基于LoRa的遠距離數傳系統的研究與設計

何鳴 HE Ming；胡文飛 HU Wen-fei

（①上海亞泰儀表有限公司，上海 201900；②溫州職業技術學院，溫州 325035）

0 引言

物聯網時代，伴隨著無線通信技術的快速發展，智能樓宇、智慧城市、智能家居以及無線抄表等網絡技術迅速蔓延，物聯網技術在人類日常工作、生活和學習中扮演著重要的角色[1]。在智能家居、智能樓宇等區域網通信場景中，常采用短距離通信技術，如WiFi、藍牙、ZigBee等[2，3]。但在智慧城市、智能交通以及遠距離戶外網絡等通信場景中，廣范圍、遠距離成為首先考慮的條件。目前，典型的遠距離通信技術有Cat1、Cat2、NB-IoT、LoRa等[4-7]。其中Cat通信設備使用運營商設備產生的4G網絡進行傳輸，通常需要搭載SIM卡，會產生一定的資費，從而增加運營成本，并且在信號不佳的條件下無法使用。NB-IoT技術具有低功耗、覆蓋能力強等優點，但是需要與運營商基站復用，實際應用過程中，在信號較差的場景下經常出現各類故障，從而導致通信中斷。LoRa作為一種面向低功耗遠距離應用場景的新興無線通信技術，具有覆蓋范圍廣、能耗低、可靈活組網、支持廣播、定點模式等優點，能夠很好地解決傳輸距離和系統功耗之間的平衡問題，克服復雜的應用場景及通信干擾所帶來的諸多問題。目前，LoRa通信以自適應組網和較好的性能優勢已廣泛應用在智慧城市、智能交通、環境監測等領域[8]。

在智慧城市建設中，水循環系統的合理配分和節約水資源也是不容忽視的一個問題，傳統城市建設中，園林綠化和農業水資源浪費嚴重，傳統的灌溉系統由于設備陳舊和管理不當，浪費了大約30%的水資源，通過LoRa遠距離數傳系統接入智能灌溉系統，安裝在土壤中的傳感器經由LoRa系統接入智慧城市管理終端，通過分析土壤溫度、濕度進行動態調節閥門進出水量，不僅可以節省大量寶貴的水、電資源還可以提高灌溉效率。圖1為安裝LoRa終端的智能灌溉系統示意圖。

圖1 智能灌溉示意圖

1 LoRa調制技術原理

LoRa是基于線性調頻擴頻技術（CSS）的一種調制方案，通過產生頻率線性變化的調制信號來實現頻譜的擴展，并結合前向糾錯（FEC）來實現遠距離低功耗通信。此外，LoRa的調制方案還有效解決了無線通信系統中常見的多徑衰落和多普勒頻移，并且利用正交的擴頻序列提高了信道容量。本文結合LoRa調制方案中的參數配置，分析了LoRa物理層通信的關鍵特點，并據此完成系統開發。

LoRa擴頻技術也稱為LoRa頻譜擴展通信。使用較寬的信號帶寬傳輸無線信號，并具有良好的對抗多徑衰落和多普勒效應的能力，目前LoRa接收芯片接收靈敏度較高，甚至可以將一個比噪聲低19.5dB的信號恢復出來，使用LoRa擴頻技術可以進行低功耗遠距離的通信。

擴頻通信是以增大帶寬或犧牲傳輸時延換取在低信噪比情況下接收數據的有效性和可靠性。一般分為直接序列擴頻、跳頻、跳時等。LoRa主要采用直接序列擴頻和跳頻相結合。直接擴頻原理是將要發送的原始信息先進行信源編碼、信道編碼，其中在LoRa技術的信道編碼中使用了前向糾錯碼，一般分為重復碼、分組碼、卷積碼等。其基本思想是在發送端通過前向糾錯碼增加一段冗余信息，以便接收端接收到錯誤碼元后通過前向糾錯機制進行恢復，以降低誤碼率，提高系統傳輸的可靠性。

