一種基于LoRaWAN的高擴頻因子信道規(guī)劃在智能灌溉系統(tǒng)中應(yīng)用

李 艷，徐運武

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512126）

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）的地位愈發(fā)重要。當前大部分無線系統(tǒng)為實現(xiàn)低功耗調(diào)制大都使用頻移鍵控調(diào)制方式，而LoRa采用線性調(diào)頻擴頻調(diào)制方式，使得在延長通信距離的同時保持FSK調(diào)制的低功耗特性。LoRa基于1 GHz以下超長距離、低功耗性能通信，較sub-GHz在通信距離上有非常大的優(yōu)勢；同時，LoRa技術(shù)具有很高的接收靈敏度與較強的信噪比，提高了抗干擾能力。

LoRa以獨有的擴頻技術(shù)，使得不同擴頻序列即使使用相同頻率同時發(fā)送也不會出現(xiàn)沖突。隨著國內(nèi)LoRa聯(lián)盟的成立，LoRaWAN在國內(nèi)有了很大的推廣。但LoRaWAN在實際使用中網(wǎng)關(guān)并未真正體現(xiàn)多節(jié)點并發(fā)性能，特別是終端設(shè)備工作在高擴頻因子、發(fā)送數(shù)據(jù)大小接近滿幀數(shù)據(jù)時網(wǎng)關(guān)丟包率高。造成丟包的原因在于擴頻因子數(shù)越高，網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)硬件解調(diào)制需要的時間就越長，此時如果有其他設(shè)備同時在發(fā)送數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)無法接收當前數(shù)據(jù)導(dǎo)致丟包率較高。

市面上解決多設(shè)備通信沖突機制問題，主要采用ALOHA技術(shù)，但該模式在擴頻因子數(shù)較高的情況下仍然無法解決高丟包率的問題，無法滿足使用需求；加之修改開發(fā)網(wǎng)關(guān)協(xié)議對大部分人而言極其困難，且開發(fā)周期長，因此需要在終端設(shè)備添加基于LoRaWAN的高擴頻因子信道規(guī)劃機制。

1 項目設(shè)計框架

本系統(tǒng)運用目前發(fā)展迅猛的新通信技術(shù)—低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network, LPWAN），是低帶寬、低功耗、遠距離、大連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。在LPWAN技術(shù)出現(xiàn)之前，通常遠距離和低功耗特性只能取其一。LPWAN技術(shù)出現(xiàn)后，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。LoRa是LPWAN通信技術(shù)中極具代表性的技術(shù)，是美國Semtech公司采用和推廣的一種基于擴頻技術(shù)的超遠距離無線傳輸方案，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，提供了一種簡單的能實現(xiàn)遠距離、長電池壽命、大容量的系統(tǒng)，進而擴展傳感網(wǎng)絡(luò)。目前，LoRa主要在全球免費頻段運行，包括433 MHz、868 MHz、915 MHz等。LoRa 網(wǎng)絡(luò)主要由終端（內(nèi)置LoRa模塊）、網(wǎng)關(guān)（或稱基站）、服務(wù)器和云組成，應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸，系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)頂層傳輸網(wǎng)絡(luò)框架

智能灌溉系統(tǒng)主要由服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)、終端設(shè)備組成。服務(wù)器存儲網(wǎng)關(guān)上報土壤墑情信息，進行數(shù)據(jù)分析，同時結(jié)合土壤情況通過網(wǎng)絡(luò)下發(fā)灌溉控制指令給網(wǎng)關(guān)；網(wǎng)關(guān)將服務(wù)器下行數(shù)據(jù)通過LoRa傳輸?shù)叫枰刂频慕K端設(shè)備，實現(xiàn)自動灌溉；終端設(shè)備采用RS 485接口，支持標準Modbus協(xié)議，可以隨意接入相應(yīng)監(jiān)測土壤墑情傳感器，同時接入電磁閥控制灌溉接口，將土壤墑情通過無線通信與網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

