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(武漢理工大學(xué) 理學(xué)院,武漢 430070)
農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)集信息感知、數(shù)據(jù)傳輸、智能信息處理技術(shù)于一體,作為物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要發(fā)展方向,受到了廣泛關(guān)注。隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,如何降低設(shè)備成本和功耗,如何提高無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離、傳輸效率、電池壽命和可靠性等諸多問(wèn)題成為農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展面臨的全新挑戰(zhàn)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN,wireless sensor network)作為物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)在農(nóng)業(yè)方面已有大量的應(yīng)用研究,由于傳統(tǒng)的WSN采用ZigBee、WiFi、Bluetooth等無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),在通信距離、功耗、抗干擾和組網(wǎng)規(guī)模上存在局限性,面對(duì)地域廣闊、分布不集中、自然環(huán)境惡劣的農(nóng)業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合,傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求[1-3]。
低功耗廣域網(wǎng)(LPWAN,low power wide area network)技術(shù)作為新興的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)接入技術(shù),與傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)技術(shù)相比具有傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低、成本低、覆蓋容量大等優(yōu)點(diǎn)。適合于長(zhǎng)距離、低功率和低數(shù)據(jù)傳輸速率的應(yīng)用場(chǎng)合。目前LPWAN技術(shù)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(zhǎng)距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù),其工作頻段在1 GHz以下,采用線(xiàn)性擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)具有抗干擾、保密性強(qiáng)、抗多徑效應(yīng)等特點(diǎn)。其接收靈敏度高,解決了傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)通信設(shè)計(jì)方案無(wú)法同時(shí)兼顧距離、抗干擾和功耗的問(wèn)題,擁有廣泛的應(yīng)用前景[5]。
本文針對(duì)農(nóng)田信息采集的實(shí)際應(yīng)用需求,利用LoRa技術(shù)設(shè)計(jì)了一種農(nóng)田信息采集系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)充分考慮了功耗、 成本以及系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面的要求,采用多頻段TDMA接入方式,通過(guò)設(shè)計(jì)精簡(jiǎn)的低功耗硬件電路和高效率的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議,達(dá)到了功耗低,容量大,覆蓋范圍廣的目的。并針對(duì)節(jié)點(diǎn)功耗,時(shí)隙長(zhǎng)度以及鏈路質(zhì)量方面展開(kāi)實(shí)驗(yàn)研究。
基于LoRa的無(wú)線(xiàn)信息采集系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)農(nóng)田信息的精準(zhǔn)測(cè)量,其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示,包括傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù),傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式申請(qǐng)入網(wǎng),與網(wǎng)關(guān)建立通信連接。傳感器節(jié)點(diǎn)分布在田間進(jìn)行農(nóng)田信息采集,并將采集到的信息發(fā)送至網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯總后進(jìn)行處理、存儲(chǔ),網(wǎng)關(guān)通過(guò)串口、以太網(wǎng)或GPRS與服務(wù)器相連。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)采用多頻段TDMA(time division multiple access)接入方式,劃分多個(gè)子網(wǎng),在子網(wǎng)中每個(gè)網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)組建星型網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)周期性地將數(shù)據(jù)上傳到網(wǎng)關(guān),服務(wù)器通過(guò)調(diào)用網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,分析每個(gè)接入節(jié)點(diǎn)的狀態(tài),并轉(zhuǎn)換成有價(jià)值的信息,供用戶(hù)訪問(wèn)使用,從而實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田信息的無(wú)線(xiàn)采集。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
