基于智能手機的LoRa無線傳輸效能測試研究

萬雪芬，崔 劍，楊 義，蔣學(xué)芹，SARDAR Muhammad Sohail

（1.華北科技學(xué)院 計算機學(xué)院，河北 廊坊 065201；2.華北科技學(xué)院 河北省物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控工程技術(shù)研究中心，河北 廊坊 065201；3.北京航空航天大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，北京 100083；4.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620）

0 引 言

為了面向未來物聯(lián)網(wǎng)的百億級接入需求，具有廣覆蓋、低成本、部署簡單、支持海量接入等優(yōu)點的低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide Area Network，LPWAN）技術(shù)應(yīng)運而生[1-2]。通過該技術(shù)有望實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中在較大空間范圍內(nèi)、極大數(shù)量的終端設(shè)備之間的互聯(lián)互通。從2012年開始，LPWAN技術(shù)日益得到重視，近年來已經(jīng)成為全球物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的一大研究熱點[3-4]。在主流LPWAN技術(shù)方案中，由Semtech公司提出的LoRa（Long Range）技術(shù)具有較為光明的應(yīng)用前景。現(xiàn)Semtech已和IBM、Microchip等公司共同成立LoRa全球技術(shù)聯(lián)盟（LoRa-Alliance），并在相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域中逐漸建立了產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。

1 LoRa無線傳輸

LoRa技術(shù)在物理層中使用了Semtech公司基于啁啾擴頻（Chirp Spread Spectrum，CSS）的私有物理層技術(shù)，通過該技術(shù)可有效降低無線信號傳輸中的多徑效應(yīng)[5-7]。CSS技術(shù)曾被廣泛用于軍事和航天領(lǐng)域中的長距離高可靠性通信，LoRa是其第一次用于商用大規(guī)模組網(wǎng)。此外LoRa無線傳輸?shù)撵`敏度可高達(dá)-130 dBm以上。LoRa在組網(wǎng)中多采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個LoRaWAN中可以容納數(shù)百萬個節(jié)點，而且避免了復(fù)雜的多跳組網(wǎng)。LoRa的低功耗、易配置、高可靠性等特點也適宜其在物聯(lián)網(wǎng)低速低功耗設(shè)備海量互聯(lián)領(lǐng)域中使用。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)感知層的主干支撐技術(shù)，其同樣也是LoRa無線傳輸技術(shù)的重點應(yīng)用領(lǐng)域。在利用LoRa組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時，可依靠商業(yè)基站或用戶自行建設(shè)LoRa專網(wǎng)。由于我國通信運營商未來基本采用NB-IoT技術(shù)承載LPWAN功能，且我國通信產(chǎn)業(yè)市場有一定的政策壁壘，所以LoRa技術(shù)在我國的商業(yè)推廣中多以面向具體應(yīng)用的自建專網(wǎng)為主[8-9]。采用該方式還會為行業(yè)企業(yè)帶來更多的商業(yè)推廣及設(shè)計自由。

但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)常被布置于戶外等環(huán)境惡劣的環(huán)境下，降雨等氣候變化會帶來無線傳輸效果較大程度的下降[10-11]。另外，在智能樓宇、工廠廠區(qū)等環(huán)境中的設(shè)備等干擾也會影響傳輸效能[12]。為了給LoRa無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者提供設(shè)計、安裝與維護的依據(jù)，需要利用相關(guān)設(shè)備對在具體環(huán)境中的LoRa傳輸效能進行測量，以獲得參考數(shù)據(jù)[13]。由于基于LoRa無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用規(guī)模不同、投資受限、氣候環(huán)境變化周期等因素影響，往往難以使用昂貴的無線測試設(shè)備進行長期的工程測試，也無法像基于商業(yè)基站的LoRa組網(wǎng)那樣獲得長期傳輸效能統(tǒng)計數(shù)據(jù)。近年來，智能手機得到了快速發(fā)展，并已經(jīng)在測試領(lǐng)域得到了一定應(yīng)用。智能手機具有較強的運算與通信能力、友好的用戶UI，并可提供GPS定位等測試輔助功能。

