一種基于LoRa的多層分布式LPWAN數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)

中國船舶重工集團公司第七一一研究所 張呈龍 莊浩然 張永安 楊文強

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發(fā)展階段。物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術(shù)與普適計算等通信感知技術(shù)，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的融合中，也因此被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中無線技術(shù)主要分為兩種，一種是近距離無線技術(shù)，比如：藍(lán)牙/WiFi/ZigBee。另外一種則是組成廣域網(wǎng)的技術(shù)如2G/3G/4G，各個技術(shù)優(yōu)缺點非常明顯，在LPWAN技術(shù)產(chǎn)生前，通常遠(yuǎn)距離和低功耗兩者只能取其一。LPWAN（low-power Wide-Area Network，低功耗廣域網(wǎng)）專為低帶寬、低功耗、遠(yuǎn)距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計的，是近年國際上一種革命性的物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)。LPWAN技術(shù)產(chǎn)生后，魚和熊掌的問題可謂得到平衡，除實現(xiàn)更長距離通信和超低功耗外，還可以節(jié)省額外的中繼器成本。

1 LoRa簡介

LoRa是LPWAN通信技術(shù)中極具代表性技術(shù)，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)，是Semtech射頻部分產(chǎn)生的一種獨特的調(diào)制格式。這種傳輸方案改變了以往關(guān)于傳輸距離與功耗的折衷考慮方式，提供一種簡單的能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進(jìn)而擴展傳感網(wǎng)絡(luò)。目前，LoRa主要在全球免費頻段運行，包括433、868、915 MHz等。LoRa與其他LPWAN技術(shù)的主要比較如下表1所示。

表1 幾種主流LPWAN主要技術(shù)參數(shù)對比

圖1 LoRa的典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

如圖1所示，基于LoRa的典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用主要由終端模塊、網(wǎng)關(guān)（或稱基站）模塊、云端服務(wù)器和上層應(yīng)用四部分組成，應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。終端和網(wǎng)關(guān)之間采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌捎贚oRa的長距離特性，它們之間得以使用單跳傳輸。網(wǎng)關(guān)對服務(wù)器和終端之間的LoRaWAN協(xié)議數(shù)據(jù)做轉(zhuǎn)發(fā)處理，將LoRaWAN數(shù)據(jù)分別承載在了LoRa射頻傳輸和Tcp/IP上。

2 系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)組成

借助LoRa通信具備的低帶寬、低功耗、遠(yuǎn)距離、多節(jié)點等特點，得以組建具備多層分布式結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集及無線傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)由終端模塊、中心模塊、網(wǎng)關(guān)模塊、云端服務(wù)器及應(yīng)用服務(wù)組成。

第一層為終端模塊，負(fù)責(zé)采集各種傳感器數(shù)據(jù)或執(zhí)行相關(guān)控制動作，并通過LoRa與中心模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)定點傳輸。第二層為中心模塊，主要具有三方面的作用：一為負(fù)責(zé)與本模塊路由管理下的終端模塊進(jìn)行LoRa廣播或單播傳輸，向終端模塊發(fā)送召測命令或動作指令；二為負(fù)責(zé)與其上層的網(wǎng)關(guān)模塊進(jìn)行LoRa數(shù)據(jù)透傳，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳或下發(fā)；三為中繼器作用，通過配置實現(xiàn)不同層的中心模塊間數(shù)據(jù)點對點透傳，以達(dá)到擴展系統(tǒng)通訊距離的目的。第三層為網(wǎng)關(guān)模塊，其負(fù)責(zé)對云服務(wù)器或應(yīng)用服務(wù)與下層之間的協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)處理，將數(shù)據(jù)分別承載在LoRaWAN和TCP/IP上；同時還兼具了系統(tǒng)內(nèi)LoRaWAN部分的信道分配、路由管理及數(shù)據(jù)存儲等功能。第四層為云端服務(wù)器及應(yīng)用服務(wù)，方便用戶在任意具備以太網(wǎng)接口的設(shè)備上對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測、處理、存儲及下發(fā)控制策略。系統(tǒng)的組成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

2.2 系統(tǒng)節(jié)點分配方式及容量

為實現(xiàn)系統(tǒng)組成及各層間的數(shù)據(jù)傳輸方式，需對系統(tǒng)通訊協(xié)議內(nèi)各層LoRa節(jié)點進(jìn)行合理的節(jié)點號（ID）及信道分配。

系統(tǒng)內(nèi)具備的數(shù)據(jù)傳輸方式有如下幾種：一種為終端模塊與中心模塊（WTM-unicast-WRM）或中心模塊與網(wǎng)關(guān)模塊（WRM-unicast-GWM）間的定點單播傳輸，另一種為中心模塊至終端模塊間的廣播監(jiān)聽（WRM-broadcast-WTM），如下圖3所示。

