趙偉宏

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南昆明，650100）

0 前言

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，各界對于物聯(lián)網(wǎng)的接入需求也在不斷提升，而為了對這種社會發(fā)展需求加以滿足，布置簡單、覆蓋范圍廣、支持海量接入以及成本投入低的廣域網(wǎng)技術(shù)得到了快速的發(fā)展，對此類技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，能夠?yàn)檩^大范圍內(nèi)海量設(shè)備的互聯(lián)互通提供支持。也正因如此，該項(xiàng)技術(shù)在近些年當(dāng)中成為了相關(guān)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)內(nèi)容，其中LoRa 技術(shù)作為主流的廣域網(wǎng)技術(shù)，具有較為廣闊的應(yīng)用前景，而針對以智能手機(jī)為基礎(chǔ)的LoRa 無線傳輸系統(tǒng)進(jìn)行研究，能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域的發(fā)展開拓新的方向，這對于各領(lǐng)域的現(xiàn)代化發(fā)展具有非常重要的意義。

1 淺析LoRa 無線傳輸

從物理層面上來看，LoRa 技術(shù)對啁啾擴(kuò)頻（CSS）的私有物理層技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用，借助該項(xiàng)技術(shù)，可以將無線信號傳輸期間的多徑效應(yīng)有效降低。在早期階段，CSS 技術(shù)主要在航天領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用，其能夠在較大的距離中實(shí)現(xiàn)可靠性通信。LoRa 是其在大規(guī)模商用組網(wǎng)當(dāng)中的首次應(yīng)用。LoRa 除了傳輸距離遠(yuǎn)、可靠性高以外，在無線傳輸方面也具有較高的靈敏度，其靈敏度至少能夠保證在130dBm 以上。而通常情況下，LoRa 無線傳輸在組網(wǎng)當(dāng)中主要對星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)用，且在一個LoRaWAN 當(dāng)中涉及到數(shù)以百萬的節(jié)點(diǎn)，可以防止復(fù)雜多跳組網(wǎng)的出現(xiàn)。

但由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常會在室外應(yīng)用，運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，所以其無線傳輸效果往往會受到巨大的影響，特別是降雨天氣，對于LoRa 無線傳輸質(zhì)量的影響最為明顯。另外，在工廠廠區(qū)以及智能樓宇等環(huán)境中，由于設(shè)備干擾因素的存在，也會是傳輸效果受到一定的影響。而為了向LoRa網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)者提供相應(yīng)的參考依據(jù)，需要對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行使用，測量LoRa 在相關(guān)環(huán)境中的傳輸效能，進(jìn)而獲得更多的參考數(shù)據(jù)。由于LoRa 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)容易受到諸多因素的影響，所以無法長期使用造價太高的設(shè)備進(jìn)行測試，也不能以商業(yè)基站為基礎(chǔ)對傳輸效能數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時的獲取。而隨著智能手機(jī)的飛速發(fā)展，其在測試領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，由于智能手機(jī)的通信及運(yùn)算能力較強(qiáng)，其用戶UI 較為友好，能夠?yàn)橄嚓P(guān)測試工作提供諸多輔助功能。因此，文章提出了以智能手機(jī)為基礎(chǔ)的LoRa 無線傳輸測試系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

