南開大學(xué)濱海學(xué)院 程淑偉 劉廣偉 柯佩佩 吳春玲 馮 蕾 吳亞斌

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在安防監(jiān)測，智慧農(nóng)業(yè)，環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。在眾多物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用架構(gòu)中，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為橋接感知域和網(wǎng)絡(luò)域的重要組成部分，深得研究者們的青睞，越來越多類型的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)相繼出現(xiàn)[2-4]，推動(dòng)著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)之間的無縫集成，進(jìn)一步加強(qiáng)了對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理與控制。

ZigBee是目前國內(nèi)眾多研究者廣泛應(yīng)用的無線短程通信技術(shù)，它是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[3-5]。ZigBee的墻體穿透能力較弱，也不適用于遠(yuǎn)距離通信，最遠(yuǎn)傳輸距離局限在2公里。伴隨著物聯(lián)網(wǎng)低功耗遠(yuǎn)距離通信應(yīng)用的需求，一種采用擴(kuò)頻機(jī)制的新型無線連接技術(shù)引起了研究者的高度關(guān)注[6-8]，這種被稱為LoRa的低速遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)，基于非授權(quán)頻段，靈敏度高達(dá)-148dBm，其通訊鏈路預(yù)算在理想情況下可以達(dá)到15公里[9]，工作電流僅需10mA，使之成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中低功耗廣范圍通信設(shè)計(jì)的理想方案。

本文根據(jù)典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求和場景，提出了基于樹莓派的遠(yuǎn)距離LoRaWAN網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，介紹了該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的應(yīng)用體系框架，以及相應(yīng)的硬件系統(tǒng)方案。解決了采用ZigBee技術(shù)作為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)所存在的穿墻能力弱，通訊距離短的問題。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景下的互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)與終端三者之間的數(shù)據(jù)交換、設(shè)備管理等功能，融合各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接口為一體，可滿足不同場景下的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求。

1 LoRaWAN網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 應(yīng)用分析

根據(jù)目前可知的通信范圍與通信協(xié)議的不同，將物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)分為兩類：短程網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程網(wǎng)關(guān)。短程網(wǎng)關(guān)基于中短程通信協(xié)議，典型中短程通信協(xié)議，如Wi-Fi，ZigBee和Bluetooth。他們各自具有優(yōu)勢，但是具有共同的弱點(diǎn)，無法做到長距離通信[5，11，12]。遠(yuǎn)程網(wǎng)關(guān)是以LoRa和SigFox為代表的遠(yuǎn)程無線通信協(xié)議為基礎(chǔ)，采用低功率廣域網(wǎng)（LPWAN）的新型無線連接技術(shù)[13]，解決了短程通信協(xié)議在穿墻能力弱以及通信距離短的不足，擁有地域覆蓋率全而廣的特點(diǎn)。各種通信協(xié)議對(duì)比示意圖如圖1所示。

LoRa相比其它的通信協(xié)議在通信速率方面為低速率，剛好映對(duì)了LoRa的低功耗優(yōu)勢，這種小數(shù)據(jù)，低速率的通信方式，使工作在LoRa協(xié)議下的終端設(shè)備可以數(shù)年不更換電池。低速率和LoRa接收器極低的靈敏度（低至-134dBm），與+14dBm的輸出功率相結(jié)合，使得通訊鏈路預(yù)算大大增加，高達(dá)148dB。這使得視距（LOS）鏈路的距離達(dá)到15公里，在城市環(huán)境中的非視距（NLOS）鏈路的距離可達(dá)到2公里。LoRaWAN網(wǎng)關(guān)適用于任何具有通用輸入/輸出引腳的微控制器或計(jì)算機(jī)，擴(kuò)展了應(yīng)用平臺(tái)的多樣化，同時(shí)獨(dú)特的數(shù)據(jù)加密方式確保LoRa網(wǎng)絡(luò)完全安全，不僅可以用于公用事業(yè)計(jì)量，智能城市，還可以接入更遠(yuǎn)距離的工業(yè)，農(nóng)業(yè)和環(huán)境的傳感器網(wǎng)絡(luò)。

圖1 各種通信協(xié)議對(duì)比示意圖

1.2 應(yīng)用體系框架

LoRaWAN網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用體系框架分為四個(gè)部分：終端、Lo-RaWAN網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器。LoRaWAN網(wǎng)關(guān)應(yīng)用體系框架示意圖如圖2所示。終端是安裝在遠(yuǎn)程站點(diǎn)上具有LoRa協(xié)議的邊界設(shè)備，通訊方式有雙向、單向兩種機(jī)制，每個(gè)終端可以和一個(gè)或多個(gè)LoRaWAN網(wǎng)關(guān)通訊；LoRaWAN網(wǎng)關(guān)是橋接LoRa終端和LoRa網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的中間設(shè)備，根據(jù)Semtech公司官方數(shù)據(jù)可知，一個(gè)SX 1301具有8個(gè)通道，通過LoRaWAN協(xié)議，每天可接受150萬個(gè)數(shù)據(jù)包，理論上計(jì)算，若采用間隔為一個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)包周期，一個(gè)由SX 1301構(gòu)成的LoRaWAN網(wǎng)關(guān)最多可以處理來自62500個(gè)終端的數(shù)據(jù)[14]。LoRa網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器負(fù)責(zé)維護(hù)終端設(shè)備與網(wǎng)關(guān)設(shè)備的正常運(yùn)行，應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)控制終端與網(wǎng)關(guān)的用戶數(shù)據(jù)，一個(gè)應(yīng)用服務(wù)器可以和多個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器連接。

