基于LoRa的農田信息無線采集方案設計

，

(武漢理工大學 理學院，武漢 430070)

0 引言

農業物聯網集信息感知、數據傳輸、智能信息處理技術于一體，作為物聯網的一個重要發展方向，受到了廣泛關注。隨著農業物聯網技術的發展，如何降低設備成本和功耗，如何提高無線網絡的傳輸距離、傳輸效率、電池壽命和可靠性等諸多問題成為農業信息化發展面臨的全新挑戰。無線傳感器網絡(WSN,wireless sensor network)作為物聯網的關鍵技術在農業方面已有大量的應用研究，由于傳統的WSN采用ZigBee、WiFi、Bluetooth等無線通信技術，在通信距離、功耗、抗干擾和組網規模上存在局限性，面對地域廣闊、分布不集中、自然環境惡劣的農業應用場合，傳統的無線通信技術已經無法滿足農業物聯網的發展需求[1-3]。

低功耗廣域網(LPWAN，low power wide area network)技術作為新興的物聯網無線接入技術，與傳統的無線技術相比具有傳輸距離遠、功耗低、成本低、覆蓋容量大等優點。適合于長距離、低功率和低數據傳輸速率的應用場合。目前LPWAN技術包括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據傳輸技術，其工作頻段在1 GHz以下，采用線性擴頻調制技術具有抗干擾、保密性強、抗多徑效應等特點。其接收靈敏度高，解決了傳統無線通信設計方案無法同時兼顧距離、抗干擾和功耗的問題，擁有廣泛的應用前景[5]。

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

1 系統結構

基于LoRa的無線信息采集系統用于實現農田信息的精準測量，其總體結構設計如圖1所示，包括傳感器節點、網關、服務器。網關負責網絡的建立與維護，傳感器節點通過無線方式申請入網，與網關建立通信連接。傳感器節點分布在田間進行農田信息采集，并將采集到的信息發送至網關，網關將節點數據匯總后進行處理、存儲，網關通過串口、以太網或GPRS與服務器相連。無線網絡采用多頻段TDMA(time division multiple access)接入方式，劃分多個子網，在子網中每個網關與節點組建星型網絡，節點周期性地將數據上傳到網關，服務器通過調用網關數據對采集到的數據進行處理，分析每個接入節點的狀態，并轉換成有價值的信息，供用戶訪問使用，從而實現了農田信息的無線采集。

圖1 系統結構圖

2 無線網絡設計原理及方案

2.1 網絡設計指標

針對該農田信息無線采集系統自身特點,以及它的工作環境，系統網絡設計的主要技術指標如下：

1)低功耗，由于傳感器節點所處的工作環境需采用電池供電方式，能量有限，保證系統硬件正常工作和適當的傳輸距離，應盡量降低功耗，延長電池壽命。

2)遠距離，由于農田現場地域廣闊，通信距離的限制以及障礙物的遮擋等環境因素的影響使得傳輸質量變差，影響數據傳輸距離，需要無線通信有較強的抗干擾能力和較遠的通信距離，提高網絡覆蓋范圍。

3)易擴展，節點數據能夠無線上傳到網關，同時保證網絡容量，應降低組網難度，提高組網效率，使用靈活，能夠擴展到更多的應用領域。

2.2 網絡結構設計

網絡拓撲結構根據無線通信特點、應用需求進行設計。LoRa通信傳輸距離遠、速率低。農業監測一般有以下應用需求：網絡覆蓋范圍較大，節點數量較多，單節點數據量較少，但需要周期性發送監測數據，對數據的準確性要求高，實時性要求相對不高等。星型網絡是各種網絡拓撲結構的組網基礎，它具有結構簡單、延遲低、組網容易等特點，可以降低通信協議的復雜度以及整個網絡的能耗[6]。本文選擇星型拓撲作為無線網絡基礎結構，考慮到單個星型網絡容量有限以及遠距離的節點無法覆蓋的問題，根據區域將系統劃分成多個子網，每個子網分配獨立的信道，相同信道的節點和網關組成星型結構的子網，可以降低信號間的相互干擾，擴充網絡容量，增加覆蓋范圍。