LoRa擴頻技術采用多個碼片將傳輸信息切分，其中符號速率和碼片速率與擴頻因子的關系可用公式表示。

在式（1）中，SF代表擴頻因子，RC為碼片速率，單位：chips/s，RS為符號速率，單位：symbols/s。

其中，又可知

所以有

在公式（3）中，Rb為調制比特率，BW為信號帶寬。

碼元傳輸時長Ts為：

采取跳頻的原因是在數據量大的時候，可能單個數據包發送時間超出最大信道占用時常，在這種情況下，就可以采取跳頻方式，將數據包切成單個碼片，在多個信道上同時傳輸，接收機接收到切片數據后再進行恢復，從而完成一個數據包的發送和接收。該種方式計算量小，減輕系統負荷，與其他方式相比所占用的帶寬較小。

帶寬大小也是影響信號傳輸時間及靈敏度的一個重要因素，增大信號帶寬可以有效的縮短數據傳輸時間，提高數據的傳輸速率，但同時會犧牲一定的靈敏度。相反，降低信號帶寬可以獲得靈敏度的顯著改善，獲得更好的通信質量及更遠的通信距離。

從以上的分析及測試中可以得出以下結論：

LoRa數據包的空中傳輸時間隨著帶寬的增加而減少，但卻隨著擴頻因子、編碼率、負載長度以及前導碼長度增加而增，數據的傳輸時間越長，信號的通信質量及靈敏度越高。所以在該種調制方式下相對于FSK、OOK等傳統調制方式，其在保證較遠的傳輸距離的同時是以犧牲傳輸速率為代價的。因此本系統在不同的應用場景中應該靈活的進行參數調整，從而在帶寬、靈敏度以及數據的傳輸時間做出一個較好的平衡。

2 LoRa數傳系統硬件設計與實現

2.1 系統整體概述

LoRa通信系統由于其獨特的調制和擴頻機制，可滿足在低功耗、遠距離、免布線等場合使用。本次開發的LoRa數傳系統主要由主控模塊、LoRa射頻模塊、上位機、PLC以及天線組成。其中主控模塊和PLC使用RS485通信協議進行雙向數據收發，主控模塊與上位機通過TTL轉USB進行LoRa設備的配置和進行距離測試。天線采用單極子433MHz純銅振子天線，饋線長度50CM。如圖2為整體系統框圖。

圖2 系統整體框圖

2.2 MCU和LoRa射頻芯片選型

為實現系統的可行性同時滿足研發周期的限制，LoRa通信系統本次采用國產億兆創新生產的GD32F103C8T6芯片，與ST公司的芯片相比，在價格上具有極大優勢，此外，除少數定時器中斷、DMA傳輸有差異外，其他外設基本兼容。這樣在等代碼開發方面非常方便，也間接地降低了開發周期，減少成本。

此外，LoRa射頻芯片采用美國升特公司研發的專為低功耗、遠距離開發的射頻SX1276芯片。同一系列芯片還有SX1278、SX1212等。每種射頻芯片都有獨特的優勢，表1從調制方式、工作頻率、功率、傳輸距離四個方面對市場上常見的射頻芯片進行對比分析。

由表1可知，上述幾款芯片都是適用于低數據量窄帶傳輸，在距離傳輸和功耗方面SX1276相比其他射頻芯片有著顯而易見的優勢。

表1 射頻芯片數據對比

2.3 硬件電路設計

2.3.1 電源電路設計

電源承擔著整個系統的能量輸入，該系統電源部分包括一級降壓電路和二級降壓電路。將電源適配器的5～36V寬電壓直流通過SL2491降為5V直流，供板載一級電路使用。通過ASM1117線性穩壓芯片將5V直流降低到3.3V供主控和部分電路使用。LoRa在發射狀態下，會有1W的瞬時發射功率。

