基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)的智慧小區(qū)方案研究

莊樹(shù)軍

緒論

研究背景

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，生活中隨處可見(jiàn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正在向著萬(wàn)物互聯(lián)的方向快速的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展不單單體現(xiàn)在工業(yè)上的應(yīng)用，那么在日常生活中也是給人們生活帶來(lái)了很多的便利。智能家居、智慧城市、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等等一系列的技術(shù)概念走進(jìn)了人們的日常生活。

本文主要研究基于LoRa協(xié)議在智慧小區(qū)建設(shè)方面的可行性以及實(shí)現(xiàn)方案。針對(duì)小區(qū)的所有情況進(jìn)行組網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，更大的節(jié)約了人力成本，同時(shí)也帶給了人們更加舒適的生活環(huán)境，同時(shí)對(duì)于一些突發(fā)情況也能得到及時(shí)的響應(yīng)和處理。通過(guò)主控芯片連接的煙霧傳感器、紅外報(bào)警傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞣謩e部署在相應(yīng)的位置，每戶家庭單獨(dú)設(shè)置路由器統(tǒng)一進(jìn)行ID編號(hào)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，緩解小區(qū)內(nèi)部LoRa網(wǎng)絡(luò)的壓力，同時(shí)對(duì)于信息的整理和分發(fā)更加準(zhǔn)確，簡(jiǎn)單。每戶將戶內(nèi)的信息整理后經(jīng)過(guò)戶內(nèi)的路由器直接通過(guò)星型網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到物業(yè)的后臺(tái)，物業(yè)的后臺(tái)就可以實(shí)時(shí)監(jiān)控每一戶的安全情況和火災(zāi)情況。

以往物聯(lián)網(wǎng)通訊采用了Zigbee無(wú)線通訊、WIFI、藍(lán)牙或者GPRS等方式，那個(gè)上述通信方式有利有弊，LoRa技術(shù)的出現(xiàn)打破了以往物聯(lián)網(wǎng)通信的難點(diǎn)，最終在經(jīng)過(guò)評(píng)估后采用LoRa技術(shù)，通信距離長(zhǎng)、靈活、低成本部署的優(yōu)勢(shì)以及功耗相對(duì)較低。

1 LoRa技術(shù)簡(jiǎn)單介紹

LoRa技術(shù)誕生于2013年，它是由一種新型芯片實(shí)現(xiàn)了基于1GHz以下的超長(zhǎng)距離、低功耗的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，與其他芯片相比，采用了線性的調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，保持了頻移鍵控的低功耗特性同時(shí)大大的增加了通信的距離，消除了干擾，LoRa最高接收靈敏度改善到20db以上，確保了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。所以在上述的基礎(chǔ)上，LoRa技術(shù)的網(wǎng)關(guān)能夠并行的處理多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，擴(kuò)展系統(tǒng)的容量。

LoRa主要由終端設(shè)備、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器以及云端四部分組成，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信，同時(shí)LoRa運(yùn)行在全球的免費(fèi)頻段，不需要進(jìn)行授權(quán)。所以LoRa技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)通信上面是非常不錯(cuò)的通信方案。

LoRa的特性如下：

1.傳輸距離：城鎮(zhèn)可達(dá)2-5 Km，郊區(qū)可達(dá)15 Km。

2.工作頻率：ISM 頻段 包括433、868、915 MH等。

3.標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.15.4g。

4.調(diào)制方式：基于擴(kuò)頻技術(shù)，線性調(diào)制擴(kuò)頻（CSS）的一個(gè)變種，具有前向糾錯(cuò)（FEC）能力。

5.容量：一個(gè)LoRa網(wǎng)關(guān)可以連接上千上萬(wàn)個(gè)LoRa節(jié)點(diǎn)。

6.電池壽命：長(zhǎng)達(dá)10年。

7.安全：AES128加密。

8.傳輸速率：幾百到幾十Kbps，速率越低傳輸距離越長(zhǎng)。

2 LoRa協(xié)議分析

2.1 LoRa協(xié)議介紹

所有的LoRa設(shè)備都必須保持與Class A兼容，LoRa設(shè)備分為基本的Class A設(shè)備和可選的Class B、Class C功能。如圖1所示：

