面向LoRa的物聯網平臺研究

朱慶華+景妮琴+常瑩

摘要：該文面向LoRa的物聯網平臺，將平臺分解為用戶節點終端、LoRa網關、LoRa服務器、管理平臺四個模塊。其中，傳感器和傳輸節點之間通過串口通信傳輸數據，節點接收數據之后通過LoRa調制方式發送給網關，服務器為所用設備公司提供的遠程服務器，在PC端編寫數據讀取窗口讀取服務器上接收的網關數據。最后對LoRa物聯網平臺進行了功能測試和性能測試。

關鍵詞：物聯網；LoRa；短距離通信

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）01-0075-03

1 概述

1.1 技術的提出

2013年8月，Semtech公司向業界發布了一種新型的，基于1GHz以下的超長距低功耗數據傳輸技術（簡稱LoRa）的芯片。其接受靈敏度達到了驚人的-148dbm，LoRa是由升特公司（Semtech）發布的一種專用于無線電調制解調的技術，它與其他如FSK（頻移鍵控）、GMSK（高斯最小頻移鍵控）、BPSK（二進制相移鍵控）及其派生的調制方案形成競爭關系。

LoRa融合了數字擴頻、數字信號處理和前向糾錯編碼技術，擁有前所未有的性能。此前，只有那些高等級的工業無線電通信會融合這些技術，而隨著LoRa的引入，嵌入式無線通信領域的局面發生了徹底的改變。

1.2LoRa技術優勢

LoRa技術最突出的兩個優點就是長距離和低功耗。

LoRa技術的第一個優點就是傳輸距離長。在郊區環境下，LoRa技術的傳輸距離可以達到10～15km；在城市環境下，傳輸距離也能達到3～5km。這樣的傳輸距離相比Wi-Fi、2G、3G、4G等要遠很多。LoRa技術能有這么遠的傳輸距離，得益于它工作的頻率范圍比較低，頻率低的信號波長較大，在城市中眾多建筑包圍之下產生的衰落就比較小，所以傳輸距離遠。

LoRa技術另一個優點就是低功耗。LoRa技術之所以能夠低功耗，首先是因為其發射頻率低，信號波長比較長，在傳播過程中所產生的衰落比較小，因而可以采用低功率發射；其次，LoRa采用擴頻技術，能使信號的抗多徑、抗衰落能力比較強，所以對發射功率的要求不高；最后，為達到省電的目的， 業界廣泛應用WOR（Wake on Radio） 方式—芯片周期性地進入接收模式以判斷有沒有喚醒信號（比如前導），其他時間處于Sleep模式，通過對比，采用WOR方式可以使電池壽命相比功耗同樣不高的FSK調制提高3倍以上。

1.3 LoRa WAN1.0

LoRaWAN1.0是有LoRa聯盟提出的LoRa技術規范，它定義了LoRa網絡的通信協議和系統結構。通信協議和系統結構對LoRa網絡的節點電池壽命、網絡容量、服務質量、安全性和服務的多樣性有著重要影響。

如圖1所示，LoRaWAN網絡架構是一個典型的星形拓撲結構，在這個網絡架構中，LoRa網關是一個透明的中繼，連接前端終端設備和后端中央服務器。網關與服務器通過標準IP連接，而終端設備采用單跳與一個或多個網關通信，所有的節點均是雙向通信。

LoRaWAN的終端設備服務于不同的應用，有著不同的要求。為了優化各類終端應用程序配置文件，LoRaWAN利用不同的設備類權衡網絡下行通信延遲與電池壽命。在控制或執行器類型的應用程序，所述下行鏈路通信延遲是一個重要的因素。

2 面向LoRa的物聯網平臺設計

2.1 設計原則

物聯網平臺的設計應該支持多種業務需求，既要滿足不同業務的共性需求，同時又能夠支持不同業務的個性化需求。除此之外，平臺的系統設計還應該遵循以下幾個原則：安全性原則、實用性原則、標準性原則和可擴充性原則。

2.2 面向LoRa的物聯網平臺網絡結構

如圖2所示，整個LoRa物聯網平臺分為用戶節點終端、LoRa網關、LoRa服務器、管理平臺四個模塊。其中，用戶節點終端由測試節點與數據采集傳感器相連接，用戶節點終端部署在教學樓、學生公寓及行政樓等分散的多個位置，采用星型網絡布局；LoRa網關放在網絡中心機房內，用于接收測試節點發送的數據并轉發至服務器；LoRa服務器采用設備商提供的遠程云服務器；管理平臺通過登錄遠程云服務器獲取LoRa網關的數據，并能通過平臺向節點發送消息。

3 面向LoRa的物聯網平臺實現

平臺實現的用戶終端模塊由檢測儀、測試節點和移動電源組成，用于測試LoRa網絡覆蓋質量，傳輸溫度、濕度和空氣質量數據，同時，用戶也可以通過檢測儀了解到節點位置的溫度、濕度和空氣質量情況。

