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(yè)技術(shù)學(xué)院，溫州 325035）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，伴隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，智能樓宇、智慧城市、智能家居以及無線抄表等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速蔓延，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人類日常工作、生活和學(xué)習(xí)中扮演著重要的角色[1]。在智能家居、智能樓宇等區(qū)域網(wǎng)通信場(chǎng)景中，常采用短距離通信技術(shù)，如WiFi、藍(lán)牙、ZigBee等[2，3]。但在智慧城市、智能交通以及遠(yuǎn)距離戶外網(wǎng)絡(luò)等通信場(chǎng)景中，廣范圍、遠(yuǎn)距離成為首先考慮的條件。目前，典型的遠(yuǎn)距離通信技術(shù)有Cat1、Cat2、NB-IoT、LoRa等[4-7]。其中Cat通信設(shè)備使用運(yùn)營商設(shè)備產(chǎn)生的4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，通常需要搭載SIM卡，會(huì)產(chǎn)生一定的資費(fèi)，從而增加運(yùn)營成本，并且在信號(hào)不佳的條件下無法使用。NB-IoT技術(shù)具有低功耗、覆蓋能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是需要與運(yùn)營商基站復(fù)用，實(shí)際應(yīng)用過程中，在信號(hào)較差的場(chǎng)景下經(jīng)常出現(xiàn)各類故障，從而導(dǎo)致通信中斷。LoRa作為一種面向低功耗遠(yuǎn)距離應(yīng)用場(chǎng)景的新興無線通信技術(shù)，具有覆蓋范圍廣、能耗低、可靈活組網(wǎng)、支持廣播、定點(diǎn)模式等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地解決傳輸距離和系統(tǒng)功耗之間的平衡問題，克服復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景及通信干擾所帶來的諸多問題。目前，LoRa通信以自適應(yīng)組網(wǎng)和較好的性能優(yōu)勢(shì)已廣泛應(yīng)用在智慧城市、智能交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域[8]。

在智慧城市建設(shè)中，水循環(huán)系統(tǒng)的合理配分和節(jié)約水資源也是不容忽視的一個(gè)問題，傳統(tǒng)城市建設(shè)中，園林綠化和農(nóng)業(yè)水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，傳統(tǒng)的灌溉系統(tǒng)由于設(shè)備陳舊和管理不當(dāng)，浪費(fèi)了大約30%的水資源，通過LoRa遠(yuǎn)距離數(shù)傳系統(tǒng)接入智能灌溉系統(tǒng)，安裝在土壤中的傳感器經(jīng)由LoRa系統(tǒng)接入智慧城市管理終端，通過分析土壤溫度、濕度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)閥門進(jìn)出水量，不僅可以節(jié)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(tǒng)示意圖。

圖1 智能灌溉示意圖

1 LoRa調(diào)制技術(shù)原理

LoRa是基于線性調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)（CSS）的一種調(diào)制方案，通過產(chǎn)生頻率線性變化的調(diào)制信號(hào)來實(shí)現(xiàn)頻譜的擴(kuò)展，并結(jié)合前向糾錯(cuò)（FEC）來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離低功耗通信。此外，LoRa的調(diào)制方案還有效解決了無線通信系統(tǒng)中常見的多徑衰落和多普勒頻移，并且利用正交的擴(kuò)頻序列提高了信道容量。本文結(jié)合LoRa調(diào)制方案中的參數(shù)配置，分析了LoRa物理層通信的關(guān)鍵特點(diǎn)，并據(jù)此完成系統(tǒng)開發(fā)。

LoRa擴(kuò)頻技術(shù)也稱為L(zhǎng)oRa頻譜擴(kuò)展通信。使用較寬的信號(hào)帶寬傳輸無線信號(hào)，并具有良好的對(duì)抗多徑衰落和多普勒效應(yīng)的能力，目前LoRa接收芯片接收靈敏度較高，甚至可以將一個(gè)比噪聲低19.5dB的信號(hào)恢復(fù)出來，使用LoRa擴(kuò)頻技術(shù)可以進(jìn)行低功耗遠(yuǎn)距離的通信。

