基于LoRa的農(nóng)田信息無線采集方案設(shè)計

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(武漢理工大學(xué) 理學(xué)院，武漢 430070)

0 引言

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)集信息感知、數(shù)據(jù)傳輸、智能信息處理技術(shù)于一體，作為物聯(lián)網(wǎng)的一個重要發(fā)展方向，受到了廣泛關(guān)注。隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，如何降低設(shè)備成本和功耗，如何提高無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離、傳輸效率、電池壽命和可靠性等諸多問題成為農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展面臨的全新挑戰(zhàn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN,wireless sensor network)作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)在農(nóng)業(yè)方面已有大量的應(yīng)用研究，由于傳統(tǒng)的WSN采用ZigBee、WiFi、Bluetooth等無線通信技術(shù)，在通信距離、功耗、抗干擾和組網(wǎng)規(guī)模上存在局限性，面對地域廣闊、分布不集中、自然環(huán)境惡劣的農(nóng)業(yè)應(yīng)用場合，傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)已經(jīng)無法滿足農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求[1-3]。

低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN，low power wide area network)技術(shù)作為新興的物聯(lián)網(wǎng)無線接入技術(shù)，與傳統(tǒng)的無線技術(shù)相比具有傳輸距離遠、功耗低、成本低、覆蓋容量大等優(yōu)點。適合于長距離、低功率和低數(shù)據(jù)傳輸速率的應(yīng)用場合。目前LPWAN技術(shù)包括LoRa、SigFox、LTE-M、NB-IoT、Weightless等[4]。LoRa是Semtech公司推出的一種新型超長距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，其工作頻段在1 GHz以下，采用線性擴頻調(diào)制技術(shù)具有抗干擾、保密性強、抗多徑效應(yīng)等特點。其接收靈敏度高，解決了傳統(tǒng)無線通信設(shè)計方案無法同時兼顧距離、抗干擾和功耗的問題，擁有廣泛的應(yīng)用前景[5]。

本文針對農(nóng)田信息采集的實際應(yīng)用需求，利用LoRa技術(shù)設(shè)計了一種農(nóng)田信息采集系統(tǒng)。整個系統(tǒng)充分考慮了功耗、 成本以及系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面的要求，采用多頻段TDMA接入方式，通過設(shè)計精簡的低功耗硬件電路和高效率的無線通信協(xié)議，達到了功耗低，容量大，覆蓋范圍廣的目的。并針對節(jié)點功耗，時隙長度以及鏈路質(zhì)量方面展開實驗研究。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于LoRa的無線信息采集系統(tǒng)用于實現(xiàn)農(nóng)田信息的精準測量，其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，包括傳感器節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立與維護，傳感器節(jié)點通過無線方式申請入網(wǎng)，與網(wǎng)關(guān)建立通信連接。傳感器節(jié)點分布在田間進行農(nóng)田信息采集，并將采集到的信息發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將節(jié)點數(shù)據(jù)匯總后進行處理、存儲，網(wǎng)關(guān)通過串口、以太網(wǎng)或GPRS與服務(wù)器相連。無線網(wǎng)絡(luò)采用多頻段TDMA(time division multiple access)接入方式，劃分多個子網(wǎng)，在子網(wǎng)中每個網(wǎng)關(guān)與節(jié)點組建星型網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點周期性地將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)關(guān)，服務(wù)器通過調(diào)用網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，分析每個接入節(jié)點的狀態(tài)，并轉(zhuǎn)換成有價值的信息，供用戶訪問使用，從而實現(xiàn)了農(nóng)田信息的無線采集。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計原理及方案

2.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計指標

針對該農(nóng)田信息無線采集系統(tǒng)自身特點,以及它的工作環(huán)境，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的主要技術(shù)指標如下：

1)低功耗，由于傳感器節(jié)點所處的工作環(huán)境需采用電池供電方式，能量有限，保證系統(tǒng)硬件正常工作和適當?shù)膫鬏斁嚯x，應(yīng)盡量降低功耗，延長電池壽命。