3.1 檢測儀

檢測儀上的各個傳感器都是通過串口通信傳輸數據，因而整個檢測儀的數據采用串口方式傳輸，采用TTL-USB接口將檢測儀連接到PC端，通過PC端的串口調試軟件測試數據傳輸是否正常。根據檢測儀的說明書，檢測儀上傳的數據間隔為1秒，波特率9600，數據位8位，停止位1位，無校驗位。

測試結果從串口調試軟件串口數據接收獲取，根據讀取的數據，計算如下：溫度=28.0℃；濕度=31RH%；PM2.5=0μg/m3；PM10=0μg/m3；計算結果與檢測儀屏幕顯示結果完全相符。測試結果說明檢測儀串口數據上傳沒有問題。

3.2 測試節點

測試節點為基于LoRa物聯網平臺中的重要部分，它的主要功能有：通過串口與檢測儀通信；OLED顯示屏，可根據需要顯示數據；通過編程中的邏輯修改，實現LoRaMAC、PHYMAC、低功耗三個模式直接的切換；向LoRa網關發送上行數據；接收LoRa網關的下行數據；測試LoRa網絡覆蓋質量。

節點編程實現：

1） 串口驅動程序

其中核心代碼如下：endprint

串口初始化函數：void UART_Init（void）

該函數的作用為初始化串口設置，在對測試節點進行燒寫編程時對串口的波特率、數據位數、有無停止位、有無校驗位等參數進行設置，若想修改這些參數，需要對測試節點進行重新燒寫。根據檢測儀的串口參數需求，編寫代碼：

UartHandle.Instance = USARTx；

UartHandle.Init.BaudRate = 9600；

UartHandle.Init.WordLength = UART_WordLENGTH_8B；

UartHandle.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1；

UartHandle.Init.Parity = UART_PARITY_NONE；

UartHandle.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE；

UartHandle.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX；

串口發送函數的關鍵語句為：

uint16_t i = 0 ；

for（i = 0；i

{ USART1→TDR = （uint8_t）（str[i]）；

while（ HAL_USART_GET_FLAG（USART1，UART_FLAG_TC）== RESET）；}

2） 屏幕驅動程序

其中的核心函數如下：

void OLED_Init（void）

此函數為OLED的初始化函數，用于配置OLED引腳，設置對比度、掃描方向、亮度的參數。若想對OLED的基本參數進行改動，需修改此函數中的內容并重新燒寫。

void OLED_DrawPoint（u8 x，u8 y，u8 t）

void OLED_ShowChar（u8 x，u8 y，u8 chr，u8 size，u8 mode） //單個字符顯示

此函數的功能為控制OLED顯示屏在（x，y）坐標的位置顯示一個字符。核心代碼如下：

for（t=0；t

{ if（size==12）temp=asc2_1206[chr][t]； // Font 1206

else if（size==16）temp=asc2_1608[chr][t]； // Font 1206

else if（size==24）temp=asc2_2412[chr][t]； // Font 1206

else return； //Not word stock

for（t1=0；t1<8；t1++）

{ if（temp&0x80）OLED_DrawPoint（x，y，mode）；

else OLED_DrawPoint（x，y，！mode）；

temp<<=1；

y++；

if（（y-y0）==size）

{ y=y0；

x++；

break；}}

void OLED_ShowString（u8 x，u8 y，const u8 *p，u8 size） //顯示需要的數據

{ while（（*p<='～'）&&（*p>=' '）） //Determine whether illegal

{ if（x>（128-（size/2）））{x=0；y+=size；}

if（y>（64-size））{y=x=0；OLED_Clear（）；}

OLED_ShowChar（x，y，*p，size，1）；

x+=size/2；

p++；} }

3） LoRa頻點、信道設置

測試節點支持LoRaMAC工作模式，LoRaMAC工作模式又分為LoRa調制和FSK調制兩種，本次所建的LoRa物聯網平臺采用LoRa調制。實現LoRaMAC工作模式設置的程序寫在app_oasl.c文件中，其核心代碼如下：

//設置LoRaMAC工作模式（LoRa調制）

//設置信道1

g_macData.channels[0].Frequency = 779500000；//頻點

//速率范圍：（（最高速率<<4丨最低速率））

g_macData.channels[0].DrRange.Value = （ （ DR_5 << 4 ） | DR_0 ）；

g_macData.channels[0].Band = 0；

4） 串口數據讀取

串口數據讀取的程序語句如下：

switch（step）

{ case 0：

if（ch == 0xFF）

{ step++；

uart1_Rxcount= 0；

memset（uart1_rxBuf，0，80）；//????????

