面向LoRa自組網(wǎng)的交通監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：為將LoRa無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用在交通監(jiān)控系統(tǒng)中，以提高交通監(jiān)控系的靈活性和智能化，設(shè)計(jì)一種面向中心節(jié)點(diǎn)的自組網(wǎng)系統(tǒng)。該組網(wǎng)協(xié)議主要包括網(wǎng)絡(luò)管理和數(shù)據(jù)上報(bào)2部分。網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)、節(jié)點(diǎn)被動(dòng)退網(wǎng)主動(dòng)退網(wǎng)。為保證通信的時(shí)效性，數(shù)據(jù)上報(bào)環(huán)節(jié)設(shè)置多個(gè)通信信道。同時(shí)根據(jù)入網(wǎng)順序，配置每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上報(bào)窗口，保證數(shù)據(jù)的有序傳輸。對(duì)于硬件系統(tǒng)，采用STM32F103系列單片機(jī)作為主控，并利用SX1278芯片設(shè)計(jì)其對(duì)應(yīng)的LoRa通信電路。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)表明該系統(tǒng)可以靈活地對(duì)車(chē)輛檢測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自適應(yīng)組網(wǎng)，而且通信時(shí)延滿足通信模型要求，系統(tǒng)穩(wěn)定性較高。

關(guān)鍵詞：車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)；自組網(wǎng)；LoRa；SX1278；STM32

中圖分類號(hào)：TN914.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）27-0026-07

Abstract： In order to apply LoRa wireless communication technology to traffic monitoring system and improve traffic monitoring system flexibility and intelligence， a central node-oriented ad hoc network system is designed. Its networking protocol mainly includes two parts： network management and data reporting. Network management realizes node entry， node passive withdrawal and active withdrawal. In order to ensure the timeliness of communication， a number of communication channels are set up in the data reporting link. At the same time， according to the order of entering the network， the data reporting window of each node is configured to ensure the orderly transmission of data. For the hardware system， the STM32F103 series single-chip microcomputer is used as the main control， and the corresponding LoRa communication circuit is designed by using SX1278 chip. Finally， the system is tested by experiments， and the test data show that the system can flexibly network the vehicle detection nodes， and the communication delay meets the requirements of the communication model， and the system has high stability.

Keywords： traffic monitoring system; ad hoc network; LoRa; SX1278; STM32

交通監(jiān)控系統(tǒng)的終端設(shè)備主要包括信號(hào)機(jī)和車(chē)輛檢測(cè)裝置。其可通過(guò)檢測(cè)路口車(chē)輛數(shù)據(jù)，引導(dǎo)車(chē)輛行駛，以提高道路通行效率和交通安全性[1-2]。而常見(jiàn)的交通監(jiān)控系統(tǒng)為固定式系統(tǒng)，在某些情況下可能存在一些穩(wěn)定性問(wèn)題，例如，系統(tǒng)通常過(guò)度依賴于電力系統(tǒng)供應(yīng)，如果出現(xiàn)電力故障或斷電情況，就可能無(wú)法正常工作，從而影響交通流量的控制和管理；硬件組件可能會(huì)出現(xiàn)故障，如電路板損壞、傳感器故障等[3]。這些故障可能導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法準(zhǔn)確地感知交通狀況或無(wú)法正確地控制信號(hào)燈，從而影響交通的順暢性和安全性。當(dāng)出現(xiàn)以上情況，期間常引入移動(dòng)式交通監(jiān)控設(shè)備以應(yīng)對(duì)這些突發(fā)情況。這些設(shè)備應(yīng)用靈活，可以彌補(bǔ)固定式系統(tǒng)的不足。但是傳統(tǒng)的移動(dòng)式交通監(jiān)控系統(tǒng)常是離線式的，缺乏智能化功能。鑒于LoRa通信低功耗、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)[4-6]，將其和移動(dòng)式系統(tǒng)結(jié)合，從而帶來(lái)以下優(yōu)勢(shì)：①移動(dòng)式系統(tǒng)通過(guò)LoRa通信技術(shù)可在未布設(shè)線纜的情況下，將采集到的交通數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)街行目刂葡到y(tǒng)或路邊計(jì)算單元。這使得交通數(shù)據(jù)的處理更加高效，交通管理人員可以及時(shí)了解交通狀況，作出相應(yīng)的調(diào)整和決策[7]。②通過(guò)LoRa通信技術(shù)可以與中心控制系統(tǒng)或其他設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程連接，實(shí)現(xiàn)整體交通調(diào)度和管理。交通管理人員可以通過(guò)遠(yuǎn)程控制移動(dòng)式信號(hào)機(jī)的工作模式、信號(hào)燈的時(shí)序等參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)交通流量的優(yōu)化和協(xié)調(diào)[8]。