為進一步提高系統(tǒng)通信的可靠性和實時性，降低節(jié)點設(shè)備功耗，將核心路由協(xié)議嵌入智能網(wǎng)關(guān)單元。網(wǎng)關(guān)采用POE供電方式，可滿足戶外長期工作需求，網(wǎng)絡(luò)方式支持以太網(wǎng)、4G、WiFi等，客戶可根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境選擇。同時，網(wǎng)關(guān)支持設(shè)備熱插拔自動選擇與服務(wù)器間數(shù)據(jù)交互方式；優(yōu)先選擇以太網(wǎng)、WiFi，當以太網(wǎng)、WiFi網(wǎng)絡(luò)異常時自動切換為4G網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)關(guān)與終端設(shè)備間通信采用LoRa組網(wǎng)形式，形成內(nèi)部局域網(wǎng)，終端設(shè)備每15～30 min自動上報一次土壤墑情數(shù)據(jù)，為確保網(wǎng)關(guān)與終端設(shè)備間的無線通信網(wǎng)絡(luò)LoRa傳輸穩(wěn)定，同時保證系統(tǒng)低功耗、可持續(xù)運行，網(wǎng)關(guān)與終端設(shè)備LoRa傳輸上行和下行數(shù)據(jù)使用防碰撞技術(shù)。此外，若無線通信因誤碼導(dǎo)致個別節(jié)點數(shù)據(jù)上傳錯誤，可通過錯誤重傳功能再次查詢，判斷錯誤信息出現(xiàn)的原因是通信誤碼導(dǎo)致還是節(jié)點故障，網(wǎng)關(guān)將所有終端設(shè)備上報信息上傳到服務(wù)器，由服務(wù)器對土壤墑情進行大數(shù)據(jù)分析；根據(jù)土壤情況下發(fā)灌溉控制指令，結(jié)合電磁閥控制開關(guān)實現(xiàn)智能灌溉。軟件流程如圖2所示。

圖2 程序流程

由于無線信道只有沖突域的特性，所以需設(shè)置一種隨機接入機制，以避免多個節(jié)點同時訪問網(wǎng)絡(luò)所帶來的沖突問題。在802.11無線局域網(wǎng)協(xié)議中，沖突的檢測存在“Near/Far”現(xiàn)象，這是由于要檢測沖突，設(shè)備必須能夠一邊接收數(shù)據(jù)信號一邊傳送數(shù)據(jù)信號，而這在無線系統(tǒng)中無法實現(xiàn)；CSMA/CA利用ACK信號避免沖突的發(fā)生，即只有當客戶端收到網(wǎng)絡(luò)返回的ACK信號后才確認送出的數(shù)據(jù)已正確到達。LoRa信道規(guī)劃機制借鑒類似方案，同時結(jié)合LoRa自身支持多通道、多擴頻因子的特點實現(xiàn)更理想的通信效果。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

由于無線信道只有一個沖突域的特性，所以需要設(shè)置一種隨機接入機制，以避免多個節(jié)點同時訪問網(wǎng)絡(luò)所帶來的沖突問題。

4 主要解決的問題

（1）每次發(fā)送數(shù)據(jù)前使用隨機信道ID通信；

（2）計算出當前使用的SF、Parklen所需時間，即TimeAir，以TimeAir的倍數(shù)產(chǎn)生隨機時間作為開始發(fā)送時間基準，當時間未到達時節(jié)點處于休眠狀態(tài)；

（3）當隨機時間計時達到時開啟CAD偵聽，8路信道掃描偵聽如果，CAD不觸發(fā)則說明當前信道可以發(fā)送數(shù)據(jù)，從8路信道中選擇最“干凈”的進行數(shù)據(jù)發(fā)送；

（4）如果CAD偵聽觸發(fā)則說明當前信道忙，設(shè)備不發(fā)送數(shù)據(jù)，重復(fù)（2）操作，正常時重復(fù)（3）操作。

5 結(jié) 語

該方案采用類似CSMA/CA的機制，結(jié)合LoRa網(wǎng)關(guān)SX1301，支持8通道硬件特點，進行不同通道信號偵聽過程，融合跳頻特點，提高通信過程網(wǎng)絡(luò)健壯性。相對于單純的LoRaWAN協(xié)議，該方案在通信MAC層上優(yōu)化了通信競爭，降低了網(wǎng)絡(luò)干擾，提高了LoRa設(shè)備通信信道利用率；同時，結(jié)合LoRa ADR功能進行擴頻因子、通信過程發(fā)射功率適配，降低環(huán)境中的信號干擾及多徑效應(yīng)，使網(wǎng)絡(luò)性能得到更大提升。該方案在高擴頻因子數(shù)下，網(wǎng)關(guān)丟包率大大降低；在不破壞LoRaWAN的基礎(chǔ)上增加通信碰撞規(guī)避機制，使得原有設(shè)備在提高網(wǎng)絡(luò)容量的同時也可以與其他標準化LoRaWAN設(shè)備進行無縫接入。相同測試環(huán)境下，10個設(shè)備在SF12時采用該方案的丟包率為1%～3%；不采用該方案測試時，丟包率超20%。實踐證明，該方案為系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)提供了可靠保障。