2)遠距離，由于農(nóng)田現(xiàn)場地域廣闊，通信距離的限制以及障礙物的遮擋等環(huán)境因素的影響使得傳輸質(zhì)量變差，影響數(shù)據(jù)傳輸距離，需要無線通信有較強的抗干擾能力和較遠的通信距離，提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。

3)易擴展，節(jié)點數(shù)據(jù)能夠無線上傳到網(wǎng)關(guān)，同時保證網(wǎng)絡(luò)容量，應(yīng)降低組網(wǎng)難度，提高組網(wǎng)效率，使用靈活，能夠擴展到更多的應(yīng)用領(lǐng)域。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)根據(jù)無線通信特點、應(yīng)用需求進行設(shè)計。LoRa通信傳輸距離遠、速率低。農(nóng)業(yè)監(jiān)測一般有以下應(yīng)用需求：網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較大，節(jié)點數(shù)量較多，單節(jié)點數(shù)據(jù)量較少，但需要周期性發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)的準確性要求高，實時性要求相對不高等。星型網(wǎng)絡(luò)是各種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的組網(wǎng)基礎(chǔ)，它具有結(jié)構(gòu)簡單、延遲低、組網(wǎng)容易等特點，可以降低通信協(xié)議的復(fù)雜度以及整個網(wǎng)絡(luò)的能耗[6]。本文選擇星型拓撲作為無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，考慮到單個星型網(wǎng)絡(luò)容量有限以及遠距離的節(jié)點無法覆蓋的問題，根據(jù)區(qū)域?qū)⑾到y(tǒng)劃分成多個子網(wǎng)，每個子網(wǎng)分配獨立的信道，相同信道的節(jié)點和網(wǎng)關(guān)組成星型結(jié)構(gòu)的子網(wǎng)，可以降低信號間的相互干擾，擴充網(wǎng)絡(luò)容量，增加覆蓋范圍。

LoRa傳輸速率低導(dǎo)致信道占用時間長且覆蓋范圍廣，在一個星型網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點間的數(shù)據(jù)碰撞會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失，極大地影響數(shù)據(jù)的傳輸效率。處理無線網(wǎng)絡(luò)碰撞的方式有競爭和時分復(fù)用(TDMA)兩大類，競爭方式是指節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)之前需要先檢測當前信道是否空閑，若空閑則占用信道直接發(fā)送數(shù)據(jù)，否則直至檢測到信道空閑為止。競爭方式具有靈活性高、簡單、穩(wěn)定等特點，適用于節(jié)點數(shù)量較少的小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中，但是當網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量增多且各節(jié)點發(fā)包頻率增大時，信道會非常繁忙，致使數(shù)據(jù)傳送率下降，同時長時間的信道監(jiān)聽會造成能量浪費。

時分復(fù)用是為網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點分配獨立的用于數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時隙，而節(jié)點在其它空閑時隙內(nèi)轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài)，這些特點很適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能需求[7]。本文的星型網(wǎng)絡(luò)采用競爭和時分復(fù)用相結(jié)合的方式，節(jié)點入網(wǎng)時采用競爭方式，入網(wǎng)后采用分時方式發(fā)送數(shù)據(jù)。

基于TDMA的網(wǎng)絡(luò)必須建立網(wǎng)內(nèi)同步，使各個設(shè)備工作在同一時間基準上。子網(wǎng)系統(tǒng)的同步時間以網(wǎng)關(guān)時間作為標準，采用單向同步機制減少通信開銷。由于節(jié)點入網(wǎng)時間具有隨機性，采用競爭方式發(fā)送入網(wǎng)申請，同一信道的網(wǎng)關(guān)收到入網(wǎng)申請后則即刻下發(fā)時間戳、工作周期、時隙分配信息給節(jié)點。節(jié)點收到時間戳信息后估算發(fā)送延時，調(diào)節(jié)本地時間完成時間同步，根據(jù)工作周期和時隙分配信息設(shè)置休眠及喚醒時間。

2.3 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)分析

時間同步會存在時鐘誤差，包括時鐘偏差CS(Clock Skew)和時鐘漂移CD(Clock Drift)，CS為同步建立之初，節(jié)點與網(wǎng)關(guān)的時鐘偏差；CD為節(jié)點晶體振蕩器的硬件差異引起的節(jié)點間的時鐘相對漂移[8]。時鐘誤差可能隨著時間的累積不斷增大，節(jié)點的時鐘誤差tce為：