加入LoRa通信技術(shù)，移動(dòng)式交通監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理和遠(yuǎn)程連接，提高交通管理的智能化水平和適應(yīng)性[9-10]。這使其成為一個(gè)更加靈活、智能、可靠的交通管理工具。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種LoRa自組網(wǎng)系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到移動(dòng)式交通監(jiān)控系統(tǒng)中， 使其能夠適配城市中各種復(fù)雜的路口環(huán)境。

1 LoRa通信模型

在城市的交通監(jiān)控系統(tǒng)中，信號(hào)機(jī)對(duì)各類車(chē)輛檢測(cè)器采集的實(shí)時(shí)交通流信息有著高度的依賴性。每個(gè)交口道路至少配備一個(gè)或多個(gè)交通流檢測(cè)點(diǎn)，這些檢測(cè)點(diǎn)的信息需要實(shí)時(shí)傳輸至信號(hào)機(jī)。而且城市路口的種類多樣，如T型路口、十字路口、環(huán)形路口等，不同種類的路口其交通流模式、車(chē)輛數(shù)量、信號(hào)燈控制邏輯等方面都存在著顯著差異，這使得數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施多樣化。為此數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)需要具備高度的靈活性和自適應(yīng)性，能夠根據(jù)不同路口特性和實(shí)時(shí)交通情況，進(jìn)行有效的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和參數(shù)配置。以十字路口為例，由于每個(gè)進(jìn)口道需設(shè)置多種檢測(cè)點(diǎn)，同時(shí)還需考慮信號(hào)機(jī)與移動(dòng)式特殊浮動(dòng)車(chē)輛通信的需求。數(shù)據(jù)通信網(wǎng)形成了一個(gè)1對(duì)N的星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

在交通信號(hào)控制環(huán)節(jié)，交通流信息包括：車(chē)輛狀態(tài)、車(chē)輛停留時(shí)間、交通流量、占有時(shí)間及占有率等數(shù)據(jù)。其中，占有時(shí)間和占有率在自適應(yīng)交通信號(hào)控制中是關(guān)鍵參數(shù)，它們的精確性取決于每一輛車(chē)在檢測(cè)點(diǎn)停留的時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，車(chē)輛檢測(cè)器主要負(fù)責(zé)傳輸車(chē)輛狀態(tài)，而信號(hào)機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)算車(chē)輛停留時(shí)間。考慮到城市道路的實(shí)際情況，車(chē)輛狀態(tài)時(shí)間的計(jì)算誤差必須在100 ms以內(nèi)[11]。這就意味著，車(chē)輛檢測(cè)器在識(shí)別到車(chē)輛狀態(tài)變化后，必須在100 ms內(nèi)將信息傳輸出去。顯然，這對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性提出了很高的要求。