uart1_rxBuf[uart1_Rxcount] = ch；

uart1_Rxcount++；}

break；

case 1：

uart1_rxBuf[uart1_Rxcount++] = ch；

if（uart1_rxBuf[8]==0x79）//跳過無用幀

step=0；

if（uart1_Rxcount==12）

……

for（uint8_t i=0；i<13；i++）

{ sprintf（（char*）temp_buf+len，"%X"，uart1_rxBuf[i]）；//bandwidth

len=strlen（（char*）temp_buf）；}

OLED_ShowString（0，24，（u8*）temp_buf，12）；

OLED_Refresh_Gram（）；

5） 串口數據發送

串口數據讀取完畢后，調用osal_set_event函數啟動發包程序。由于檢測儀上傳串口數據的頻率固定為1秒1幀，而測試節點采用LoRa模式發送數據的頻率遠遠低于檢測儀上傳串口數據的頻率。為保證測試節點不出現死機的情況，設置為可以丟包但是不會死機的工作模式，以保證測試節點正常工作。

3.3 用戶節點終端模塊整體測試

用戶節點終端模塊由檢測儀和測試節點組成，在完成對檢測儀和測試節點的編程、調試工作后，需對用戶節點終端模塊整體進行測試。

將測試節點上的4PIN串口數據線按照GND-GND，5V-5V，TX-RX，RX-TX的順序連接。串口數據線連接完成后，將移動電源的Micro-USB口連接至檢測儀，打開移動電源和檢測儀的開關，測試節點已經正確地讀取到了檢測儀上傳的串口數據。由此可得，用戶節點終端模塊工作正常。

3.4 LoRa 網關

為了方便管理和調試LoRa網關，網關上設有USB-B型接口，通過使用USB打印線可以將網關和PC相連接。PC終端與LoRa網關連接成功后，首先在PC 終端的設備管理器中查詢到PC終端與LoRa網關連接的串口號。連接后采用的調試軟件為Putty。設置相應參數進行連接管理。

常用指令gw info顯示LoRa網關的基本信息，包括ID，DTU版本，GWM 版本（硬件/軟件），地理位置信息。指令gw ip顯示LoRa網關的IP 信息，包括網絡連接類型，IP 地址，子網掩碼，默認網關。指令gw ping測試LoRa網關與服務器的連接情況。

3.5 LoRa服務器

基于LoRa的物聯網平臺使用的遠程云服務器主要功能有：實現中心網管平臺功能；實現LoRaWAN MAC部分；負責Gateway網關及配置工作，Mote配置及OTA與應用服務器數據交互。

3.6 管理平臺

管理平臺對網絡中各個用戶的節點終端進行管理。面向LoRa物聯網網絡的需求，管理平臺具有以下功能：

1） 服務器安全驗證

管理平臺所有功能的前提是登錄LoRa遠程云服務器，為保證數據安全，管理平臺登錄服務器時應驗證登錄信息并反饋。根據上一節內容，CS需要間隔60秒向AS發送登錄信息，這樣就確保了信息的安全。

2） 測試節點管理功能

管理平臺中應當對所有通過LoRa網關接入服務器的測試節點進行列表管理。通過選中測試節點，可以實現查看測試節點所發數據、向測試節點發送數據的功能。為了測試LoRa網絡的覆蓋質量，測試節點在發送數據時會將頻點、帶寬、碼率等信息一起發送到LoRa網關。服務器也應該具有讀取這些數據的功能，以方便和用戶節點終端進行對比，進而檢測LoRa網絡的覆蓋質量。

3） 對測試節點所發數據的處理功能

測試節點所攜帶的有效數據，根據上文所述，是一串HEX編碼的十六進制數據幀。為了更直觀地在管理平臺展示溫度、濕度和空氣質量這些數據，管理平臺需要對數據幀進行處理。通過上文所述的計算方法，管理平臺可以正確地顯示實際的數據。

4） 根據測試節點ID進行篩選

由于一個LoRa服務器可以接入很多的LoRa網關，一個網關又支持上千個測試節點接入，所以在服務器端會有很多的測試節點。服務器辨別各個測試節點的依據就是每個測試節點獨一無二的ID，根據測試節點ID選擇某個位置的測試節點比較繁瑣。為了解決這個問題，管理平臺應該具有根據節點ID進行篩選的功能，方便管理員通過按鈕直接訪問特定的測試節點。

4 結束語

本文進行了LoRa物聯網平臺的需求分析，針對需求，對物理網平臺進行了總體設計，將平臺分解為用戶節點終端、LoRa網關、LoRa服務器、管理平臺四個模塊。其中，傳感器和傳輸節點之間通過串口通信傳輸數據，節點接收數據之后通過LoRa調制方式發送給網關，服務器為所用設備公司提供的遠程服務器，在PC端編寫數據讀取窗口讀取服務器上接收的網關數據。

參考文獻：

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