針對(duì)該農(nóng)田信息無(wú)線(xiàn)采集系統(tǒng)自身特點(diǎn),以及它的工作環(huán)境,系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)如下:
1)低功耗,由于傳感器節(jié)點(diǎn)所處的工作環(huán)境需采用電池供電方式,能量有限,保證系統(tǒng)硬件正常工作和適當(dāng)?shù)膫鬏斁嚯x,應(yīng)盡量降低功耗,延長(zhǎng)電池壽命。
2)遠(yuǎn)距離,由于農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)地域廣闊,通信距離的限制以及障礙物的遮擋等環(huán)境因素的影響使得傳輸質(zhì)量變差,影響數(shù)據(jù)傳輸距離,需要無(wú)線(xiàn)通信有較強(qiáng)的抗干擾能力和較遠(yuǎn)的通信距離,提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍。
3)易擴(kuò)展,節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)能夠無(wú)線(xiàn)上傳到網(wǎng)關(guān),同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)容量,應(yīng)降低組網(wǎng)難度,提高組網(wǎng)效率,使用靈活,能夠擴(kuò)展到更多的應(yīng)用領(lǐng)域。
網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)無(wú)線(xiàn)通信特點(diǎn)、應(yīng)用需求進(jìn)行設(shè)計(jì)。LoRa通信傳輸距離遠(yuǎn)、速率低。農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)一般有以下應(yīng)用需求:網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較大,節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多,單節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量較少,但需要周期性發(fā)送監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性要求高,實(shí)時(shí)性要求相對(duì)不高等。星型網(wǎng)絡(luò)是各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的組網(wǎng)基礎(chǔ),它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、延遲低、組網(wǎng)容易等特點(diǎn),可以降低通信協(xié)議的復(fù)雜度以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能耗[6]。本文選擇星型拓?fù)渥鳛闊o(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),考慮到單個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)容量有限以及遠(yuǎn)距離的節(jié)點(diǎn)無(wú)法覆蓋的問(wèn)題,根據(jù)區(qū)域?qū)⑾到y(tǒng)劃分成多個(gè)子網(wǎng),每個(gè)子網(wǎng)分配獨(dú)立的信道,相同信道的節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)組成星型結(jié)構(gòu)的子網(wǎng),可以降低信號(hào)間的相互干擾,擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)容量,增加覆蓋范圍。
LoRa傳輸速率低導(dǎo)致信道占用時(shí)間長(zhǎng)且覆蓋范圍廣,在一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)碰撞會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失,極大地影響數(shù)據(jù)的傳輸效率。處理無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)碰撞的方式有競(jìng)爭(zhēng)和時(shí)分復(fù)用(TDMA)兩大類(lèi),競(jìng)爭(zhēng)方式是指節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)之前需要先檢測(cè)當(dāng)前信道是否空閑,若空閑則占用信道直接發(fā)送數(shù)據(jù),否則直至檢測(cè)到信道空閑為止。競(jìng)爭(zhēng)方式具有靈活性高、簡(jiǎn)單、穩(wěn)定等特點(diǎn),適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中,但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量增多且各節(jié)點(diǎn)發(fā)包頻率增大時(shí),信道會(huì)非常繁忙,致使數(shù)據(jù)傳送率下降,同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間的信道監(jiān)聽(tīng)會(huì)造成能量浪費(fèi)。
時(shí)分復(fù)用是為網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配獨(dú)立的用于數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時(shí)隙,而節(jié)點(diǎn)在其它空閑時(shí)隙內(nèi)轉(zhuǎn)入睡眠狀態(tài),這些特點(diǎn)很適合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能需求[7]。本文的星型網(wǎng)絡(luò)采用競(jìng)爭(zhēng)和時(shí)分復(fù)用相結(jié)合的方式,節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)采用競(jìng)爭(zhēng)方式,入網(wǎng)后采用分時(shí)方式發(fā)送數(shù)據(jù)。