所設(shè)計(jì)的LoRa無(wú)線車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)主要包括集中器（中心節(jié)點(diǎn)）、車(chē)輛檢測(cè)器（固定檢測(cè)節(jié)點(diǎn)）、浮動(dòng)車(chē)輛通信模塊（移動(dòng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)）。其中，集中器通過(guò)LoRa無(wú)線接收其余節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)據(jù)并通過(guò)有線與信號(hào)機(jī)通信；車(chē)輛檢測(cè)器分布在各路口固定位置，為了減少鏈路上的通信時(shí)延，選取其中距離集中器最近的檢測(cè)器作為路由檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，其余同路口節(jié)點(diǎn)通過(guò)有線與路由節(jié)點(diǎn)互連，這些節(jié)點(diǎn)稱為邊緣檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)要求上電后能夠自動(dòng)并網(wǎng)，掉電后自動(dòng)退網(wǎng)，浮動(dòng)車(chē)輛通信模塊作為移動(dòng)通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)入路口后能夠自動(dòng)并網(wǎng)上傳數(shù)據(jù)，超出集中器管控區(qū)間后可自動(dòng)退網(wǎng)；中心節(jié)點(diǎn)與檢測(cè)節(jié)點(diǎn)形成一對(duì)多的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。

為了在信號(hào)無(wú)碰撞的情況下降低通信時(shí)延，因此不采用一主多從的輪詢制架構(gòu)。而是通過(guò)時(shí)隙劃分，每個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)在分配的時(shí)隙窗口內(nèi)主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)。根據(jù)文獻(xiàn)[12]可知，LoRa 傳輸總持續(xù)時(shí)間toa由2部分組成，分別是前導(dǎo)碼持續(xù)時(shí)間tpreamble和負(fù)載持續(xù)時(shí)間tpayload，對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式為公式（1）、公式（2）和公式（3）。

式中：ceil為向上取整運(yùn)算；max為取最大值運(yùn)算；SF為擴(kuò)頻因子；BW為帶寬，kHz；Npreamble為前導(dǎo)碼數(shù)；Npayload為載荷量，byte；NCRC為循環(huán)冗余校驗(yàn)碼位數(shù)；CR為編碼速率。H=0時(shí)，表示使用報(bào)文頭，H=1時(shí)；表示不使用報(bào)文頭；DE=0時(shí)，表示啟用低數(shù)據(jù)速率優(yōu)化，DE=１時(shí)，表示不啟用低數(shù)據(jù)速率優(yōu)化。

以擴(kuò)頻因子SF為7、帶寬BW為500 kHz、前導(dǎo)碼數(shù)Npreamble為7、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼位數(shù)NCRC為16、編碼速率CR為 4，計(jì)算得出節(jié)點(diǎn)傳輸一次車(chē)檢數(shù)據(jù) （14字節(jié)） 所耗費(fèi)的時(shí)間約為15.17 ms，考慮到實(shí)際環(huán)境可能存在偏差，對(duì)時(shí)隙留有一定余量，將報(bào)文時(shí)隙長(zhǎng)度設(shè)置為20 ms，為了保證在100 ms內(nèi)完成信息傳送，此時(shí)一個(gè)信道最多只能包括5個(gè)時(shí)隙，其中第一個(gè)時(shí)隙中心節(jié)點(diǎn)用于發(fā)送同步報(bào)文，故每個(gè)信道一個(gè)周期只支持4個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上報(bào)，為此集中器需支持多條信道。這里集中器共設(shè)計(jì)了5條信道分別是信道0至信道4。其中信道0用于自適應(yīng)組網(wǎng)，信道4用于與控制器或路邊計(jì)算單元通信，信道1至信道3用于檢測(cè)節(jié)點(diǎn)上報(bào)數(shù)據(jù)。上報(bào)數(shù)據(jù)的信道時(shí)隙分配如圖3所示。