輸水渠道內(nèi)坡普遍采用混凝土板襯砌結(jié)構(gòu)，輸水運行期的水位變化和汛期地下水水位的變化對襯砌結(jié)構(gòu)的影響是比較大的。在渠道管理運行過程中，應(yīng)密切關(guān)注渠內(nèi)外水位的變化，采取措施，控制渠內(nèi)外水位差，減小渠道內(nèi)外地下水壓力對襯砌混凝土板的破壞作用，防止襯砌結(jié)構(gòu)破壞，保障工程良好運行。

(1)

其中:f0為節(jié)點晶體振蕩器的標稱頻率，f(t)是晶振在t時刻的實際頻率，tcs為同步完成后的時鐘偏差。

節(jié)點在時間同步完成之后進入休眠狀態(tài)，在下一個工作周期所對應(yīng)的時隙之前喚醒，假設(shè)網(wǎng)絡(luò)為每個節(jié)點分配的時隙長度為Δτ，網(wǎng)關(guān)的時間為tg，節(jié)點同步后經(jīng)過了N個工作周期T，節(jié)點i的數(shù)據(jù)發(fā)送時刻為：

ti=N·T+i·Δτ+tg+tce

(2)

數(shù)據(jù)包傳輸時間即信道占用時間為td，與數(shù)據(jù)包長度和物理層發(fā)送速度相關(guān)。當時鐘誤差累積到一定程度，相鄰節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送時間間隔小于td時，數(shù)據(jù)包發(fā)送時間重疊便會產(chǎn)生無線碰撞，造成數(shù)據(jù)包的丟失。因此需要在時鐘誤差累積到一定值之前重新進行時間同步。

由于節(jié)點時鐘誤差和新節(jié)點的入網(wǎng)申請不可預(yù)測，每個節(jié)點劃分的時隙長度必然要大于數(shù)據(jù)包的傳輸時間，假設(shè)新節(jié)點入網(wǎng)耗時為te。為使節(jié)點快速入網(wǎng)，這里定義時隙長度的最小值：

Δτmin=td+te+2max(tce)

(3)

一般來說數(shù)據(jù)包傳輸時間和新節(jié)點入網(wǎng)耗時固定不變，最小時隙由時鐘誤差決定。因此單個星型網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點容量為：

C=T/Δτmin

(4)

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

農(nóng)田信息采集節(jié)點模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，由主控芯片、無線芯片、傳感器及其外圍電路及擴展接口組成?？梢詫崿F(xiàn)對農(nóng)田溫度、濕度等多個物理量的獲取，并通過射頻單元將獲取的農(nóng)田信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。節(jié)點還具有多路模擬數(shù)字擴展通道、RS232等擴展接口，可以根據(jù)實際需要進行使用。

圖2 傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

主控芯片選用意法半導(dǎo)體ST推出的低功耗系列芯片STM32L053，其基于ARM Cortex-M0+的內(nèi)核，最高主頻32 MHz，配置了8 KB RAM和64 KB Flash，擁有豐富的外設(shè)資源。它具有1.71～3.60 V的寬工作電壓，停止模式電流僅440 nA且具有全RAM 數(shù)據(jù)保存和低功耗定時計數(shù)器功能，喚醒時間僅需3.5 μs。滿足一般農(nóng)業(yè)環(huán)境下數(shù)據(jù)處理、存儲和傳輸?shù)囊?。設(shè)計時使用外部8 MHz晶振作為時鐘源，使用外部 32.768 kHz晶振作為RTC日歷時鐘源。

射頻芯片SX1276采用的是Semtech的LoRa無線調(diào)制解調(diào)器，內(nèi)置高效的循環(huán)交織糾錯編碼，工作電壓1.8～3.7 V，最大鏈路預(yù)算可達168 dB，頻率范圍137～1020 MHz，有效比特率范圍0.018～37.5 kbps，低至-148 dBm的接收靈敏度，最大射頻功率20 dBm，9.9 mA的接收電流，200 nA的休眠電流。射頻芯片通過SPI方式進行數(shù)據(jù)傳輸，并且有5個中斷輸出引腳，用于產(chǎn)生中斷事件。

