在硬件與軟件各個環(huán)節(jié)上，綜合全面地考慮了影響模塊性能的要素并找到了有效的解決方案，與現(xiàn)有 LoRa 模塊相比，提高了模塊的性能，不足之處是模塊成本偏高。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于 LoRa 技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用市場提供了一種可靠、高效的解決方案。采用 STM8L151作為主控芯片，SX1276作為射頻芯片，降低了系統(tǒng)的功耗，提高了信號的傳輸距離，增強了系統(tǒng)的抗干擾能力，提升了系統(tǒng)的可靠性，具有良好的開發(fā)性和使用價值，應(yīng)用前景較好。但與基于 LoRa技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊售價 5美元的標(biāo)準(zhǔn)相比，在價格上有一定的劣勢。在未來的工作中，我們將在確保模塊良好性能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低模塊的成本。

參 考 文 獻(xiàn)

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