為了提高各檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)速度，這里單獨(dú)設(shè)置信道0為組網(wǎng)信道。各檢測(cè)節(jié)點(diǎn)通電后均切換到信道0，等待中心節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)探測(cè)報(bào)文。節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到后，需應(yīng)答入網(wǎng)請(qǐng)求報(bào)文。為解決多節(jié)點(diǎn)同時(shí)應(yīng)答產(chǎn)生沖突的問(wèn)題，引入載波監(jiān)聽(tīng)技術(shù)。即節(jié)點(diǎn)應(yīng)答前先監(jiān)聽(tīng)判斷信道是否空閑，若空閑則發(fā)送，否則退避隨機(jī)時(shí)間后，重復(fù)執(zhí)行載波監(jiān)聽(tīng)策略。對(duì)應(yīng)監(jiān)聽(tīng)時(shí)間和退避時(shí)間本文通過(guò)產(chǎn)生隨機(jī)時(shí)間進(jìn)行配置，且以20 ms作為基本時(shí)間單元，一個(gè)周期的最大時(shí)長(zhǎng)為200 ms。中心節(jié)點(diǎn)收到入網(wǎng)請(qǐng)求報(bào)文后，發(fā)送入網(wǎng)配置報(bào)文。相應(yīng)節(jié)點(diǎn)收到后，根據(jù)報(bào)文數(shù)據(jù)跳轉(zhuǎn)到指定信道，完成入網(wǎng)。入網(wǎng)時(shí)序如圖4所示。

入網(wǎng)成功后，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)入網(wǎng)配置報(bào)文切換到指定頻段，本文以切換到頻段1為例。為保證所有入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步，中心節(jié)點(diǎn)需先發(fā)送同步報(bào)文同步各節(jié)點(diǎn)上報(bào)時(shí)隙。隨后在100 ms內(nèi)完成所有入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，故檢測(cè)節(jié)點(diǎn)切換頻段成功后，所有該頻段的節(jié)點(diǎn)均等待監(jiān)聽(tīng)集中器發(fā)送的同步報(bào)文。由于同步報(bào)文中含有該頻段所有節(jié)點(diǎn)的ID，并按照需要的發(fā)送順序進(jìn)行排列。故檢測(cè)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽(tīng)到同步報(bào)文后，會(huì)根據(jù)報(bào)文中本節(jié)點(diǎn)所在順序設(shè)置發(fā)送窗口，具體上報(bào)時(shí)隙如圖5所示。

數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)故障或者掉電等情況，此時(shí)在上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)上報(bào)超時(shí)，具體通信時(shí)隙如圖6所示。集中器當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到某節(jié)點(diǎn)傳輸超時(shí)后，會(huì)對(duì)該節(jié)點(diǎn)的故障計(jì)數(shù)進(jìn)行加1處理，當(dāng)計(jì)數(shù)值超過(guò)設(shè)定的最大閾值時(shí)，將該節(jié)點(diǎn)的信息從網(wǎng)絡(luò)中刪除，此時(shí)再發(fā)送同步報(bào)文時(shí)，不再含有該節(jié)點(diǎn)的ID。若下一刻節(jié)點(diǎn)恢復(fù)正常，當(dāng)監(jiān)聽(tīng)到同步報(bào)文中不含有自身節(jié)點(diǎn)ID時(shí)，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)將頻段切換到頻段0，等待探測(cè)報(bào)文重新入網(wǎng)。當(dāng)循環(huán)多次，節(jié)點(diǎn)不斷退網(wǎng)，該節(jié)點(diǎn)將切換到總線脫離狀態(tài)，不在執(zhí)行入網(wǎng)邏輯。

部分節(jié)點(diǎn)在特殊情況下，如檢測(cè)到設(shè)備故障，可發(fā)送退網(wǎng)報(bào)文以完成退網(wǎng)。發(fā)送時(shí)機(jī)為所分配的上報(bào)時(shí)隙。當(dāng)集中器收到退網(wǎng)報(bào)文后，會(huì)更新網(wǎng)絡(luò)配置，將該節(jié)點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)中刪除，故下次發(fā)送同步報(bào)文時(shí)，將不再包含該節(jié)點(diǎn)ID。下個(gè)上報(bào)周期中，此節(jié)點(diǎn)收到同步報(bào)文后，檢測(cè)到不含自身節(jié)點(diǎn)ID，則完成退網(wǎng)。通信時(shí)隙如圖7所示。