本文提出一種基于智能手機的LoRa無線傳輸效能測試系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)有望實現(xiàn)對應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的LoRa無線傳輸效能的便捷觀測。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

LoRa在進行組網(wǎng)時基于星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以對其傳輸效能的測試可基于點對點之間傳輸效能的觀測。由于LoRa的物理層是Semtech的私有技術(shù)，具體技術(shù)細(xì)節(jié)尚未完全公開[3，14]。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最為核心的功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸，所以系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)包傳輸成功率（Packet Success Rate，PSR）作為傳輸效果的衡量依據(jù)。PSR定義為：

式中Packs與Packt分別為通過LoRa節(jié)點間通信成功接收到的數(shù)據(jù)包數(shù)與發(fā)送的數(shù)據(jù)包總數(shù)。成功接收定義為接收到的數(shù)據(jù)包內(nèi)容與發(fā)送數(shù)據(jù)包內(nèi)容完全一致。

系統(tǒng)由安裝了測試App的Android智能手機及與之配套的測試節(jié)點組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of test system

智能手機負(fù)責(zé)管理測試過程、產(chǎn)生測試數(shù)據(jù)、用戶UI等，測試節(jié)點負(fù)責(zé)響應(yīng)智能手機的測試管理并承載LoRa無線傳輸?shù)奈锢斫Y(jié)構(gòu)。用戶通過智能手機管理測試過程，并獲得對應(yīng)的測試結(jié)果。在具體使用中，用戶僅需安裝好節(jié)點，并在具有對應(yīng)功能的手機上安裝測試用App即可開始測試。測試用App對手機無特殊要求，現(xiàn)階段大多數(shù)具有藍(lán)牙與NFC功能、支持移動網(wǎng)絡(luò)通信的市售Android手機都可用于本系統(tǒng)。本系統(tǒng)的架構(gòu)不僅極大地節(jié)約了成本、簡化了硬件設(shè)計，而且系統(tǒng)易用性等也有較大程度提高。

3 智能手機端App設(shè)計

智能手機是系統(tǒng)的核心部分，其功能通過測試用App實現(xiàn)。測試用App的功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。App中測試功能管理部分用于生成基于偽隨機序列的LoRa負(fù)載、記錄測試參數(shù)、同步測試過程、管理用戶設(shè)定、觸發(fā)信號管理、主從關(guān)系等測試參數(shù)。智能手機通過App中NFC標(biāo)簽管理部分獲取節(jié)點ID、藍(lán)牙連接信息等存儲于節(jié)點NFC標(biāo)簽中的內(nèi)容。BLE連接部分負(fù)責(zé)建立及管理智能手機與測試節(jié)點之間的藍(lán)牙連接。定位部分通過智能手機中已安裝的百度或者高德地圖接口獲取節(jié)點的空間地理位置。網(wǎng)絡(luò)通信部分負(fù)責(zé)在測試中管理智能手機通過移動通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。每一次測試完成后，App通過數(shù)據(jù)存儲部分將測試結(jié)果寫入智能手機的SD卡中，以備以后使用。用戶UI部分可為用戶提供簡單易操作的用戶界面。在使用中，用戶只需將智能手機貼近布置在節(jié)點附近的NFC標(biāo)簽，即可實現(xiàn)與節(jié)點的連接。之后即可依據(jù)測試需求依次設(shè)定參數(shù)并開始測試。測試完成后相關(guān)結(jié)果將呈現(xiàn)給用戶并被記錄。這一過程操作簡單，不需要有特殊的領(lǐng)域知識即可完成。測試用App的程序流程示意圖如圖3所示。此外如果進行較長時間的測試，用戶還可選用自動模式。在這一模式下測試節(jié)點間進入發(fā)送接收過程后可取下手機。測試節(jié)點間自行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。待下一次兩側(cè)都有智能手機接入時再進行后續(xù)操作。

圖2 測試用App結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of App for test

圖3 測試用App程序流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of App program flow for test