由于在對LoRa 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)時，需要以星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，所以，在測試其傳輸效能的過程中，可以借助點(diǎn)對點(diǎn)傳輸效能進(jìn)行觀測。但由于LoRa 技術(shù)屬于私有技術(shù)，所以無法確定相應(yīng)的技術(shù)細(xì)節(jié)。而對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，其核心功能在于：能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行可靠的傳輸，因此，系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸成功率當(dāng)做衡量傳輸效果的重要依據(jù)。而成功接收則代表接收內(nèi)容與發(fā)送內(nèi)容未發(fā)生改變。另外，系統(tǒng)主要應(yīng)用了Android 智能手機(jī)，其中安裝了相應(yīng)的App，在與相關(guān)配套測試節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)合應(yīng)用以后，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能的有效發(fā)揮。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 智能手機(jī)端APP 設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)當(dāng)中，智能手機(jī)是最為核心的內(nèi)容，其功能主要是借助測試App 來實(shí)現(xiàn)的，而測試App 涉及到測試功能管理模塊、NFC 標(biāo)簽管理模塊、BLE 連接模塊、定位模塊、用戶UI 模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊以及數(shù)據(jù)存儲模塊等諸多模塊。測試用智能手機(jī)端APP 結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，其中第一，測試管理模塊在該App 當(dāng)中的主要作用是：LoRa 負(fù)載、測試參數(shù)記錄、測試過程同步、觸發(fā)信號管理以及管理用戶設(shè)定等。第二，通過NFC 標(biāo)簽管理模塊，智能手機(jī)可以對儲存在節(jié)點(diǎn)NFC 標(biāo)簽中的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行獲取，包括藍(lán)牙連接信息以及節(jié)點(diǎn)ID 等。第三，BLE 連接模塊則負(fù)責(zé)對連接節(jié)點(diǎn)和智能手機(jī)間的藍(lán)牙連接進(jìn)行建立和管理。第四，定位模塊能夠利用智能手機(jī)中的高德地圖或者是百度接口對節(jié)點(diǎn)的位置進(jìn)行獲??；第五，網(wǎng)絡(luò)通信模塊主要在測試期間對從智能手機(jī)當(dāng)中通過的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。在完成一次測試工作以后，利用App 的數(shù)據(jù)存儲模塊可以將測試結(jié)果記錄在手機(jī)的存儲空間當(dāng)中，為后續(xù)應(yīng)用提供支持。第六，用戶UI 模塊能夠?yàn)橛脩籼峁┫鄳?yīng)的操作界面，用戶在使用期間只需要將智能手機(jī)與靠近節(jié)點(diǎn)的NFC 標(biāo)簽貼近，就能夠與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。并且可以根據(jù)測試要求對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置并開展測試工作。在完成測試操作以后，相關(guān)結(jié)果會向用戶進(jìn)行反饋，并記錄下來。如果需要長時間的進(jìn)行測試，則用戶可以對自動測試模式進(jìn)行應(yīng)用，將手機(jī)設(shè)置在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，即可對數(shù)據(jù)進(jìn)行自動的接收與發(fā)送。

圖2 測試用智能手機(jī)端APP 結(jié)構(gòu)圖

4 測試節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

因?yàn)樵诒鞠到y(tǒng)當(dāng)中，很多功能都需要由智能手機(jī)作為載體，因此，在測試節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方面具有一定的精簡性。在節(jié)點(diǎn)當(dāng)中，可以結(jié)合實(shí)際對微控制器進(jìn)行應(yīng)用，并將其作為節(jié)點(diǎn)的重要組成部分。與此同時，節(jié)點(diǎn)當(dāng)中涉及到RN4020藍(lán)牙模塊以及BLE 模塊，且模塊在發(fā)送成功率方面能夠達(dá)到7dBm,在接收靈敏度方面則可以達(dá)到-92.5dBm,也正是由于其具有較高的發(fā)送功率和接收靈敏度，使得其完全能夠保證智能手機(jī)和節(jié)點(diǎn)間通信的可靠性。而且在節(jié)點(diǎn)附近進(jìn)行NFC 芯片的設(shè)置，還可以將藍(lán)牙連接信息以及節(jié)點(diǎn)ID 寫入其中。另外，對相關(guān)電源模塊進(jìn)行應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的可靠供電。通過對衰減器、天線以及LoRa 通信測試模塊的結(jié)合應(yīng)用，可以使節(jié)點(diǎn)在特定區(qū)間當(dāng)中使用任意LoRa 發(fā)射功率［1］。如果用戶對于功率要求相對較高，則可以對LoRa測試模塊進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以此來滿足用戶在發(fā)射功率方面的要求。節(jié)點(diǎn)通常會在PVC 管狀容器當(dāng)中進(jìn)行封存，用戶可以利用頂部旋開口完成相關(guān)操作，例如節(jié)點(diǎn)維護(hù)以及節(jié)點(diǎn)升級等。而具體的節(jié)點(diǎn)測試流程如圖3 所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)測試工作流程圖

5 測試結(jié)果及討論

對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，在對其進(jìn)行設(shè)計(jì)、安裝以及維護(hù)的過程中，需要對海量的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用，且這些數(shù)據(jù)必須要以數(shù)據(jù)傳輸作為中心。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用的主要目的是為了對較長時間周期當(dāng)中分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，并在特定情況下完成相應(yīng)的測試工作。在測試期間，相關(guān)人員對測試場地進(jìn)行了選擇，使用兩個測試場地對樓宇間的LoRa無線傳輸進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)期間，需要將節(jié)點(diǎn)功率設(shè)置成20dBm。而天線增益則可以設(shè)置為3dB，應(yīng)用的手機(jī)可以是華為Mate2。在測試過程中，需要將各節(jié)點(diǎn)設(shè)置在較高的位置。例如，在對場地1 進(jìn)行測試的過程中，通過App可以對節(jié)點(diǎn)間距進(jìn)行讀取，具體為523m，而對場地2 進(jìn)行測試期間，通過App 可測得節(jié)點(diǎn)間距是557m。