Class-A設(shè)備：

A類(lèi)設(shè)備是雙向終端設(shè)備，允許雙向通訊，每個(gè)終端的上行鏈路之后是兩個(gè)短的下行鏈路接收窗口，終端設(shè)備可以根據(jù)自身的通信需求來(lái)調(diào)度傳輸時(shí)隙，同時(shí)隨機(jī)時(shí)間在很小的范圍內(nèi)變化，對(duì)于需要在終端設(shè)備發(fā)送上行鏈路和從服務(wù)器進(jìn)行下行鏈路的應(yīng)用程序，A類(lèi)設(shè)備是最低功耗的終端設(shè)備系統(tǒng)。同時(shí)所有的LoRaWAN的終端設(shè)備必須實(shí)現(xiàn)A類(lèi)設(shè)備的功能。

Class-B設(shè)備：

B類(lèi)設(shè)備允許更多的接收接口，除了A類(lèi)設(shè)備的隨機(jī)接收窗口外，B類(lèi)設(shè)備還在計(jì)劃時(shí)間內(nèi)打開(kāi)其他的接收窗口，為了保證在計(jì)劃的時(shí)間內(nèi)打開(kāi)規(guī)定的接收窗口，那么B類(lèi)設(shè)備需要從網(wǎng)關(guān)來(lái)進(jìn)行時(shí)間的更新和接收時(shí)間同步的信號(hào)。

Class-C設(shè)備：

C類(lèi)設(shè)備僅僅在發(fā)送的時(shí)候才會(huì)關(guān)閉接收窗口，因此C類(lèi)設(shè)備會(huì)使用更多的電源進(jìn)行操作，相比較與A、B類(lèi)設(shè)備，C類(lèi)的設(shè)備功耗相對(duì)較高，但是他們從服務(wù)器到終端設(shè)備進(jìn)行通信的延遲是最低的。

結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目需求，我們僅僅采用A類(lèi)設(shè)備就可以完成我們所需要的功能。

2.2 LoRa協(xié)議MAC層分析

MAC層的協(xié)議是比較復(fù)雜的，所有LoRa上行鏈路和下行鏈路消息均是由一個(gè)八位字節(jié)的MAC標(biāo)頭（MHDR）開(kāi)始，后跟一個(gè)MAC有效載荷（MACPayload）并以一個(gè)四字節(jié)的消息完整性代碼（MIC）結(jié)束的。值得注意的是MAC負(fù)載最多59個(gè)字節(jié)，保證完整的數(shù)據(jù)包不超過(guò)64字節(jié)。

LoRa的MAC層分四種消息類(lèi)型：加入請(qǐng)求、加入接受、未確認(rèn)的消息和確認(rèn)消息。加入請(qǐng)求和加入接受是OTAA空中接入過(guò)程中使用。數(shù)據(jù)消息是用來(lái)傳輸MAC控制數(shù)據(jù)和應(yīng)用數(shù)據(jù)的，甚至有可能出現(xiàn)在同一個(gè)數(shù)據(jù)中。確認(rèn)消息必須要無(wú)線接收端確認(rèn)，而未確認(rèn)信息不需要確認(rèn)。

網(wǎng)絡(luò)的管理可以在服務(wù)器和終端上的MAC層之間專(zhuān)門(mén)交換一組MAC命令。MAC層命令對(duì)于應(yīng)用程序或終端程序永遠(yuǎn)是隱式的不可見(jiàn)的。單個(gè)數(shù)據(jù)幀可以包含MAC命令序列。FRMPayload發(fā)送的MAC命令是始終被加密的，同時(shí)要注意不能超過(guò)最大FRMPayload數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。MAC命令是1個(gè)八位的命令標(biāo)識(shí)符和有可能為空的特定于命令的八位序列組合而成。

接收端是按照與發(fā)送命令相同的順序應(yīng)答或者確認(rèn)MAC命令，包含答案的緩沖區(qū)必須在單個(gè)幀中發(fā)送的意思就是在單個(gè)幀中收到的MAC命令必須在單個(gè)幀中應(yīng)答。同時(shí)服務(wù)器不允許在終端設(shè)備的單個(gè)上行鏈路中生成有可能無(wú)法應(yīng)答的MAC命令。

2.3 LoRa協(xié)議物理層分析

物理層的消息分為兩類(lèi)：上行鏈路消息、下行鏈路消息。

上行鏈路消息：是從終端設(shè)備發(fā)送消息到一個(gè)或者是多個(gè)的網(wǎng)絡(luò)中繼器，上行鏈路消息的數(shù)據(jù)包格式如下表1：