擴(kuò)頻通信是以增大帶寬或犧牲傳輸時(shí)延換取在低信噪比情況下接收數(shù)據(jù)的有效性和可靠性。一般分為直接序列擴(kuò)頻、跳頻、跳時(shí)等。LoRa主要采用直接序列擴(kuò)頻和跳頻相結(jié)合。直接擴(kuò)頻原理是將要發(fā)送的原始信息先進(jìn)行信源編碼、信道編碼，其中在LoRa技術(shù)的信道編碼中使用了前向糾錯(cuò)碼，一般分為重復(fù)碼、分組碼、卷積碼等。其基本思想是在發(fā)送端通過前向糾錯(cuò)碼增加一段冗余信息，以便接收端接收到錯(cuò)誤碼元后通過前向糾錯(cuò)機(jī)制進(jìn)行恢復(fù)，以降低誤碼率，提高系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

LoRa擴(kuò)頻技術(shù)采用多個(gè)碼片將傳輸信息切分，其中符號(hào)速率和碼片速率與擴(kuò)頻因子的關(guān)系可用公式表示。

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

其中，又可知

所以有

在公式（3）中，Rb為調(diào)制比特率，BW為信號(hào)帶寬。

碼元傳輸時(shí)長(zhǎng)Ts為：

采取跳頻的原因是在數(shù)據(jù)量大的時(shí)候，可能單個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送時(shí)間超出最大信道占用時(shí)常，在這種情況下，就可以采取跳頻方式，將數(shù)據(jù)包切成單個(gè)碼片，在多個(gè)信道上同時(shí)傳輸，接收機(jī)接收到切片數(shù)據(jù)后再進(jìn)行恢復(fù)，從而完成一個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收。該種方式計(jì)算量小，減輕系統(tǒng)負(fù)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(hào)傳輸時(shí)間及靈敏度的一個(gè)重要因素，增大信號(hào)帶寬可以有效的縮短數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，但同時(shí)會(huì)犧牲一定的靈敏度。相反，降低信號(hào)帶寬可以獲得靈敏度的顯著改善，獲得更好的通信質(zhì)量及更遠(yuǎn)的通信距離。

從以上的分析及測(cè)試中可以得出以下結(jié)論：

LoRa數(shù)據(jù)包的空中傳輸時(shí)間隨著帶寬的增加而減少，但卻隨著擴(kuò)頻因子、編碼率、負(fù)載長(zhǎng)度以及前導(dǎo)碼長(zhǎng)度增加而增，數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間越長(zhǎng)，信號(hào)的通信質(zhì)量及靈敏度越高。所以在該種調(diào)制方式下相對(duì)于FSK、OOK等傳統(tǒng)調(diào)制方式，其在保證較遠(yuǎn)的傳輸距離的同時(shí)是以犧牲傳輸速率為代價(jià)的。因此本系統(tǒng)在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中應(yīng)該靈活的進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，從而在帶寬、靈敏度以及數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間做出一個(gè)較好的平衡。

2 LoRa數(shù)傳系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)整體概述

LoRa通信系統(tǒng)由于其獨(dú)特的調(diào)制和擴(kuò)頻機(jī)制，可滿足在低功耗、遠(yuǎn)距離、免布線等場(chǎng)合使用。本次開發(fā)的LoRa數(shù)傳系統(tǒng)主要由主控模塊、LoRa射頻模塊、上位機(jī)、PLC以及天線組成。其中主控模塊和PLC使用RS485通信協(xié)議進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)收發(fā)，主控模塊與上位機(jī)通過TTL轉(zhuǎn)USB進(jìn)行LoRa設(shè)備的配置和進(jìn)行距離測(cè)試。天線采用單極子433MHz純銅振子天線，饋線長(zhǎng)度50CM。如圖2為整體系統(tǒng)框圖。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