圖2 LoRaWAN網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用體系框架示意圖

1.3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LoRaWAN網(wǎng)關(guān)作為信息處理的中心，不僅需要連接眾多基于各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接口的終端設(shè)備，還需要強(qiáng)大的運(yùn)算能力來解析數(shù)據(jù)，并且執(zhí)行服務(wù)器對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息的配置。同時(shí)需要各種豐富的外設(shè)接口，便于實(shí)現(xiàn)眾多異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入，以滿足廣泛的應(yīng)用需求。LoRaWAN網(wǎng)關(guān)硬

系統(tǒng)框圖如圖3所示。本文選用Raspberry Pi（RPi）Zero W作為核心處理器，RPi Zero W具有主頻1GHz的Broadcom BCM 2835處理器和512MB的運(yùn)行內(nèi)存，可滿足LoRaWAN網(wǎng)關(guān)的對(duì)運(yùn)算需求，并且RPi Zero W支持USB、IIC、UART、SPI、WIFI、Bluetooth等多種通信方式，便于實(shí)現(xiàn)眾多異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入。

圖3 LoRaWAN網(wǎng)關(guān)硬件系統(tǒng)框圖

1.4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

RPi Zero W運(yùn)行的是一種類Linux系統(tǒng)，提供了各種語言為開發(fā)者使用，本系統(tǒng)以Linux上一種常見的Shell腳本語言為工具，搭建RPi Zero W平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)程[15，16]。LoRaWAN網(wǎng)關(guān)軟件程序流程如圖4所示。

當(dāng)系統(tǒng)上電之后，Linux系統(tǒng)設(shè)置自動(dòng)啟動(dòng)腳本ic880a-gateway。腳本開始運(yùn)行，首先解析全局配置文件，讀取網(wǎng)卡的識(shí)別號(hào)，用以匹配服務(wù)器端配置文件，讀取射頻模塊（SX 1301）的參數(shù)值，配置每個(gè)通道中心頻率，然后，將配置好的參數(shù)覆蓋本地配置文件，開始嘗試連接服務(wù)器，連接失敗會(huì)再次解析本地配置文件，直至終止腳本運(yùn)行。若成功連接至服務(wù)器，將開啟集中器，讀取RF模塊收到的數(shù)據(jù)，CRC校驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性，然后上傳至服務(wù)器，并且讀取服務(wù)器下行數(shù)據(jù)，CRC校驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性，然后傳達(dá)至各個(gè)無線終端設(shè)備。

圖4 LoRaWAN網(wǎng)關(guān)軟件程序流程圖

2 測試分析

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的通信能力，在校園內(nèi)進(jìn)行測試，學(xué)校位于鬧市區(qū)，具有較密集的建筑物，以及繁多的個(gè)人與公用網(wǎng)絡(luò)信號(hào)干擾。進(jìn)行測試的設(shè)備分為兩類，一類是采用LoRaWAN網(wǎng)關(guān)的四組終端（終端1，終端2，終端3，終端4）；另一類是采用ZigBee網(wǎng)關(guān)的兩組終端（終端5，終端6）。測試結(jié)果以接收信號(hào)強(qiáng)度（RSSI）來判定通信能力的質(zhì)量，由于該測試的通信信號(hào)為mW量級(jí)，所以在此以dBm為單位表示信號(hào)強(qiáng)度。

所有終端均采用同樣的測試條件，信號(hào)強(qiáng)度測試結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，采用ZigBee技術(shù)的終端在500米內(nèi)信號(hào)衰減坡度極為陡峭，而采用LoRaWAN技術(shù)的終端在1公里內(nèi)信號(hào)衰減坡度輕微陡峭。結(jié)果表明采用繞射傳輸方式的LoRaWAN在障礙物密集區(qū)，有著較好的墻體穿透能力。在遠(yuǎn)距離通信測試中，采用ZigBee技術(shù)的終端因建筑物稠密和網(wǎng)絡(luò)干擾等原因，通訊距離局限于1公里之內(nèi)，而采用LoRaWAN技術(shù)的終端在2公里內(nèi)保持著平緩的信號(hào)衰減坡度。結(jié)果表明，LoRaWAN在遠(yuǎn)距離通信具有較好的抗干擾能力。綜上所述，不管是近距離的墻體穿透能力，還是遠(yuǎn)距離通訊的抗干擾能力，LoRaWAN技術(shù)都要比ZigBee技術(shù)有著顯著的優(yōu)勢。

圖5 信號(hào)強(qiáng)度測試結(jié)果

3 總結(jié)

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)作為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用體系框架中信息樞紐的部分，其性能的優(yōu)劣性顯得尤為重要。本文設(shè)計(jì)了一種基于樹梅派的遠(yuǎn)距離LoRaWAN網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)測試與Zigbee系統(tǒng)進(jìn)行比較，不管是近距離的墻體穿透能力，還是遠(yuǎn)距離通訊的抗干擾能力，Lo-RaWAN技術(shù)都具有顯著的優(yōu)勢。

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