4 測試節(jié)點設(shè)計

由于在系統(tǒng)中智能手機承擔(dān)了大部分功能，所以測試節(jié)點的設(shè)計可以十分精簡。測試節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖4所示。在節(jié)點中采用微芯公司具有nanoWatt XLP技術(shù)的PIC16F1947微控制器作為節(jié)點的核心管理部分。節(jié)點上的BLE模塊采用支持BT BLE4.0標(biāo)準(zhǔn)、微芯公司出品的RN4020藍(lán)牙模塊，該模塊發(fā)送功率可達(dá)7 dBm，接收靈敏度為-92.5 dBm，可以在節(jié)點與智能手機之間實現(xiàn)可靠通信?；贜XP NTAG216的NFC芯片被布置于節(jié)點附近，并在布設(shè)時寫入節(jié)點ID、藍(lán)牙連接信息等。鉛酸電池的輸出通過ZY-WRDS-2W隔離型電源模塊為節(jié)點提供可靠供電。通過結(jié)合基于SX1278的AS62-T20型LoRa通信測試模塊、天線與衰減器，節(jié)點可實現(xiàn)在[0，20 dBm]區(qū)間上的任意LoRa發(fā)射功率。若用戶有對功率的更大要求，可以選擇替換同系列的AS62-T30型LoRa測試模塊，在不需額外設(shè)置的情況下獲得[0，30 dBm]區(qū)間上的發(fā)射功率。節(jié)點被封裝于符合IP68標(biāo)準(zhǔn)的PVC管狀容器中，用戶可通過頂部旋開口對節(jié)點進行維護及升級等操作。測試節(jié)點工作流程示意圖如圖5所示。測試節(jié)點主板、封裝好的節(jié)點及測試用App如圖6所示。

圖4 測試節(jié)點結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of test node

圖5 測試節(jié)點工作流程示意圖Fig.5 Schematic diagram of work flow of test node

圖6 測試節(jié)點主板、封裝好的節(jié)點及測試用AppFig.6 Mainboard of test node，capsuled test node and App for test

5 測試結(jié)果與討論

在對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、安裝與維護中需要大量以數(shù)據(jù)傳輸為核心的測試數(shù)據(jù)。通過本系統(tǒng)可望獲得分散在較長時間周期內(nèi)的數(shù)據(jù)，并方便在特定情況下快速進行測試。在測試中首先選擇京東地區(qū)（場地1）及松江區(qū)某小區(qū)（場地2）進行樓宇間LoRa無線數(shù)據(jù)傳輸實驗。實驗中節(jié)點功率設(shè)為20 dBm，天線增益為3 dB，手機型號為華為Mate2。實驗場地如圖7所示。測試中節(jié)點都被安放于樓層較高位置。在場地1的測試中，從App中讀出的節(jié)點間距為523 m；場地2的測試中，從App中讀出的節(jié)點間距為557 m。在上述場地中于2017年5—9月期間進行多次晴好天氣與降水氣候條件下時長為24小時（0—24時）的測量。在晴好天氣下，上述兩處節(jié)點間的日均PSR都接近100%，且節(jié)點間交換主從收發(fā)關(guān)系后PSR未發(fā)生明顯變化。測試中智能手機與測試節(jié)點之間的藍(lán)牙連接可靠，未出現(xiàn)意外中斷現(xiàn)象。對系統(tǒng)使用者的調(diào)查也表明該系統(tǒng)具有易于使用、測量方便的優(yōu)點。

圖7 樓宇傳輸測試地點及節(jié)點的布局Fig.7 Layout of test nodes and test location for data transmission among buildings