基于TDMA的網(wǎng)絡(luò)必須建立網(wǎng)內(nèi)同步,使各個(gè)設(shè)備工作在同一時(shí)間基準(zhǔn)上。子網(wǎng)系統(tǒng)的同步時(shí)間以網(wǎng)關(guān)時(shí)間作為標(biāo)準(zhǔn),采用單向同步機(jī)制減少通信開(kāi)銷(xiāo)。由于節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí)間具有隨機(jī)性,采用競(jìng)爭(zhēng)方式發(fā)送入網(wǎng)申請(qǐng),同一信道的網(wǎng)關(guān)收到入網(wǎng)申請(qǐng)后則即刻下發(fā)時(shí)間戳、工作周期、時(shí)隙分配信息給節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)收到時(shí)間戳信息后估算發(fā)送延時(shí),調(diào)節(jié)本地時(shí)間完成時(shí)間同步,根據(jù)工作周期和時(shí)隙分配信息設(shè)置休眠及喚醒時(shí)間。
時(shí)間同步會(huì)存在時(shí)鐘誤差,包括時(shí)鐘偏差CS(Clock Skew)和時(shí)鐘漂移CD(Clock Drift),CS為同步建立之初,節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)的時(shí)鐘偏差;CD為節(jié)點(diǎn)晶體振蕩器的硬件差異引起的節(jié)點(diǎn)間的時(shí)鐘相對(duì)漂移[8]。時(shí)鐘誤差可能隨著時(shí)間的累積不斷增大,節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘誤差tce為:
輸水渠道內(nèi)坡普遍采用混凝土板襯砌結(jié)構(gòu),輸水運(yùn)行期的水位變化和汛期地下水水位的變化對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響是比較大的。在渠道管理運(yùn)行過(guò)程中,應(yīng)密切關(guān)注渠內(nèi)外水位的變化,采取措施,控制渠內(nèi)外水位差,減小渠道內(nèi)外地下水壓力對(duì)襯砌混凝土板的破壞作用,防止襯砌結(jié)構(gòu)破壞,保障工程良好運(yùn)行。
(1)
其中:f0為節(jié)點(diǎn)晶體振蕩器的標(biāo)稱(chēng)頻率,f(t)是晶振在t時(shí)刻的實(shí)際頻率,tcs為同步完成后的時(shí)鐘偏差。
節(jié)點(diǎn)在時(shí)間同步完成之后進(jìn)入休眠狀態(tài),在下一個(gè)工作周期所對(duì)應(yīng)的時(shí)隙之前喚醒,假設(shè)網(wǎng)絡(luò)為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配的時(shí)隙長(zhǎng)度為Δτ,網(wǎng)關(guān)的時(shí)間為tg,節(jié)點(diǎn)同步后經(jīng)過(guò)了N個(gè)工作周期T,節(jié)點(diǎn)i的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)刻為:
ti=N·T+i·Δτ+tg+tce
(2)
數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間即信道占用時(shí)間為td,與數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度和物理層發(fā)送速度相關(guān)。當(dāng)時(shí)鐘誤差累積到一定程度,相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間間隔小于td時(shí),數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間重疊便會(huì)產(chǎn)生無(wú)線(xiàn)碰撞,造成數(shù)據(jù)包的丟失。因此需要在時(shí)鐘誤差累積到一定值之前重新進(jìn)行時(shí)間同步。
由于節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘誤差和新節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)申請(qǐng)不可預(yù)測(cè),每個(gè)節(jié)點(diǎn)劃分的時(shí)隙長(zhǎng)度必然要大于數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間,假設(shè)新節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)耗時(shí)為te。為使節(jié)點(diǎn)快速入網(wǎng),這里定義時(shí)隙長(zhǎng)度的最小值:
Δτmin=td+te+2max(tce)
(3)
一般來(lái)說(shuō)數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間和新節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)耗時(shí)固定不變,最小時(shí)隙由時(shí)鐘誤差決定。因此單個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)容量為:
C=T/Δτmin
(4)
農(nóng)田信息采集節(jié)點(diǎn)模塊的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,由主控芯片、無(wú)線(xiàn)芯片、傳感器及其外圍電路及擴(kuò)展接口組成。可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田溫度、濕度等多個(gè)物理量的獲取,并通過(guò)射頻單元將獲取的農(nóng)田信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。節(jié)點(diǎn)還具有多路模擬數(shù)字?jǐn)U展通道、RS232等擴(kuò)展接口,可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行使用。
圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖
主控芯片選用意法半導(dǎo)體ST推出的低功耗系列芯片STM32L053,其基于ARM Cortex-M0+的內(nèi)核,最高主頻32 MHz,配置了8 KB RAM和64 KB Flash,擁有豐富的外設(shè)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(shù)據(jù)保存和低功耗定時(shí)計(jì)數(shù)器功能,喚醒時(shí)間僅需3.5 μs。滿(mǎn)足一般農(nóng)業(yè)環(huán)境下數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和傳輸?shù)囊蟆TO(shè)計(jì)時(shí)使用外部8 MHz晶振作為時(shí)鐘源,使用外部 32.768 kHz晶振作為RTC日歷時(shí)鐘源。
射頻芯片SX1276采用的是Semtech的LoRa無(wú)線(xiàn)調(diào)制解調(diào)器,內(nèi)置高效的循環(huán)交織糾錯(cuò)編碼,工作電壓1.8~3.7 V,最大鏈路預(yù)算可達(dá)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(guò)SPI方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,并且有5個(gè)中斷輸出引腳,用于產(chǎn)生中斷事件。
傳感器采用數(shù)字溫濕度傳感器SHT11,是含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器,溫度測(cè)量范圍-40~123.8℃,濕度測(cè)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(xiàn)串行接口與主控芯片進(jìn)行通信。
網(wǎng)關(guān)采用的主控芯片和射頻芯片與節(jié)點(diǎn)一樣,不需要接傳感器。為得到精確時(shí)間信息需增加一個(gè)GPS模塊,根據(jù)實(shí)際需求選擇串口、以太網(wǎng)或GPRS模塊,將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器。
傳感器節(jié)點(diǎn)程序主體流程如圖3所示。大致分為以下3個(gè)步驟。1)節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)及同步。節(jié)點(diǎn)在初始化之后進(jìn)行入網(wǎng)過(guò)程,先進(jìn)行信道檢測(cè),如果檢測(cè)出信道空閑直接發(fā)送數(shù)據(jù),否則等待一段隨機(jī)時(shí)間后,再進(jìn)行信道檢測(cè)直至發(fā)送成功。節(jié)點(diǎn)在發(fā)送完請(qǐng)求數(shù)據(jù)后立即切換到接收模式,若接收到網(wǎng)關(guān)的響應(yīng)數(shù)據(jù)則配置節(jié)點(diǎn)參數(shù),否則重新發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求。由于時(shí)鐘的漂移造成同步誤差增大,在入網(wǎng)成功后經(jīng)過(guò)K個(gè)周期后需要再次進(jìn)行時(shí)間同步。2)傳感器數(shù)據(jù)采集與處理。節(jié)點(diǎn)完成入網(wǎng)后在相應(yīng)的時(shí)間段內(nèi)喚醒并完成傳感器數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送。發(fā)送前先進(jìn)行一次信道檢測(cè),若信道占用則延時(shí)一個(gè)隨機(jī)時(shí)間后直接發(fā)送。3)低功耗。由于節(jié)點(diǎn)一般使用電池供電,為了降低功耗,節(jié)點(diǎn)大多數(shù)時(shí)間處于低功耗狀態(tài)。節(jié)點(diǎn)采用深度休眠設(shè)計(jì),主控芯片進(jìn)入停止模式,射頻芯片、傳感器均進(jìn)入低功耗模式。
圖3 節(jié)點(diǎn)軟件主流程圖
網(wǎng)關(guān)初始化后根據(jù)GPS時(shí)間定期調(diào)整時(shí)鐘,網(wǎng)關(guān)一般處于接收狀態(tài),當(dāng)收到入網(wǎng)請(qǐng)求后立即獲取本地RTC時(shí)間、工作周期、分配時(shí)隙信息并發(fā)送給節(jié)點(diǎn),當(dāng)收到同步請(qǐng)求后發(fā)送本地RTC時(shí)間,RTC時(shí)間信息精確到毫秒;當(dāng)收到正常的溫濕度數(shù)據(jù)后記錄下當(dāng)前時(shí)間、RSSI值等信息并將其進(jìn)行存儲(chǔ)處理,服務(wù)器通過(guò)Modbus協(xié)議對(duì)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用。網(wǎng)關(guān)主體流程如圖4所示。
圖4 網(wǎng)關(guān)軟件主流程圖
LoRa的設(shè)置參數(shù)決定LoRa通信的實(shí)際特性,包括傳輸速率、接收靈敏度和覆蓋范圍。本文中LoRa網(wǎng)絡(luò)工作頻段選擇780 MHz,帶寬125 kHz,擴(kuò)頻因子為7。數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為10,通過(guò)計(jì)算數(shù)據(jù)包傳輸所需時(shí)間td約為34 ms,入網(wǎng)同步耗時(shí)te約為70 ms,網(wǎng)關(guān)設(shè)置為最大發(fā)射功率20 dBm。利用邏輯分析儀測(cè)得時(shí)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(shí)鐘漂移CD最大約為72 ms/h,假設(shè)每小時(shí)進(jìn)行一次時(shí)間同步則最小時(shí)隙約為350 ms。假設(shè)將每個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)隙劃分為1 s,周期T為60 s,則單個(gè)子網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)容量為60。