傳感器采用數(shù)字溫濕度傳感器SHT11，是含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，溫度測量范圍-40～123.8℃，濕度測量范圍0～100%RH，工作電壓2.4～5.5 V，休眠電流小于1.5 μA。采用雙線串行接口與主控芯片進行通信。

網(wǎng)關(guān)采用的主控芯片和射頻芯片與節(jié)點一樣，不需要接傳感器。為得到精確時間信息需增加一個GPS模塊，根據(jù)實際需求選擇串口、以太網(wǎng)或GPRS模塊，將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器。

4 軟件設(shè)計

4.1 節(jié)點軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點程序主體流程如圖3所示。大致分為以下3個步驟。1)節(jié)點入網(wǎng)及同步。節(jié)點在初始化之后進行入網(wǎng)過程，先進行信道檢測，如果檢測出信道空閑直接發(fā)送數(shù)據(jù)，否則等待一段隨機時間后，再進行信道檢測直至發(fā)送成功。節(jié)點在發(fā)送完請求數(shù)據(jù)后立即切換到接收模式，若接收到網(wǎng)關(guān)的響應(yīng)數(shù)據(jù)則配置節(jié)點參數(shù)，否則重新發(fā)送入網(wǎng)請求。由于時鐘的漂移造成同步誤差增大，在入網(wǎng)成功后經(jīng)過K個周期后需要再次進行時間同步。2)傳感器數(shù)據(jù)采集與處理。節(jié)點完成入網(wǎng)后在相應(yīng)的時間段內(nèi)喚醒并完成傳感器數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。發(fā)送前先進行一次信道檢測，若信道占用則延時一個隨機時間后直接發(fā)送。3)低功耗。由于節(jié)點一般使用電池供電，為了降低功耗，節(jié)點大多數(shù)時間處于低功耗狀態(tài)。節(jié)點采用深度休眠設(shè)計，主控芯片進入停止模式，射頻芯片、傳感器均進入低功耗模式。

圖3 節(jié)點軟件主流程圖

4.2 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)初始化后根據(jù)GPS時間定期調(diào)整時鐘，網(wǎng)關(guān)一般處于接收狀態(tài)，當收到入網(wǎng)請求后立即獲取本地RTC時間、工作周期、分配時隙信息并發(fā)送給節(jié)點，當收到同步請求后發(fā)送本地RTC時間，RTC時間信息精確到毫秒；當收到正常的溫濕度數(shù)據(jù)后記錄下當前時間、RSSI值等信息并將其進行存儲處理，服務(wù)器通過Modbus協(xié)議對網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)進行調(diào)用。網(wǎng)關(guān)主體流程如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)軟件主流程圖

5 試驗驗證

LoRa的設(shè)置參數(shù)決定LoRa通信的實際特性，包括傳輸速率、接收靈敏度和覆蓋范圍。本文中LoRa網(wǎng)絡(luò)工作頻段選擇780 MHz，帶寬125 kHz，擴頻因子為7。數(shù)據(jù)包長度為10，通過計算數(shù)據(jù)包傳輸所需時間td約為34 ms，入網(wǎng)同步耗時te約為70 ms，網(wǎng)關(guān)設(shè)置為最大發(fā)射功率20 dBm。利用邏輯分析儀測得時鐘偏差CS一般小于50 ms，32.768 kHz的晶振誤差最大為20 ppm，則時鐘漂移CD最大約為72 ms/h，假設(shè)每小時進行一次時間同步則最小時隙約為350 ms。假設(shè)將每個節(jié)點時隙劃分為1 s，周期T為60 s，則單個子網(wǎng)的節(jié)點容量為60。