上行消息使用LoRa無(wú)線電數(shù)據(jù)包顯式模式，其中包括LoRa物理標(biāo)頭（PHDR）加上標(biāo)頭CRC（PHDR_CRC）。有效載荷的完整性受到CRC的保護(hù)。PHDR，PHDR_CRC和有效載荷CRC字段由無(wú)線電收發(fā)器插入。

下行鏈路消息：由服務(wù)器發(fā)送到終端設(shè)備，格式如表2：

下行消息使用無(wú)線電分組顯式模式，其中包括LoRa物理標(biāo)頭（PHDR）和標(biāo)頭CRC（PHDR_CRC）。

終端設(shè)備在上行傳輸之后必須開(kāi)啟以傳輸結(jié)束的起始點(diǎn)作為開(kāi)始時(shí)間的兩個(gè)短暫的接收窗口。如果服務(wù)器想要發(fā)送一個(gè)下行信息到終端設(shè)備的前提是必須要準(zhǔn)確的在兩個(gè)接收窗口的起始點(diǎn)開(kāi)始傳輸信號(hào)。如果一個(gè)下行信息在兩個(gè)窗口都在傳輸，那么要保證每個(gè)窗口傳輸?shù)膸袷奖仨毾嗤?/p>

第一接收窗口使用的數(shù)據(jù)速率和上行數(shù)據(jù)速率有關(guān)，同時(shí)使用的頻率和上行頻率也是是有關(guān)系的;但是第二接收窗口使用固定的可配置的頻率和數(shù)據(jù)速率。但是果在一個(gè)接收窗口中檢測(cè)到了前導(dǎo)碼，直到下行幀被解調(diào)完畢之前，射頻接收器都一直在保持工作。如果某一幀被檢測(cè)到并且在隨后的第一接收窗口被解調(diào)，且此幀的完整性、地址校驗(yàn)通過(guò)確認(rèn)，那么終端設(shè)備是不允許打開(kāi)第二個(gè)接收窗口的。

同時(shí)要注意的是如果前一次傳輸后在第一窗口或者第二窗口收到了來(lái)自服務(wù)器的消息或者前次傳輸后的第二接收窗口已經(jīng)過(guò)期這兩種情況出現(xiàn)，那么終端設(shè)備不能夠傳輸另外的上行消息的。

3 方案設(shè)計(jì)

3.1 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1.1 主控芯片的電路設(shè)計(jì)

室內(nèi)終端設(shè)備的主控芯片采用STM32F103RCT6，Cortex-M3內(nèi)核，主頻可以達(dá)到72MHz，外設(shè)接口豐富，工作溫度-40-85攝氏度;室內(nèi)路由器主控芯片采用STM32F429BIT6，主頻可以達(dá)到180MHz，2M字節(jié)Flash，256K字節(jié)的RAM，支持USB Host、Device接口等外設(shè)。外部采用8MHz的晶振，RTC采用32.768KHz的晶振。

室內(nèi)終端設(shè)備電路框架圖如圖2所示：

室內(nèi)路由器電路框架圖如圖3所示：

3.1.2 LoRa協(xié)議芯片的電路設(shè)計(jì)

LoRa協(xié)議模塊采用美國(guó)Semtech公司的SX1276芯片，LoRa協(xié)議模塊采用美國(guó)Semtech公司的SX1276芯片，最大168db、RF輸出+20dbm-100mW、+14dbm高效PA、高達(dá)300kbps可編程速率、超高靈敏度：-148dbm、動(dòng)態(tài)RSSI 127db。 SX1276的參考電路如下圖4：

3.2 程序設(shè)計(jì)思路

為了減小網(wǎng)絡(luò)的壓力，每戶單獨(dú)配置路由器，室內(nèi)的設(shè)備節(jié)點(diǎn)將信息發(fā)送到每戶的路由器上面，由路由器統(tǒng)一進(jìn)行發(fā)送到物業(yè)后臺(tái)，物業(yè)可以通過(guò)每戶的路由器ID確定當(dāng)前用戶是否存在危險(xiǎn)警報(bào)，并及時(shí)做出相應(yīng)的反應(yīng)，可保證遇見(jiàn)危急情況實(shí)時(shí)處理。

SX1276初始化流程圖如下圖5所示：

接收模式流程如圖6所示

發(fā)送模式流程圖如圖7所示：