2.2 MCU和LoRa射頻芯片選型

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可行性同時(shí)滿足研發(fā)周期的限制，LoRa通信系統(tǒng)本次采用國產(chǎn)億兆創(chuàng)新生產(chǎn)的GD32F103C8T6芯片，與ST公司的芯片相比，在價(jià)格上具有極大優(yōu)勢(shì)，此外，除少數(shù)定時(shí)器中斷、DMA傳輸有差異外，其他外設(shè)基本兼容。這樣在等代碼開發(fā)方面非常方便，也間接地降低了開發(fā)周期，減少成本。

此外，LoRa射頻芯片采用美國升特公司研發(fā)的專為低功耗、遠(yuǎn)距離開發(fā)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)，表1從調(diào)制方式、工作頻率、功率、傳輸距離四個(gè)方面對(duì)市場(chǎng)上常見的射頻芯片進(jìn)行對(duì)比分析。

由表1可知，上述幾款芯片都是適用于低數(shù)據(jù)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(yōu)勢(shì)。

表1 射頻芯片數(shù)據(jù)對(duì)比

2.3 硬件電路設(shè)計(jì)

2.3.1 電源電路設(shè)計(jì)

電源承擔(dān)著整個(gè)系統(tǒng)的能量輸入，該系統(tǒng)電源部分包括一級(jí)降壓電路和二級(jí)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(jí)電路使用。通過ASM1117線性穩(wěn)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(fā)射狀態(tài)下，會(huì)有1W的瞬時(shí)發(fā)射功率。

所以設(shè)計(jì)出一款滿足整個(gè)系統(tǒng)峰值功耗的電源電路至關(guān)重要。同時(shí)電源設(shè)計(jì)應(yīng)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(shè)計(jì)

射頻電路設(shè)計(jì)是整個(gè)通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，影響著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。所以該部分電路的設(shè)計(jì)要遵循科學(xué)合理的原則。圖4為射頻電路設(shè)計(jì)模塊。

圖4 射頻電路設(shè)計(jì)

2.4 PCB整體設(shè)計(jì)和實(shí)物展示

經(jīng)過PCB的設(shè)計(jì)與制作，最終電路板長(zhǎng)度為2375mil，寬度3005mil，可使用導(dǎo)軌安裝。仿真圖如圖5所示。

圖5 LoRa數(shù)傳系統(tǒng)仿真圖

3 LoRa數(shù)傳系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)采用Qt Company開發(fā)的跨平臺(tái)圖形界面程序，支持Windows系統(tǒng)、Linux、Unix系統(tǒng)使用。上位機(jī)界面清新簡(jiǎn)潔，且具有完善的功能，可通過上位機(jī)軟件對(duì)LoRa系統(tǒng)進(jìn)行寄存器配置、改變波特率、進(jìn)行距離測(cè)試等功能。

上準(zhǔn)備兩臺(tái)LoRa數(shù)傳模塊，上位機(jī)連接設(shè)備后打開距離測(cè)試板塊，試該距離下丟包率，并根據(jù)實(shí)際場(chǎng)景判斷該丟包率是否滿足應(yīng)用場(chǎng)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(fā)送或者循環(huán)發(fā)送（只能選擇一項(xiàng)），負(fù)載數(shù)據(jù)中添加字符串，例如：“123456789”，點(diǎn)擊開始測(cè)試按鈕；

③測(cè)試結(jié)束后查看測(cè)試結(jié)果，通過一臺(tái)設(shè)備的發(fā)送包數(shù)和另一臺(tái)設(shè)備的接收包數(shù)計(jì)算丟包率。上位機(jī)軟件配置說明如圖6所示。