LoRa傳輸速率低導致信道占用時間長且覆蓋范圍廣，在一個星型網絡中，節點間的數據碰撞會導致數據的丟失，極大地影響數據的傳輸效率。處理無線網絡碰撞的方式有競爭和時分復用(TDMA)兩大類，競爭方式是指節點在發送數據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送數據，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、穩定等特點，適用于節點數量較少的小規模網絡中，但是當網絡節點數量增多且各節點發包頻率增大時，信道會非常繁忙，致使數據傳送率下降，同時長時間的信道監聽會造成能量浪費。

時分復用是為網絡中每個節點分配獨立的用于數據發送或接收的時隙，而節點在其它空閑時隙內轉入睡眠狀態，這些特點很適合無線傳感器網絡的節能需求[7]。本文的星型網絡采用競爭和時分復用相結合的方式，節點入網時采用競爭方式，入網后采用分時方式發送數據。

基于TDMA的網絡必須建立網內同步，使各個設備工作在同一時間基準上。子網系統的同步時間以網關時間作為標準，采用單向同步機制減少通信開銷。由于節點入網時間具有隨機性，采用競爭方式發送入網申請，同一信道的網關收到入網申請后則即刻下發時間戳、工作周期、時隙分配信息給節點。節點收到時間戳信息后估算發送延時，調節本地時間完成時間同步，根據工作周期和時隙分配信息設置休眠及喚醒時間。

2.3 網絡參數分析

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，節點與網關的時鐘偏差；CD為節點晶體振蕩器的硬件差異引起的節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，節點的時鐘誤差tce為：

輸水渠道內坡普遍采用混凝土板襯砌結構，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構的影響是比較大的。在渠道管理運行過程中，應密切關注渠內外水位的變化，采取措施，控制渠內外水位差，減小渠道內外地下水壓力對襯砌混凝土板的破壞作用，防止襯砌結構破壞，保障工程良好運行。

(1)

其中:f0為節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。

節點在時間同步完成之后進入休眠狀態，在下一個工作周期所對應的時隙之前喚醒，假設網絡為每個節點分配的時隙長度為Δτ，網關的時間為tg，節點同步后經過了N個工作周期T，節點i的數據發送時刻為：

ti=N·T+i·Δτ+tg+tce

(2)

數據包傳輸時間即信道占用時間為td，與數據包長度和物理層發送速度相關。當時鐘誤差累積到一定程度，相鄰節點的數據發送時間間隔小于td時，數據包發送時間重疊便會產生無線碰撞，造成數據包的丟失。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。

由于節點時鐘誤差和新節點的入網申請不可預測，每個節點劃分的時隙長度必然要大于數據包的傳輸時間，假設新節點入網耗時為te。為使節點快速入網，這里定義時隙長度的最小值：

Δτmin=td+te+2max(tce)

(3)

一般來說數據包傳輸時間和新節點入網耗時固定不變，最小時隙由時鐘誤差決定。因此單個星型網絡的節點容量為：

C=T/Δτmin

(4)

3 系統硬件設計

農田信息采集節點模塊的硬件結構如圖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。可以實現對農田溫度、濕度等多個物理量的獲取，并通過射頻單元將獲取的農田信息發送給網關。節點還具有多路模擬數字擴展通道、RS232等擴展接口，可以根據實際需要進行使用。

圖2 傳感器節點結構圖

主控芯片選用意法半導體ST推出的低功耗系列芯片STM32L053，其基于ARM Cortex-M0+的內核，最高主頻32 MHz，配置了8 KB RAM和64 KB Flash，擁有豐富的外設資源。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 數據保存和低功耗定時計數器功能，喚醒時間僅需3.5 μs。滿足一般農業環境下數據處理、存儲和傳輸的要求。設計時使用外部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無線調制解調器，內置高效的循環交織糾錯編碼，工作電壓1.8～3.7 V，最大鏈路預算可達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方式進行數據傳輸，并且有5個中斷輸出引腳，用于產生中斷事件。

傳感器采用數字溫濕度傳感器SHT11，是含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，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。

網關采用的主控芯片和射頻芯片與節點一樣，不需要接傳感器。為得到精確時間信息需增加一個GPS模塊，根據實際需求選擇串口、以太網或GPRS模塊，將數據傳送到服務器。

4 軟件設計

4.1 節點軟件設計

傳感器節點程序主體流程如圖3所示。大致分為以下3個步驟。1)節點入網及同步。節點在初始化之后進行入網過程，先進行信道檢測，如果檢測出信道空閑直接發送數據，否則等待一段隨機時間后，再進行信道檢測直至發送成功。節點在發送完請求數據后立即切換到接收模式，若接收到網關的響應數據則配置節點參數，否則重新發送入網請求。由于時鐘的漂移造成同步誤差增大，在入網成功后經過K個周期后需要再次進行時間同步。2)傳感器數據采集與處理。節點完成入網后在相應的時間段內喚醒并完成傳感器數據的采集和發送。發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送。3)低功耗。由于節點一般使用電池供電，為了降低功耗，節點大多數時間處于低功耗狀態。節點采用深度休眠設計，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 節點軟件主流程圖

