基于LoRaWAN的廣域物聯(lián)網(wǎng)應用解決方案

曹中強 胡靜 宋鐵成

摘 ? 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的廣泛應用，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信息采集系統(tǒng)逐步應用到智慧農(nóng)業(yè)、智能家居等領域。由此，極大地推動了LPWAN的發(fā)展。文章提出了一種基于LoRaWAN的物聯(lián)網(wǎng)解決方案，來突破工程項目在功耗和通信距離方面的瓶頸。LoRa優(yōu)勢在于低功耗、傳輸距離遠，相應地，其傳輸速率相對較低，非常適合應用于智慧農(nóng)業(yè)等領域。研究并設計了基于LoRa的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟硬件，硬件部分包括各個硬件設備的選型、MCU，LoRa射頻等，并設計了硬件電路結(jié)構(gòu)框架，同時設計并實現(xiàn)了包括LoRa數(shù)據(jù)發(fā)送與接收以及電源管理、網(wǎng)關(guān)配置等功能的LoRa網(wǎng)關(guān)應用軟件框架。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);LoRa技術(shù);LoRaWAN協(xié)議;網(wǎng)關(guān)節(jié)點

1999年，美國麻省理工學院首次提出物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）概念。在將近20年的技術(shù)發(fā)展和進步之后，物聯(lián)網(wǎng)的定義越來越完善：物聯(lián)網(wǎng)是因特網(wǎng)擴展和延展的產(chǎn)物，物體識別系統(tǒng)、全局定位全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS），跟蹤由物體控制的物體和智能網(wǎng)絡，其實現(xiàn)包括使用信息檢測裝置將因特網(wǎng)連接日常生活中的各種物體，以實現(xiàn)它們之間的信息交流。通用信息檢測裝置，如無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）裝置、全球定位系統(tǒng)、紅外偵察裝置、激光掃描器和智能手機。

1 ? ?國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

截至2016年年初，根據(jù)LoRa聯(lián)盟的數(shù)據(jù)，全世界有9個國家已經(jīng)開始建立LoRa網(wǎng)絡，有56個國家正在準備建立LoRa網(wǎng)絡。LoRaWAN試點工作，該系統(tǒng)將低成本、低能耗和LoRa的大規(guī)模無線通信網(wǎng)絡功能結(jié)合起來，可以解決目前部分物聯(lián)網(wǎng)項目的瓶頸問題，關(guān)鍵在于電力供應、電力消耗、成本。低功耗廣域網(wǎng)（Low Power Wide Area Network，LPWAN）包括多種技術(shù)，除了LoRa，還有窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）、隨機相位多址接入（Random Phase Multiple Access，RPMA）通信技術(shù)、Weightless等。

2 ? ?LoRa調(diào)制技術(shù)

2.1 ?LoRa關(guān)鍵技術(shù)特性

LoRa調(diào)制技術(shù)由線性調(diào)頻擴頻技術(shù)改進而來，采用一個在時間上線性變化的頻率啁啾（chirp）對信息進行編碼。由于啁啾脈沖的線性特質(zhì)，收發(fā)裝置間的頻偏等于時間偏移，很容易在解碼器中被消除，這也使得LoRa調(diào)制可以不受多普勒效應的影響。LoRa接收器能夠自動跟蹤它收到的頻率chirp，提供-130 dBm的靈敏度。

LoRa調(diào)制技術(shù)通過頻譜擴頻技術(shù)得到改進，該技術(shù)使用時間線性變化的可變頻率編碼信息。由于開關(guān)脈沖的線性收發(fā)機之間的頻率偏移等于時間偏移，在解碼器中很容易被消除，因此，LoRa調(diào)制不受多普勒效應的影響。LoRa提供-130 dBm靈敏度，接收器自動跟蹤接收到的頻率控制[1]。

2.1.1 ?通信參數(shù)

LoRa調(diào)制涉及3個主要參數(shù)，即帶寬（Band Width，BW）、擴頻因子（Spreading Factor，SF）和速率編碼（Code Rate，CR）。LoRaTM調(diào)制解調(diào)器使用循環(huán)誤差校正編碼率檢測直接誤差和糾錯將增加成本，但可以提高鏈路的穩(wěn)定性，并在存在干擾的情況下確保鏈路的可靠性。每一傳輸所產(chǎn)生的超載數(shù)據(jù)如表1所示。