圖6 設(shè)備界面配置

4 系統(tǒng)整體性能測(cè)試

在無線數(shù)傳系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后，需要進(jìn)行實(shí)地測(cè)試來檢測(cè)所需要的功能是否能實(shí)現(xiàn)，下面本章將在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行通信性能測(cè)試及功能模塊測(cè)試。

4.1 LoRa數(shù)傳系統(tǒng)功率測(cè)試

通過上位機(jī)軟件對(duì)LORA模組進(jìn)行配置，設(shè)定發(fā)射功率27dBm。配置后，使用Rohde&Schwarz公司生產(chǎn)的FSL18系列頻譜儀進(jìn)行采樣，見圖7。

圖7 配置及測(cè)試結(jié)果

頻譜儀實(shí)際測(cè)試發(fā)射功率為26.45dBm，經(jīng)計(jì)算，能量傳輸效率達(dá)到97.96%，符合預(yù)期效果。另外LoRa模組可配置發(fā)射功率為21dBm，24dBm，27dBm，30dBm。測(cè)試方法類似，不再贅述。

4.2 LoRa數(shù)傳系統(tǒng)丟包率測(cè)試

對(duì)兩臺(tái)LORA通信模塊無線輸傳LoRa通信模塊同時(shí)進(jìn)行收丟包率測(cè)試。間距10米，每次傳輸10個(gè)字節(jié)。

測(cè)試界面如圖8所示。LoRa通信模塊A累計(jì)發(fā)送30550個(gè)包，累計(jì)傳輸305500字節(jié)。LoRa通信模塊B收到30229個(gè)包，累計(jì)收到302290字節(jié)，丟包率為1.05%。LoRa通信模塊B發(fā)送30560個(gè)包，累計(jì)發(fā)送305600字節(jié)，LoRa通信模塊A收到30201包，累計(jì)收到302010字節(jié)，計(jì)算丟包率為1.17%。

圖8 丟包率測(cè)試界面

4.3 LoRa數(shù)傳系統(tǒng)距離測(cè)試

使用12V移動(dòng)電源對(duì)LoRa數(shù)傳模塊進(jìn)行供電。兩個(gè)上位機(jī)軟件將數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)送，大約1000次收發(fā)后停止發(fā)送，采集數(shù)據(jù)。

圖9實(shí)測(cè)地圖顯示

圖9 為哈爾濱市先鋒路，測(cè)試長(zhǎng)度4公里。

采集數(shù)據(jù)及丟包率見表2。

表2 距離測(cè)試丟包率

由表2的測(cè)試結(jié)果可知，在測(cè)試過程中，考慮到實(shí)際路況車流、橋梁路面坡度對(duì)LoRa數(shù)傳系統(tǒng)距離和丟包率的影響，在發(fā)射功率30dBm下，丟包率10%左右，通信距離達(dá)到4千米，符合預(yù)期效果。

5 結(jié)論

相對(duì)于現(xiàn)有的短距離數(shù)據(jù)通信方式，LoRa網(wǎng)絡(luò)在傳輸距離、功耗、實(shí)現(xiàn)成本和穩(wěn)定性上都具有較大的優(yōu)勢(shì)，非常適用于遠(yuǎn)距離通信。本文開發(fā)的LoRa數(shù)傳系統(tǒng)，通過對(duì)發(fā)射功率、傳輸距離、丟包率等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，能量傳輸效率達(dá)到97.96%，4千米路況下誤碼率維持在10%左右。所有指標(biāo)均符合項(xiàng)目需求和預(yù)期效果。此外，LoRa數(shù)傳系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了自動(dòng)恢復(fù)功能，一般故障以及強(qiáng)干擾情況下可自動(dòng)重啟恢復(fù)通信，增加系統(tǒng)的魯棒性和健壯性?；贚oRa的數(shù)傳系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、高效、穩(wěn)定的遠(yuǎn)距離通信，已在智慧園林灌溉中廣泛使用。