針對該系統(tǒng)的運(yùn)行情況，工作人員進(jìn)行了相應(yīng)的測試，通過測試可以確定，LoRa 在樓宇間的無線傳輸確實(shí)會受到惡劣天氣的影響，特別是降雨天氣是影響傳輸質(zhì)量的主要因素。根據(jù)系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)對每個月平均的數(shù)據(jù)傳輸成功率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)，在降水較少的情況下，場地1 的月平均數(shù)據(jù)傳輸成功率具有較高的分布下限。但在進(jìn)入夏季以后，由于場地1 當(dāng)中的降水增多，其月平均數(shù)據(jù)傳輸成功率會出現(xiàn)分布下限降低的情況。而在場地2 的測試過程中，由于場地2 所在區(qū)域降水相對較多，因此，其每個月平均的數(shù)據(jù)傳輸成功率存在分布下限較低的現(xiàn)象，而且在降雨較大的情況下，LoRa 無線傳輸還會出現(xiàn)無法完成的問題，這里的傳輸無法完成指的是傳輸中斷。也就是在128 秒以內(nèi)，LoRa 數(shù)據(jù)包不能正常發(fā)送，反之，傳輸恢復(fù)就是在128 秒當(dāng)中，LoRa 數(shù)據(jù)能夠完成傳輸，且沒有數(shù)據(jù)丟失的情況。而對本文的系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用，能夠確定因?yàn)榻涤暝斐蓚鬏斨袛嗟木唧w時間，這些數(shù)據(jù)信息的記錄主要是由從節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的，在完成記錄以后，會與主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互。而具體的傳輸中斷次數(shù)及傳輸中斷時長如圖4 所示。根據(jù)圖4 可以發(fā)現(xiàn)，在場地2 當(dāng)中，由于降雨造成的傳輸中斷問題，不管是出現(xiàn)的概率，還是中斷的時間，都要比雨水較少的場地1 多很多，甚至有時會出現(xiàn)連續(xù)數(shù)小時中斷的情況，而由于場地1 所在區(qū)域以陣雨居多，所以在長期傳輸?shù)那闆r下，并不會產(chǎn)生太大的影響。而利用類似的數(shù)據(jù)采集方式，獲得的測試結(jié)果能夠幫助相關(guān)人員對LoRa 無線傳輸方面的管理機(jī)制進(jìn)行科學(xué)的編制，包括數(shù)據(jù)采集機(jī)制、技術(shù)人員輪詢機(jī)制以及緩存機(jī)制等等。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸中斷次數(shù)和時長

根據(jù)以往的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，無線傳輸距離通常會受農(nóng)業(yè)環(huán)境中作物生長情況的影響，而在上述測試當(dāng)中也驗(yàn)證了這一點(diǎn)，如圖5 所示為測試結(jié)果，當(dāng)作物生長周期不同的情況下，LoRa 無線傳輸在可靠傳輸距離方面也會出現(xiàn)相應(yīng)的變化，這主要是因?yàn)閭鬏斁嚯x會受到植物枝干以及冠層等因素的影響，并出現(xiàn)縮短的情況，因此，相關(guān)領(lǐng)域的工作人員在針對智慧農(nóng)業(yè)進(jìn)行LoRa 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的過程中，還應(yīng)該將植物種植方面的相關(guān)數(shù)據(jù)納入其中，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠更加科學(xué)、可靠。

圖5 測試結(jié)果圖

6 結(jié)論

綜上所述，文章提出了一種以智能手機(jī)為基礎(chǔ)的LoRa 無線傳輸效能測試系統(tǒng)，其主要是由智能手機(jī)和相關(guān)的測試節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，具有成本投入低、結(jié)構(gòu)簡單、便捷實(shí)用等諸多優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)﹂L時間周期中的分散數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的獲取。而且在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)以后，相關(guān)人員在智能樓宇以及智慧農(nóng)業(yè)等場景當(dāng)中進(jìn)行了相應(yīng)的測試活動，通過測試可以確定，與現(xiàn)有WiFi 以及藍(lán)牙等無線傳輸網(wǎng)絡(luò)相比，LoRa 無線傳輸具有更高的傳輸效能。但其應(yīng)用效果容易受到所在區(qū)域環(huán)境的影響。盡管如此，應(yīng)用該系統(tǒng)結(jié)合數(shù)據(jù)傳輸成功率等測量指標(biāo)，仍然可以對與環(huán)境相關(guān)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，所以，該系統(tǒng)對于相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展具有很大的參考價值，因此，相關(guān)領(lǐng)域?qū)τ谠撓到y(tǒng)一定要保持高度的重視，要結(jié)合實(shí)際對其進(jìn)行深入的研究，使其能夠在現(xiàn)代社會發(fā)展中發(fā)揮更大的作用。