對(duì)于信道4，其用于和路邊計(jì)算單元通信。為了能夠適配各種控制系統(tǒng)，集中器集成了標(biāo)準(zhǔn)的Modbus-RTU從機(jī)協(xié)議，可通過(guò)3功能碼獲得檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)16功能碼對(duì)信號(hào)機(jī)進(jìn)行控制。

2 數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)上報(bào)報(bào)文幀結(jié)構(gòu)

同步報(bào)文的幀結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。該報(bào)文負(fù)責(zé)同步各檢測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)隙起始時(shí)間，其功能碼為0x5。報(bào)文中事務(wù)管理標(biāo)識(shí)占據(jù)2個(gè)字節(jié)，每次發(fā)送同步幀時(shí)該字段加1。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量段為當(dāng)前頻段入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)ID字段為上報(bào)數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)ID，其排列順序按照節(jié)點(diǎn)發(fā)送順序排列。CRC校驗(yàn)字段為CRC-16算法計(jì)算獲得的校驗(yàn)碼。由于每個(gè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l段最多支持4個(gè)節(jié)點(diǎn)（N=4），故同步報(bào)文的最大字節(jié)數(shù)為14。

固定節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)報(bào)文幀結(jié)構(gòu)見(jiàn)表2。固定檢測(cè)節(jié)點(diǎn)上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)使用該報(bào)文，其功能碼為0x6。事務(wù)管理標(biāo)識(shí)和收到的同步報(bào)文一致。固定檢測(cè)節(jié)點(diǎn)ID為自身節(jié)點(diǎn)ID，占據(jù)2個(gè)字節(jié)。節(jié)點(diǎn)類型1個(gè)字節(jié)，其可標(biāo)定所在路口位置，后6個(gè)字節(jié)為檢測(cè)的數(shù)據(jù)，每個(gè)字節(jié)的含義可根據(jù)不同需求進(jìn)行定義。最后為2個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)碼。

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)報(bào)文幀結(jié)構(gòu)見(jiàn)表3。移動(dòng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)使用該報(bào)文，其功能碼為0x7。事務(wù)管理標(biāo)識(shí)和收到的同步報(bào)文一致。移動(dòng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)ID為車(chē)輛唯一標(biāo)識(shí)，占據(jù)2個(gè)字節(jié)。由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型多樣，故增加數(shù)據(jù)類型字段，其占用1個(gè)字節(jié)。后6個(gè)字節(jié)為對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。最后為2個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)碼。

2.2 網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文幀結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文包括入網(wǎng)探測(cè)報(bào)文、入網(wǎng)請(qǐng)求報(bào)文、入網(wǎng)配置報(bào)文和退網(wǎng)請(qǐng)求報(bào)文。其中入網(wǎng)檢測(cè)報(bào)文幀格構(gòu)見(jiàn)表4，功能碼為0x1。其內(nèi)部還包括中心節(jié)點(diǎn)ID和CRC校驗(yàn)碼，各占2個(gè)字節(jié)。中心節(jié)點(diǎn)在頻段0，每間隔固定時(shí)間t發(fā)送1次入網(wǎng)探測(cè)報(bào)文。

進(jìn)入中心節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍的路由檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)收到入網(wǎng)探測(cè)報(bào)文后，發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求報(bào)文。其幀結(jié)構(gòu)見(jiàn)表5，其功能碼為0x2。該幀結(jié)構(gòu)中心節(jié)點(diǎn)ID字段和收到探測(cè)報(bào)文的中心節(jié)點(diǎn)ID一致。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)ID為自身ID，共2個(gè)字節(jié)。最后2個(gè)字節(jié)為CRC校驗(yàn)碼。