圖3 系統(tǒng)內(nèi)兩種數(shù)據(jù)傳輸方式

針對此，本系統(tǒng)采用了三層式節(jié)點ID分配方式，同時為了保證系統(tǒng)的節(jié)點容量最大化，模塊節(jié)點ID占用2個Byte。第一層，網(wǎng)關(guān)節(jié)點ID = 0x0001～0x00FA (高8位必定為0x00，高8位范圍為0x01～0xFA)；第二層，中心節(jié)點ID = 0xXX 00 (低8位必定為0x00，高8位范圍為0x01～0xFA)；第三層，終端節(jié)點ID = 0xXX 01 ～ 0xXX 3F(高8位與對應(yīng)的中心節(jié)點ID高8位一致，低8位從0x01 ～ 0x3F)。當(dāng)需要進(jìn)行同一中心節(jié)點下的廣播監(jiān)聽時，可使用ID為0xXXFF（XX為對應(yīng)中心節(jié)點ID高8位）作為廣播地址，當(dāng)需要進(jìn)行同一網(wǎng)關(guān)下全網(wǎng)廣播監(jiān)聽時，可使用ID為0xFFFF作為廣播地址。同時，預(yù)留出廠默認(rèn)ID（白機）：中心節(jié)點0xFD 00；終端節(jié)點0xFD 01。節(jié)點ID分配方式如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)節(jié)點ID分配方式

由此可計算出，同一TCP/IP服務(wù)端下，系統(tǒng)最大支持的LoRa網(wǎng)關(guān)數(shù)量為250個。同一網(wǎng)關(guān)下的LoRaWAN內(nèi)，最大支持250個中心節(jié)點，終端節(jié)點的數(shù)量最大可支持至15750個。能夠滿足絕大部分LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景。

2.3 系統(tǒng)工作模式

為了達(dá)到終端模塊的低功耗設(shè)計，網(wǎng)關(guān)模塊節(jié)點及中繼模塊節(jié)點采用尋呼工作方式，即平時各終端模塊節(jié)點處于休眠模式，只開啟定時器中斷用于信道監(jiān)聽，只有在收到中繼模塊節(jié)點的開啟信道引導(dǎo)碼指令時，才做出采集動作并回應(yīng)，需要回送數(shù)據(jù)時再啟動發(fā)射狀態(tài)。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流傳輸工作模式流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)工作模式流程圖

為了實現(xiàn)終端模塊的空中喚醒功能，需要在有效數(shù)據(jù)報文前加一段足夠長的引導(dǎo)碼，要保證前導(dǎo)碼的持續(xù)時間略長于終端節(jié)點的休眠時間。終端節(jié)點進(jìn)行周期性地喚醒，監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)報文，一旦捕捉到前導(dǎo)碼就進(jìn)入正常的接收流程，若沒有就立即休眠，等待下一次喚醒?？罩袉拘训氖疽鈭D如圖6所示。

圖6 終端節(jié)點空中喚醒示意圖

2.4 LoRa傳輸時間的計算

LoRa數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)包含三個部分，前導(dǎo)碼（Preamble）、可選類型報頭（Header）、數(shù)據(jù)有效負(fù)載（Payload）。LoRa默認(rèn)為顯式Header模式，在這種模式下，Header會包含Payload的相關(guān)信息，包括：Payload長度、前向糾錯編碼率、是否使用CRC。由此，LoRa數(shù)據(jù)包傳輸?shù)目倳r間即等于引導(dǎo)碼傳輸時間與數(shù)據(jù)有效負(fù)載傳輸時間之和。

根據(jù)：

再根據(jù)：

（其中PL表示有效負(fù)載的字節(jié)數(shù)；SF表示擴頻因子；使用報頭時 H=0，未使用H=1；當(dāng)LowDataRateOptimize位設(shè)置為1時，DE=1，否則DE=0；CR表示編碼率）得到有效負(fù)載數(shù)據(jù)的符號數(shù)，再代入得到數(shù)據(jù)包總傳輸時間。

通過在最大終端模塊數(shù)量（63個）下，不同調(diào)制帶寬（BW）、擴頻因子（SF）模式下的試驗數(shù)據(jù)對比，驗證得到終端模塊設(shè)置在BW=125kHz，SF=6時，間歇監(jiān)聽的時間設(shè)置為187.5ms為最合適值。驗證數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)LoRa傳輸時間試驗數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語

本文介紹了一種基于LoRa的多層分布式數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)的解決方案，極大的發(fā)揮了LoRa長距離、多節(jié)點、低功耗的特點，同時在各模塊僅有1個物理接受發(fā)射機的前提下，極大節(jié)省了系統(tǒng)成本。經(jīng)實際驗證，可在節(jié)點數(shù)＞1000個，數(shù)據(jù)8Byte/包的大小及60包/小時的發(fā)包頻率下，系統(tǒng)可穩(wěn)定運行。能夠廣泛應(yīng)用與智能抄表、路燈監(jiān)控、智慧農(nóng)業(yè)、智能灌溉、智能樓宇等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的場合。