通過系統(tǒng)測試發(fā)現(xiàn)，降雨是影響LoRa樓宇間無線傳輸最主要的因素。通過本文系統(tǒng)得到數(shù)據(jù)繪制的月均PSR數(shù)據(jù)如圖8所示。由圖8中可以看出，在京東地區(qū)5、6月間降雨較少，PSR月均值與日均值分布下限較高。而在進入夏季后由于降雨多發(fā)，PSR月均值與日均值分布下限都有所下降。而松江地區(qū)降雨較多，所以其PSR月均值與日均值分布下限都較低。在較大的降雨條件下，LoRa無線傳輸往往無法進行。利用本文系統(tǒng)還可得到由于降雨引起的傳輸中斷時間（傳輸中斷定義為128 s內(nèi)LoRa數(shù)據(jù)包無法發(fā)送，恢復(fù)定義為128 s內(nèi)LoRa數(shù)據(jù)包無丟失，上述信息由從節(jié)點記錄，并與主節(jié)點交互）。傳輸中斷出現(xiàn)次數(shù)及時長如圖9所示。由圖9可以看出，在松江地區(qū)，降雨引起的傳輸中斷的出現(xiàn)概率與時間遠(yuǎn)多于少雨的京東地區(qū)，有時甚至可能出現(xiàn)連續(xù)數(shù)小時的傳輸中斷，而京東地區(qū)降雨多為陣雨形式，對長周期傳輸?shù)挠绊懹邢?。通過長期類似的數(shù)據(jù)采集，測試結(jié)果有助于相關(guān)技術(shù)人員制定相應(yīng)輪詢機制、數(shù)據(jù)采集機制、緩存機制等與LoRa無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸密切相關(guān)的策略。

圖8 京東與松江地區(qū)的月均PSR及日均PSR分布區(qū)間Fig.8 Distribution intervals of monthly PSR and daily PSR in eastern Beijing and Songjiang districts

圖9 傳輸中斷出現(xiàn)次數(shù)及時長Fig.9 Occurrence frequency and duration of transmission interruption

LoRa無線傳感器節(jié)點布設(shè)的空間距離也很重要，本文系統(tǒng)輕便易攜，可以方便在類似的測試中使用。以冀東地區(qū)的農(nóng)業(yè)大田種植區(qū)農(nóng)作物不同生長期LoRa無線傳輸?shù)淖兓癁槔M行了測試。實驗場地如圖10所示，天線增益等與前述實驗完全相同，節(jié)點距離地面0.3 m，節(jié)點間作物主要為玉米及大田蔬菜等，測試選擇2017年2月到7月間的晴好天氣且地面干燥的時段。測試中攜節(jié)點沿著圖中虛線標(biāo)出的路徑移動，以PSR＞90%為標(biāo)準(zhǔn)，借助App中的定位功能尋找并標(biāo)定最大可靠傳輸距離。

圖10 實驗場地及測試結(jié)果Fig.10 Test locations and test results

以往在相關(guān)的研究中表明，農(nóng)業(yè)環(huán)境中無線傳輸距離會受植物生長等的影響[15]。由測試中可以發(fā)現(xiàn)，在作物的不同生長期，LoRa無線傳輸?shù)目煽總鬏斁嚯x同樣會由于植物冠層與枝干等的遮蔽效果有所縮短，所以相關(guān)領(lǐng)域的工程人員在設(shè)計用于智慧農(nóng)業(yè)的LoRa無線傳感器網(wǎng)絡(luò)時還需納入植物種植數(shù)據(jù)，以保證設(shè)計的可靠性。通過系統(tǒng)取得的結(jié)果可望對無線節(jié)點空間布局提供參考。

6 結(jié) 論

本文提出一種基于智能手機的LoRa無線傳輸效能測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)由智能手機及與之配套的低成本測試節(jié)點組成。由于采用了上述結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)精簡、使用簡單、成本低廉，可滿足在較長時間周期內(nèi)分散獲取數(shù)據(jù)的需求。系統(tǒng)完成后在智能樓宇與大田智慧農(nóng)業(yè)場景中進行應(yīng)用測試實驗。由相關(guān)測試不難看出，相對于現(xiàn)有商用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主流的802.15.4&ZigBee方案或藍(lán)牙、WiFi等，LoRa在傳輸效能上大大提高。但是其在不同應(yīng)用場合中的工程實現(xiàn)還會與具體的環(huán)境相關(guān)。利用本文系統(tǒng)進行基于PSR的測量，可以較為方便地獲得與環(huán)境密切相關(guān)的數(shù)據(jù)參考，有望為未來基于LoRa的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用推廣提供相應(yīng)的測試技術(shù)手段。