所以設計出一款滿足整個系統峰值功耗的電源電路至關重要。同時電源設計應保證40%的電流余量，且保證紋波不超過200mV。圖3為降壓電路。

圖3 降壓電路

2.3.2 射頻電路設計

射頻電路設計是整個通信系統中的關鍵部分，影響著整個系統的穩定性和可靠性。所以該部分電路的設計要遵循科學合理的原則。圖4為射頻電路設計模塊。

圖4 射頻電路設計

2.4 PCB整體設計和實物展示

經過PCB的設計與制作，最終電路板長度為2375mil，寬度3005mil，可使用導軌安裝。仿真圖如圖5所示。

圖5 LoRa數傳系統仿真圖

3 LoRa數傳系統上位機軟件設計

上位機采用Qt Company開發的跨平臺圖形界面程序，支持Windows系統、Linux、Unix系統使用。上位機界面清新簡潔，且具有完善的功能，可通過上位機軟件對LoRa系統進行寄存器配置、改變波特率、進行距離測試等功能。

上準備兩臺LoRa數傳模塊，上位機連接設備后打開距離測試板塊，試該距離下丟包率，并根據實際場景判斷該丟包率是否滿足應用場景。

操作步驟如下所示：

①取消HEX顯示，若未選則忽略；

②在模式選擇中選擇逐條發送或者循環發送（只能選擇一項），負載數據中添加字符串，例如：“123456789”，點擊開始測試按鈕；

③測試結束后查看測試結果，通過一臺設備的發送包數和另一臺設備的接收包數計算丟包率。上位機軟件配置說明如圖6所示。

圖6 設備界面配置

4 系統整體性能測試

在無線數傳系統實現后，需要進行實地測試來檢測所需要的功能是否能實現，下面本章將在實際應用環境中對本系統進行通信性能測試及功能模塊測試。

4.1 LoRa數傳系統功率測試

通過上位機軟件對LORA模組進行配置，設定發射功率27dBm。配置后，使用Rohde&Schwarz公司生產的FSL18系列頻譜儀進行采樣，見圖7。

圖7 配置及測試結果

頻譜儀實際測試發射功率為26.45dBm，經計算，能量傳輸效率達到97.96%，符合預期效果。另外LoRa模組可配置發射功率為21dBm，24dBm，27dBm，30dBm。測試方法類似，不再贅述。

4.2 LoRa數傳系統丟包率測試

對兩臺LORA通信模塊無線輸傳LoRa通信模塊同時進行收丟包率測試。間距10米，每次傳輸10個字節。

測試界面如圖8所示。LoRa通信模塊A累計發送30550個包，累計傳輸305500字節。LoRa通信模塊B收到30229個包，累計收到302290字節，丟包率為1.05%。LoRa通信模塊B發送30560個包，累計發送305600字節，LoRa通信模塊A收到30201包，累計收到302010字節，計算丟包率為1.17%。

圖8 丟包率測試界面

4.3 LoRa數傳系統距離測試

使用12V移動電源對LoRa數傳模塊進行供電。兩個上位機軟件將數據定時發送，大約1000次收發后停止發送，采集數據。

圖9實測地圖顯示

圖9 為哈爾濱市先鋒路，測試長度4公里。

采集數據及丟包率見表2。

表2 距離測試丟包率

由表2的測試結果可知，在測試過程中，考慮到實際路況車流、橋梁路面坡度對LoRa數傳系統距離和丟包率的影響，在發射功率30dBm下，丟包率10%左右，通信距離達到4千米，符合預期效果。

5 結論

相對于現有的短距離數據通信方式，LoRa網絡在傳輸距離、功耗、實現成本和穩定性上都具有較大的優勢，非常適用于遠距離通信。本文開發的LoRa數傳系統，通過對發射功率、傳輸距離、丟包率等指標進行測試，能量傳輸效率達到97.96%，4千米路況下誤碼率維持在10%左右。所有指標均符合項目需求和預期效果。此外，LoRa數傳系統還設計了自動恢復功能，一般故障以及強干擾情況下可自動重啟恢復通信，增加系統的魯棒性和健壯性。基于LoRa的數傳系統實現經濟、高效、穩定的遠距離通信，已在智慧園林灌溉中廣泛使用。