2.1.2 ?符號速率

BW，SF和CR 3個關(guān)鍵參數(shù)的不同設置將影響傳輸距離、傳輸速率、抗干擾性和LoRa的靈敏度。LoRa符號由SHIRPS 2SF組成，有效編碼SF信息比特。在LoRa中，chirp速率為BW，相當于每秒每Hz帶寬。對于SF中的每一個增加1，chirp的頻率范圍被縮小到1∶2，其持續(xù)時間加倍，并且所有符號都會傳輸一個額外的信息比特，這不會造成降低比特率的不利影響。如果SF是恒定的，則比特率和符號率與BW成比例，而BW加倍，兩個都加倍。

2.1.3 ?數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

LoRaTM調(diào)制解調(diào)器采用隱式和顯式兩種數(shù)據(jù)包格式，數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如圖1所示。跟隱式數(shù)據(jù)包相比較，顯式數(shù)據(jù)包是將數(shù)據(jù)交互格式點明包含在報文內(nèi)的一種方式，而隱式數(shù)據(jù)包是在通信雙方的寄存器中將交互格式定義好的一種方式。

LoRaTM調(diào)制解調(diào)器既使用隱含的也使用明確的分組格式。與隱含數(shù)據(jù)分組相比，顯性數(shù)據(jù)分組是將數(shù)據(jù)交互格式包括在消息中的一種方法，而隱性數(shù)據(jù)分組是在通信對應方的記錄中定義交互格式的一種方法。

在前言中，它的作用是使接收機與輸入數(shù)據(jù)流同步。此外，序言的長度不固定，可以根據(jù)應用的需要加以調(diào)整。報頭包含有效負載的有關(guān)數(shù)據(jù)，并且同數(shù)據(jù)包模式互為對應關(guān)系，有兩種類型：顯頭模式和隱頭模式，在大多數(shù)情況下使用顯頭模式。

2.2 ?LoRaTM操作模式

LoRa模式和傳統(tǒng)頻率變化模式可以自由切換，并且LoRa傳輸參數(shù)也可以在配置寄存器中定義。LoRa相關(guān)模式如表2所示。

LoRa接收機有兩種接收模式：RX連續(xù)模式和RX單一模式。核心區(qū)別是：RX連續(xù)模式一直保持在接收狀態(tài)，除非手動切換操作模式，而RX單一模式則只進行一次接收，完成一次接收之后便自動切換為待機模式。這兩種接收模式適合于不同用例[2]。

3 ? ?物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟硬件設計

3.1 ?物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)硬件設計

3.1.1 ?LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)絡框架

LoRa 聯(lián)盟標準的官方網(wǎng)絡架構(gòu)如圖2所示。

圖2包括終端、網(wǎng)關(guān)和服務器的典型LoRaWAN網(wǎng)絡架構(gòu)，終端和網(wǎng)關(guān)之間采用星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，如果兩者之間的物理距離在有效距離內(nèi)，則可以直接傳輸。在LoRa技術(shù)的傳輸距離上，網(wǎng)關(guān)可以轉(zhuǎn)發(fā)到多個階段，使用多種終端部分進行不同的應用，包括類型的傳感器和GPS定位設備等，終端節(jié)點可以同時發(fā)送到多個網(wǎng)關(guān)節(jié)點。

3.1.2 ?LoRa網(wǎng)關(guān)硬件需求

根據(jù)LoRaWAN系統(tǒng)的網(wǎng)絡架構(gòu)和部署在地面上的環(huán)境，LoRa網(wǎng)關(guān)的設備必須滿足以下條件：

（1）價格便宜，從設計來說，該系統(tǒng)能節(jié)約資源和人力物力，無論是更有用的應用系統(tǒng)，必須確保LoRa網(wǎng)關(guān)設備，即降低成本以確保一個門戶的重要配置LoRa及其項目在框架中更廣泛地使用。