無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)采用3.7 V鋰電池供電,射頻芯片發(fā)射功率為14 dBm,可實(shí)現(xiàn)視離2 km,非視距500 m的通信距離。利用功率分析儀測(cè)得節(jié)點(diǎn)在入網(wǎng)完成后一個(gè)周期的電流狀況如表1所示??梢园l(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送所需電流最大,數(shù)據(jù)采集耗時(shí)最長(zhǎng)。節(jié)點(diǎn)每小時(shí)進(jìn)行一次時(shí)間同步時(shí)的接收電流為20.6 mA,耗時(shí)45 ms,周期T設(shè)為60 s。通過(guò)計(jì)算單個(gè)節(jié)點(diǎn)每天消耗的電量為2.96 mAh,可以實(shí)現(xiàn)低功耗長(zhǎng)久工作。
表1 節(jié)點(diǎn)一個(gè)周期的電流消耗狀況
無(wú)線(xiàn)通信會(huì)受到各種因素的影響,鏈路質(zhì)量的研究有助于及時(shí)了解網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況。RSSI的值是評(píng)估鏈路質(zhì)量的重要指標(biāo),本系統(tǒng)通過(guò)改變節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)的距離,每次連續(xù)發(fā)送200個(gè)數(shù)據(jù)包,統(tǒng)計(jì)均值RSSI和包接收率。測(cè)得RSSI均值與包接收率的關(guān)系如圖5所示。
圖5 包接收率與RSSI的關(guān)系
由圖5可知當(dāng)RSSI的值大于-118 dBm時(shí),包接收率穩(wěn)定在0.9以上,為穩(wěn)定區(qū);當(dāng)RSSI值小于-118 dBm時(shí),包接收率隨著RSSI的減小而減小,為非穩(wěn)定區(qū),將該點(diǎn)定義為拐點(diǎn)。RSSI值為-127 dBm時(shí),包接收率接近0,將該點(diǎn)定義為零點(diǎn)。視距與非視距環(huán)境下包接收率與RSSI的關(guān)系相似,通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)非視距環(huán)境下的拐點(diǎn)和零點(diǎn)對(duì)應(yīng)的RSSI值較大,當(dāng)RSSI值相同時(shí),視距環(huán)境有更好的通信質(zhì)量。拐點(diǎn)的值可以為子網(wǎng)劃分提供重要的指導(dǎo)。
星型網(wǎng)絡(luò)的時(shí)隙長(zhǎng)度對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量和網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)碰撞有著根本影響。為進(jìn)一步測(cè)試網(wǎng)絡(luò)可靠性,將系統(tǒng)接入最大節(jié)點(diǎn)數(shù),且所有測(cè)試節(jié)點(diǎn)距網(wǎng)關(guān)近,通信質(zhì)量好。改變時(shí)隙長(zhǎng)度測(cè)得在5小時(shí)內(nèi)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的丟包率如表2所示。
表2 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)丟包率統(tǒng)計(jì)表
通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)隙長(zhǎng)度的增加,丟包率呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。當(dāng)時(shí)隙長(zhǎng)度大于500 ms節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)快速入網(wǎng),數(shù)據(jù)碰撞一般存在于新節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)時(shí),在所有節(jié)點(diǎn)完成入網(wǎng)后節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)幾乎沒(méi)有碰撞,整個(gè)系統(tǒng)的丟包率小于5%,可以滿(mǎn)足一般通信要求。但時(shí)隙長(zhǎng)度過(guò)大也會(huì)造成信道資源的浪費(fèi),因此選擇合適的時(shí)隙長(zhǎng)度對(duì)于權(quán)衡網(wǎng)絡(luò)的效率和容量非常重要。
為了解決傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)采集系統(tǒng)傳輸距離近、功耗高的問(wèn)題,本文根據(jù)LoRa的無(wú)線(xiàn)傳輸特性及應(yīng)用需求設(shè)計(jì)了一種多頻段TDMA周期性無(wú)線(xiàn)采集方案,主要對(duì)多頻段TDMA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、子網(wǎng)低碰撞率實(shí)現(xiàn)方法和網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙長(zhǎng)度選取方法進(jìn)行了分析介紹。并對(duì)節(jié)點(diǎn)功耗、無(wú)線(xiàn)鏈路質(zhì)量、時(shí)隙長(zhǎng)度進(jìn)行了測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:利用STM32L0和SX1276的LoRa節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案具有功耗低的優(yōu)勢(shì);利用RSSI值可以快速判斷鏈路質(zhì)量狀態(tài);選擇合適的時(shí)隙大小可以減小數(shù)據(jù)碰撞,提高網(wǎng)絡(luò)容量。該系統(tǒng)覆蓋范圍廣,功耗低,成本低,擴(kuò)展性能好且具有較高穩(wěn)定性,可以廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)等需要對(duì)信息進(jìn)行大范圍無(wú)線(xiàn)采集的領(lǐng)域,具有廣闊的應(yīng)用前景。