中心節(jié)點(diǎn)收到入網(wǎng)請(qǐng)求報(bào)文后，首先校驗(yàn)報(bào)文中心節(jié)點(diǎn)ID和自身ID是否一致。無(wú)誤后發(fā)送入網(wǎng)配置報(bào)文，其幀結(jié)構(gòu)見(jiàn)表6，功能碼為0x3。中心節(jié)點(diǎn)ID字段和CRC校驗(yàn)碼字段各占2個(gè)字節(jié)。目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)頻段字段占1個(gè)字節(jié)，其為入網(wǎng)后網(wǎng)絡(luò)頻段ID，范圍為1～3。

為了充分利用時(shí)隙資源，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到異常時(shí)，需發(fā)送退網(wǎng)請(qǐng)求報(bào)文，其幀結(jié)構(gòu)見(jiàn)表7，功能碼為0x4，其余內(nèi)容和入網(wǎng)請(qǐng)求報(bào)文一致。

3 硬件電路

集中器和檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的控制單元均可采用STM32F103系列單片機(jī)。集中器需要接收檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，處理后再將數(shù)據(jù)借助RS485電路傳輸給信號(hào)機(jī)主板。其中LoRa電路采用SX1278芯片，該芯片支持多個(gè)頻段（如433、868和915 MHz等常用頻段），提供了長(zhǎng)距離傳輸和低功率的能力，同時(shí)還集成了LoRa調(diào)制解調(diào)器、前向糾錯(cuò)編碼和擴(kuò)頻技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高效可靠通信。SX1278芯片與單片機(jī)采用SPI通信，部分LoRa模組還增加了獨(dú)立的單片機(jī)以驅(qū)動(dòng)LoRa，然后通過(guò)串口接收主控器控制指令。集中器電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)借助RS485電路實(shí)現(xiàn)車(chē)輛檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集和邊緣檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。LoRa電路和集中器中的LoRa電路相同。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的電路結(jié)構(gòu)圖如圖9所示。對(duì)于具體的電路實(shí)現(xiàn)、最小系統(tǒng)和調(diào)試輔助電路不再說(shuō)明。而是對(duì)電源電路、RS485電路、LoRa通信電路進(jìn)行介紹。

圖10為具有寬電壓輸入的電源穩(wěn)壓電路，輸入電壓范圍可支持10 V至30 V，輸出電壓包括5 V和3.3 V。為提高電源穩(wěn)定性，電源電路需具備過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、防反接和抗共模干擾等功能。為此增加了自恢復(fù)保險(xiǎn)、壓敏電阻、防反接二極管和共模電感等器件。5 V穩(wěn)壓芯片使用的是 TD1509-5；3.3 V穩(wěn)壓芯片使用的是LM1117-3.3 V。

圖11為RS485電路，該電路采用 MAX3483芯片，該芯片供電電壓為3.3 V，可以更好地兼容STM32F103系列單片機(jī)的引腳電平。由于RS485為半雙工通信，故設(shè)置485_DIR引腳用于控制通信方向。

圖12為SX1278芯片的LoRa無(wú)線通信電路。其中SX1278供電電壓為3.3 V，外部晶振頻率為32 MHz，其接收電路接至RFI_LF引腳，發(fā)射電路由PA_BOOST引腳引出，輸出功率可以達(dá)到20 dBm。通信的方向切換由射頻開(kāi)關(guān)PE4259實(shí)現(xiàn)，其控制端經(jīng)過(guò)1K電阻與RXTX引腳相接。SPI通信的引腳包括SCK、MISO、MOSI和NSS，除此之外還有一些輔助功能IO引腳需要與單片機(jī)相接。這些引腳可通過(guò)軟件配置實(shí)現(xiàn)不同功能，比如DIO0可設(shè)置成數(shù)據(jù)接收后或發(fā)送完成后的中斷引腳。為降低主控芯片的計(jì)算負(fù)荷，每路LoRa還可增加獨(dú)立的單片機(jī)，并集成LoRa控制驅(qū)動(dòng)程序，通過(guò)AT指令接收主控器的控制命令。