4.2 網關軟件設計

網關初始化后根據GPS時間定期調整時鐘，網關一般處于接收狀態，當收到入網請求后立即獲取本地RTC時間、工作周期、分配時隙信息并發送給節點，當收到同步請求后發送本地RTC時間，RTC時間信息精確到毫秒；當收到正常的溫濕度數據后記錄下當前時間、RSSI值等信息并將其進行存儲處理，服務器通過Modbus協議對網關數據進行調用。網關主體流程如圖4所示。

圖4 網關軟件主流程圖

5 試驗驗證

LoRa的設置參數決定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網絡工作頻段選擇780 MHz，帶寬125 kHz，擴頻因子為7。數據包長度為10，通過計算數據包傳輸所需時間td約為34 ms，入網同步耗時te約為70 ms，網關設置為最大發射功率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，假設每小時進行一次時間同步則最小時隙約為350 ms。假設將每個節點時隙劃分為1 s，周期T為60 s，則單個子網的節點容量為60。

5.1 節點功耗

無線節點采用3.7 V鋰電池供電，射頻芯片發射功率為14 dBm，可實現視離2 km，非視距500 m的通信距離。利用功率分析儀測得節點在入網完成后一個周期的電流狀況如表1所示。可以發現數據發送所需電流最大，數據采集耗時最長。節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設為60 s。通過計算單個節點每天消耗的電量為2.96 mAh，可以實現低功耗長久工作。

表1 節點一個周期的電流消耗狀況

5.2 鏈路質量特性

無線通信會受到各種因素的影響，鏈路質量的研究有助于及時了解網絡的運行狀況。RSSI的值是評估鏈路質量的重要指標，本系統通過改變節點與網關的距離，每次連續發送200個數據包，統計均值RSSI和包接收率。測得RSSI均值與包接收率的關系如圖5所示。

圖5 包接收率與RSSI的關系

由圖5可知當RSSI的值大于-118 dBm時，包接收率穩定在0.9以上，為穩定區；當RSSI值小于-118 dBm時，包接收率隨著RSSI的減小而減小，為非穩定區，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。視距與非視距環境下包接收率與RSSI的關系相似，通過對比發現非視距環境下的拐點和零點對應的RSSI值較大，當RSSI值相同時，視距環境有更好的通信質量。拐點的值可以為子網劃分提供重要的指導。

5.3 時隙選擇

星型網絡的時隙長度對網絡容量和網內節點數據碰撞有著根本影響。為進一步測試網絡可靠性，將系統接入最大節點數，且所有測試節點距網關近，通信質量好。改變時隙長度測得在5小時內整個網絡的丟包率如表2所示。

表2 網絡系統丟包率統計表

通過實驗發現隨著時隙長度的增加，丟包率呈現減小的趨勢。當時隙長度大于500 ms節點能夠實現快速入網，數據碰撞一般存在于新節點入網時，在所有節點完成入網后節點間的數據幾乎沒有碰撞，整個系統的丟包率小于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衡網絡的效率和容量非常重要。

6 結論

為了解決傳統無線采集系統傳輸距離近、功耗高的問題，本文根據LoRa的無線傳輸特性及應用需求設計了一種多頻段TDMA周期性無線采集方案，主要對多頻段TDMA網絡結構、子網低碰撞率實現方法和網絡時隙長度選取方法進行了分析介紹。并對節點功耗、無線鏈路質量、時隙長度進行了測試，實驗結果表明：利用STM32L0和SX1276的LoRa節點設計方案具有功耗低的優勢；利用RSSI值可以快速判斷鏈路質量狀態；選擇合適的時隙大小可以減小數據碰撞，提高網絡容量。該系統覆蓋范圍廣，功耗低，成本低，擴展性能好且具有較高穩定性，可以廣泛應用于農業、工業等需要對信息進行大范圍無線采集的領域，具有廣闊的應用前景。