5.1 節(jié)點功耗

無線節(jié)點采用3.7 V鋰電池供電，射頻芯片發(fā)射功率為14 dBm，可實現(xiàn)視離2 km，非視距500 m的通信距離。利用功率分析儀測得節(jié)點在入網(wǎng)完成后一個周期的電流狀況如表1所示?？梢园l(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送所需電流最大，數(shù)據(jù)采集耗時最長。節(jié)點每小時進行一次時間同步時的接收電流為20.6 mA，耗時45 ms，周期T設(shè)為60 s。通過計算單個節(jié)點每天消耗的電量為2.96 mAh，可以實現(xiàn)低功耗長久工作。

表1 節(jié)點一個周期的電流消耗狀況

5.2 鏈路質(zhì)量特性

無線通信會受到各種因素的影響，鏈路質(zhì)量的研究有助于及時了解網(wǎng)絡(luò)的運行狀況。RSSI的值是評估鏈路質(zhì)量的重要指標，本系統(tǒng)通過改變節(jié)點與網(wǎng)關(guān)的距離，每次連續(xù)發(fā)送200個數(shù)據(jù)包，統(tǒng)計均值RSSI和包接收率。測得RSSI均值與包接收率的關(guān)系如圖5所示。

圖5 包接收率與RSSI的關(guān)系

由圖5可知當RSSI的值大于-118 dBm時，包接收率穩(wěn)定在0.9以上，為穩(wěn)定區(qū)；當RSSI值小于-118 dBm時，包接收率隨著RSSI的減小而減小，為非穩(wěn)定區(qū)，將該點定義為拐點。RSSI值為-127 dBm時，包接收率接近0，將該點定義為零點。視距與非視距環(huán)境下包接收率與RSSI的關(guān)系相似，通過對比發(fā)現(xiàn)非視距環(huán)境下的拐點和零點對應(yīng)的RSSI值較大，當RSSI值相同時，視距環(huán)境有更好的通信質(zhì)量。拐點的值可以為子網(wǎng)劃分提供重要的指導(dǎo)。

5.3 時隙選擇

星型網(wǎng)絡(luò)的時隙長度對網(wǎng)絡(luò)容量和網(wǎng)內(nèi)節(jié)點數(shù)據(jù)碰撞有著根本影響。為進一步測試網(wǎng)絡(luò)可靠性，將系統(tǒng)接入最大節(jié)點數(shù)，且所有測試節(jié)點距網(wǎng)關(guān)近，通信質(zhì)量好。改變時隙長度測得在5小時內(nèi)整個網(wǎng)絡(luò)的丟包率如表2所示。

表2 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)丟包率統(tǒng)計表

通過實驗發(fā)現(xiàn)隨著時隙長度的增加，丟包率呈現(xiàn)減小的趨勢。當時隙長度大于500 ms節(jié)點能夠?qū)崿F(xiàn)快速入網(wǎng)，數(shù)據(jù)碰撞一般存在于新節(jié)點入網(wǎng)時，在所有節(jié)點完成入網(wǎng)后節(jié)點間的數(shù)據(jù)幾乎沒有碰撞，整個系統(tǒng)的丟包率小于5%，可以滿足一般通信要求。但時隙長度過大也會造成信道資源的浪費，因此選擇合適的時隙長度對于權(quán)衡網(wǎng)絡(luò)的效率和容量非常重要。

6 結(jié)論

為了解決傳統(tǒng)無線采集系統(tǒng)傳輸距離近、功耗高的問題，本文根據(jù)LoRa的無線傳輸特性及應(yīng)用需求設(shè)計了一種多頻段TDMA周期性無線采集方案，主要對多頻段TDMA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、子網(wǎng)低碰撞率實現(xiàn)方法和網(wǎng)絡(luò)時隙長度選取方法進行了分析介紹。并對節(jié)點功耗、無線鏈路質(zhì)量、時隙長度進行了測試，實驗結(jié)果表明：利用STM32L0和SX1276的LoRa節(jié)點設(shè)計方案具有功耗低的優(yōu)勢；利用RSSI值可以快速判斷鏈路質(zhì)量狀態(tài)；選擇合適的時隙大小可以減小數(shù)據(jù)碰撞，提高網(wǎng)絡(luò)容量。該系統(tǒng)覆蓋范圍廣，功耗低，成本低，擴展性能好且具有較高穩(wěn)定性，可以廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)等需要對信息進行大范圍無線采集的領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。