（2）低耗，由于本網(wǎng)絡關(guān)口需要長時間的工作，在偏遠的郊區(qū)或野外地區(qū)，不可能取代頻繁切換電源或利用其他來源的能源，電力、電氣元件應選擇低能源消耗，電路設計必須盡可能地簡化。

（3）穩(wěn)定性好，面對地面溫度、濕度、壓力等外部環(huán)境條件的變化，LoRa橋的各個模塊必須保證正常運行，不受極端天氣的干擾。

（4）滿足基本功能需求，選擇必須具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，通信射頻芯片能承受射頻LoRa技術(shù)，因為由于網(wǎng)關(guān)裝置主要涉及大量數(shù)據(jù)通信芯片、單片機。

3.1.3 ?LoRa網(wǎng)關(guān)的硬件選型

LoRa網(wǎng)關(guān)的基本元件主要由微控制單元（Micro Controller Unit，MCU）和LoRaRF模塊組成，其他元件圍繞這兩個元件運行。設備的大小直接影響印刷電路板的大小，而印刷電路板越大，整個網(wǎng)橋的成本就越高。通過定量選擇更便宜的設備，可以降低整個設備的成本，提高LoRa網(wǎng)關(guān)的成本效益。

核心控制器的硬件選擇：LoRa網(wǎng)關(guān)應該根據(jù)核心控制器相關(guān)選擇，須具有較低的功耗和良好的數(shù)據(jù)處理能力，選擇PIC24EP512GU810芯片作為LoRa網(wǎng)關(guān)MCU。

LoRa射頻的硬件選型：LoRaWAN 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)選定SX1278芯片作為LoRa數(shù)據(jù)收發(fā)器。

3.1.4 ?LoRa網(wǎng)關(guān)硬件電路整體設計

LoRa 網(wǎng)關(guān)組件主要包括MCU-pic24ep512gu810芯片、RF系統(tǒng)（包括sx1278芯片）、射頻天線、電池和其他閃存芯片、公用電話交換網(wǎng)（Public Switched Telephone Network，PSTN）等，與服務器傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)設備 還必須有一個RJ45接口[3]。網(wǎng)關(guān)設備的電路原理框架如圖3所示。

當部署環(huán)境由外部電源供電時，①外部電源接口連接到電源電路，否則由電池供電;②12 V電池單元連接到電源，分別電路④和電路⑤;⑤RTC閃存電路，RJ45電路和LoRa信號收發(fā)電路;MCU微控制器處理電路分別連接和供電;⑤連接MCU向MCU發(fā)送同步信號，然后控制電路④提供低能耗同步功能，而MCU和④檢測電池容量③當電池電量不足，控制LoRa數(shù)據(jù)發(fā)送到上層通知網(wǎng)關(guān)硬件，記住它MCU連接允許完成接收和數(shù)據(jù)發(fā)射從LoRa開始，當接收到LoRa數(shù)據(jù)時，連接將數(shù)據(jù)臨時存儲在閃存中，并且當要發(fā)送數(shù)據(jù)時，連接通過天線⑧發(fā)送臨時存儲的數(shù)據(jù)。在LoRa網(wǎng)關(guān)盒外，有一個天線，一個天線接口，負責發(fā)送和接收所有LoRa無線數(shù)據(jù)，以及一個在橋上用于匹配相關(guān)功能的調(diào)試接口。

3.2 ?物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件設計及實現(xiàn)

3.2.1 ?LoRa網(wǎng)關(guān)功能相關(guān)介紹

根據(jù)LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，在整個系統(tǒng)LoRa網(wǎng)關(guān)設備擁有兩個主要功能：（1）轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，將接收到的LoRaWAN格式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為其他格式的數(shù)據(jù)。（2）數(shù)據(jù)作為類似的中繼在幾個網(wǎng)關(guān)設備或終端之間傳輸。這兩個基本功能是基于LoRa網(wǎng)關(guān)設備時必須具備的，網(wǎng)關(guān)軟件分為3大類，根據(jù)從硬件到軟件應用程序的分層次序，即培訓軟件，引導加載程序軟件和LoRa網(wǎng)關(guān)應用程序如圖4所示。