4 有效性分析

用于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的測(cè)試板如圖13所示。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)組網(wǎng)協(xié)議的有效性，測(cè)試板包括2路LoRa即可，分別實(shí)現(xiàn)邊緣檢測(cè)節(jié)點(diǎn)探測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸。撥碼開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)對(duì)2路LoRa通信頻段的配置。對(duì)于檢測(cè)節(jié)點(diǎn)也采用該測(cè)試板，采用一路LoRa通信即可。除此之外還集成了一路RS485電路，集成了標(biāo)準(zhǔn)的Modbus-RTU協(xié)議，用于調(diào)試與信號(hào)機(jī)主板、檢測(cè)裝置、邊緣檢測(cè)節(jié)點(diǎn)或者上位機(jī)顯示系統(tǒng)的通信。實(shí)驗(yàn)分別從傳輸時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)管控2個(gè)方面對(duì)協(xié)議的有效性進(jìn)行分析。

4.1 傳輸時(shí)延

以500 m為測(cè)試距離，測(cè)試發(fā)送數(shù)據(jù)量為5、8、11和14 byte時(shí)，一個(gè)請(qǐng)求應(yīng)答周期所產(chǎn)生的時(shí)間（請(qǐng)求和應(yīng)答數(shù)據(jù)量相同）。由表8可知，4種數(shù)據(jù)量的實(shí)際持續(xù)時(shí)間大于理論持續(xù)時(shí)間，但是差異不大，且14 byte時(shí)實(shí)際持續(xù)時(shí)間為33.82 ms，其值小于40 ms。對(duì)于所設(shè)計(jì)的報(bào)文中，字節(jié)數(shù)量最大值為14，故通信信道時(shí)隙分配滿足系統(tǒng)要求。

4.2 網(wǎng)絡(luò)管理

為了直觀驗(yàn)證所設(shè)計(jì)組網(wǎng)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)管理能力，利用威綸通觸摸屏（TK8071IP）對(duì)組網(wǎng)數(shù)據(jù)和過(guò)程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，圖14為檢測(cè)畫(huà)面。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括檢測(cè)節(jié)點(diǎn)ID、檢測(cè)節(jié)點(diǎn)類型、最大故障計(jì)數(shù)和所在頻段。故障計(jì)數(shù)閾值為手動(dòng)配置。通過(guò)該系統(tǒng)完成了檢測(cè)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)過(guò)程、掉電退網(wǎng)、主動(dòng)退網(wǎng)和運(yùn)行穩(wěn)定性的功能性測(cè)試。驗(yàn)證過(guò)程中發(fā)現(xiàn)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后，間斷性出現(xiàn)通信故障（包括傳輸超時(shí)和檢驗(yàn)錯(cuò)誤），但是通過(guò)對(duì)入網(wǎng)后24 h的故障計(jì)數(shù)值進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)其最大值為2，未出現(xiàn)故障退網(wǎng)情況（超出故障計(jì)數(shù)閾值）。故該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

對(duì)于需要?jiǎng)討B(tài)部署車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)的情況，設(shè)計(jì)了一種面向LoRa通信的自適應(yīng)組網(wǎng)協(xié)議。首先闡述了LoRa無(wú)線車(chē)輛監(jiān)控系統(tǒng)的通信模型，然后從時(shí)隙分配、通信時(shí)序、報(bào)文幀結(jié)構(gòu)和硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4個(gè)方面對(duì)所設(shè)計(jì)的協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)闡述。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)，從傳輸時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)管控2個(gè)方面對(duì)協(xié)議的有效性進(jìn)行分析。結(jié)果表明面向LoRa自組網(wǎng)的交通監(jiān)控系統(tǒng)可以靈活地對(duì)車(chē)輛檢測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自適應(yīng)組網(wǎng)，且系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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