主要用于LoRa網(wǎng)關(guān)設備的硬件驅(qū)動軟件，包括LoRa射頻SX1278無線芯片驅(qū)動程序、PIC24EP512GU 810芯片及其外部驅(qū)動設備以及其他輔助芯片，如RTC芯片。

在LoRa網(wǎng)關(guān)設備上通電后，初始化微控制器MCU主要在于引導加載程序軟件的功能，設備上的LoRa射頻和其他硬件，并且還可以從上層加載某些應用程序[4]。

所有網(wǎng)關(guān)設備之間通信的基礎是LoRa網(wǎng)關(guān)應用程序，在它們之間主要進行傳輸數(shù)據(jù)。

（1）Bootloader軟件設計。Bootloader是第一個通電后實現(xiàn)的網(wǎng)關(guān)設備代碼，在完成MCU和其他相關(guān)硬件的初始化后，進入應用程序所在的內(nèi)存空間運行應用程序。此外，引導加載程序還可以與主機協(xié)作執(zhí)行應用程序或其他任務的更新。引導加載程序還必須執(zhí)行其他功能，包括數(shù)據(jù)處理和指令、模型評估、應用程序跳轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)驗證，如表3所示。

（2）網(wǎng)關(guān)應用軟件設計。網(wǎng)關(guān)應用是網(wǎng)關(guān)設備的核心，確保了LoRa數(shù)據(jù)的正確接收和傳輸。網(wǎng)關(guān)軟件的主要功能是數(shù)據(jù)管理、LoRa數(shù)據(jù)傳輸、LoRa數(shù)據(jù)接收、網(wǎng)關(guān)配置、網(wǎng)關(guān)電源和LoRa數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，如表4所示。

3.2.2 ?LoRaWAN協(xié)議設計

LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)主要包括：終端的數(shù)據(jù)源設備，包括各種類型的傳感器以及GPS定位設備、正在傳輸?shù)亩鄠€網(wǎng)關(guān)設備，以及連接到最后一個網(wǎng)關(guān)的上級機器。主通信過程是同步通信，在終端的數(shù)據(jù)源中的網(wǎng)關(guān)和上層網(wǎng)關(guān)之間，當接收到數(shù)據(jù)時，繼續(xù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到上層網(wǎng)關(guān)，直到到達與較高主機的最終連接網(wǎng)關(guān)。結(jié)合該網(wǎng)絡的通信特性，協(xié)議設計主要包括網(wǎng)絡節(jié)點訪問設計、MAC命令設計與處理、MAC數(shù)據(jù)幀集等[5]。

（1）MAC數(shù)據(jù)的組幀設計。MAC層時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）時隙分配協(xié)議幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。將一個時幀分為3部分，分別是靜態(tài)時隙、重傳時隙以及影子時隙。靜態(tài)時隙為1-N號時隙，其中，N為網(wǎng)絡中的終端節(jié)點個數(shù);重傳時隙分為3個部分，分別是1-I，1-J和1-K號重傳時隙，且N=5·I，I=5·J，J=5·K，即靜態(tài)時隙區(qū)域的時隙數(shù)目是區(qū)域[1，I]時隙數(shù)目的5倍，區(qū)域[1，J]時隙數(shù)目的25倍，區(qū)域[1，K]時隙數(shù)目的125倍。每個靜態(tài)時隙或者重傳時隙的后面都緊跟著一個相同的（時隙長度以及結(jié)構(gòu)相同）影子時隙。

（2）MAC命令的設計及處理。以兩種方式傳遞應用MAC命令，當fport不為零時，最多15個字節(jié)的fopts的都是MAC命令;當fport為零時，被置于frmayload幀加載中的MAC命令，此時它們必須在frmpayload中處理之前被解密。

4 ? ?結(jié)語

本文通過研究LoRa通信技術(shù)的原理及特點，并且基于開源LoRaWAN協(xié)議定義下的網(wǎng)關(guān)框架，提出了一套基于LoRa技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的解決方案，解決了當前物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中高功率和網(wǎng)絡帶寬成本帶來的一些問題。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，其功耗降低，盡管LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)仍有一些問題需要改進，但它仍然對未來基于LoRa的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有一定的參考價值，希望LoRa技術(shù)能夠到位，未來將有更好的進步和發(fā)展。

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