LORA技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低功耗無線數(shù)據(jù)傳輸

中國船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所 龔天平

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LORA技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低功耗無線數(shù)據(jù)傳輸

中國船舶重工集團(tuán)公司第七一○研究所 龔天平

【摘要】本文詳細(xì)介紹了LORA技術(shù)和芯片，列出了幾種無線通信技術(shù)對(duì)比表，設(shè)計(jì)了以Semtech公司SX1212為無線收發(fā)器的電路，給出了以ST公司ARM芯片STM32F373為MCU的信號(hào)監(jiān)測無線數(shù)傳軟件流程圖。實(shí)測數(shù)據(jù)表明LORA芯片可以兼容超長距離和超低功耗的無線數(shù)據(jù)傳輸。

【關(guān)鍵詞】LORA；無線通信；信號(hào)監(jiān)測；超長距離；超低功耗

0　引言

物聯(lián)網(wǎng)在中國已經(jīng)發(fā)展了多年，無論是智能工業(yè)、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、可穿戴設(shè)備等都面臨全面爆發(fā)的趨勢。物聯(lián)網(wǎng)有三個(gè)關(guān)鍵要素：感知、智能、互聯(lián)。物聯(lián)網(wǎng)在感知和智能方面已有新的進(jìn)展，而在互聯(lián)上，卻依然依賴適用于互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)連接方式，如2G、3G、4G等，即使是面向物與物相聯(lián)的WiFi、藍(lán)牙、ZigBee網(wǎng)絡(luò)也還是不適應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)連接的需求，從無線應(yīng)用開發(fā)和工程運(yùn)維人員角度來看，一直以來都存在這樣一個(gè)兩難問題：即設(shè)計(jì)人員在更長的距離和更低的功耗兩者之間只能二選一，所以互聯(lián)已成為制約物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模普及的因素。

2013年8月，Semtech公司向業(yè)界發(fā)布了一種新型、基于1GHz以下的超長距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)（簡稱LoRa）的芯片。其接收靈敏度達(dá)到了驚人的-148dbm，其功耗極低且不需要使用昂貴的溫補(bǔ)晶振，引起了極大的關(guān)注。由于該產(chǎn)品使用一種特殊的擴(kuò)頻技術(shù)，這使得不同擴(kuò)頻序列的終端即使使用相同的頻率同時(shí)發(fā)送也不會(huì)相互干擾。在此基礎(chǔ)上研發(fā)的集中器/網(wǎng)關(guān)能夠并行接收并處理多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，大大擴(kuò)展了系統(tǒng)容量。采用LoRa技術(shù)之后，設(shè)計(jì)人員可以最大程度地實(shí)現(xiàn)更長距離的通信與更低的功耗，同時(shí)還可節(jié)省額外的中繼器成本。以LoRa為代表的低功耗、遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)，有機(jī)會(huì)打破物聯(lián)網(wǎng)在互聯(lián)方面的瓶頸，基于該技術(shù)的測距和定位功能將會(huì)推動(dòng)它在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。

1　LORA技術(shù)簡介

LoRa采用星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，它是具有最低延遲、最簡單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。基于LoRa的擴(kuò)頻芯片，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與集中器直接組網(wǎng)連接，構(gòu)成星形；對(duì)于遠(yuǎn)距離的節(jié)點(diǎn)，可使用網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行中繼組網(wǎng)連接。LoRa網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商既可以搭建覆蓋范圍較廣的廣域網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，也可以通過簡單的網(wǎng)關(guān)設(shè)備搭建局域網(wǎng)，只要物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中嵌入LoRa芯片或模塊，即可快速實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)和快速配置。廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)兩種環(huán)境中均可實(shí)現(xiàn)便捷組網(wǎng)，在與以自組網(wǎng)見長的ZigBee協(xié)議比較，具有明顯的優(yōu)勢。應(yīng)用于低成本傳感網(wǎng)的解決方案LoRa使用新型的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，大大提升了物理層硬件的性能，并且在省電方面相比WIFI、藍(lán)牙技術(shù)有了明顯的改進(jìn)。

在實(shí)際應(yīng)用中，采用LoRa協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備無線通信距離超過15公里（郊區(qū)環(huán)境），電池使用壽命可達(dá)10年以上，并且能夠?qū)?shù)百萬的無線傳感器節(jié)點(diǎn)與LoRa技術(shù)網(wǎng)關(guān)連接起來，這一優(yōu)勢是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊標(biāo)準(zhǔn)無法達(dá)到的。幾種無線通信方式的傳輸距離、速率、功耗對(duì)比如表1所示：

表1　幾種無線通信方式對(duì)比表

2　LORA芯片介紹

在信號(hào)監(jiān)測無線數(shù)傳系統(tǒng)中，無線數(shù)傳芯片采用SEMTECH公司的LoRaTM調(diào)制技術(shù)的無線射頻芯片SX1212，用于把傳感器采集的各類信號(hào)（例如聲音、壓力、磁場等等）通過無線遠(yuǎn)距離發(fā)送出去，也可以接收控制中心或手持自檢預(yù)置器的命令。無線數(shù)傳芯片與MCU通過SPI接口進(jìn)行通訊。

SX1212具有超遠(yuǎn)距離擴(kuò)頻調(diào)制通訊、高抗干擾性和超低電流功耗，采用星型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能夠?qū)?shù)百萬的無線傳感器節(jié)點(diǎn)與LoRa技術(shù)網(wǎng)關(guān)連接起來。采用LoRaTM模式可以實(shí)現(xiàn)-110 dbm的高接收靈敏度，+12.5 dbm的發(fā)射功率，低至3 mA的接收電流消耗，發(fā)射電流為25 mA @ +10 dbm。適用于300～510 MHz頻段，支持多種調(diào)制格式：FSK、ASK和OOK。SX1212集成度非常高，包含了射頻功能和邏輯控制功能的集成電路，內(nèi)部集成壓控振蕩器、鎖相環(huán)電路、功率放大電路、低噪聲放大電路、調(diào)制解調(diào)電路、變頻器、中放電路等，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)150Kbps，數(shù)據(jù)處理功能包括一個(gè)64字節(jié)的FIFO，包處理、自動(dòng)CRC生成和數(shù)據(jù)白化。SX1212采用TQFN-32封裝，體積為5*5*1mm。若想傳輸距離更遠(yuǎn)，可以采用SX1276，它的接收靈敏度高達(dá)-148dbm，輸出功率高達(dá)+20dbm，接收電流為10mA，工作頻段為137～1020 MHz。

士兵佩帶的自檢預(yù)置器上的無線收發(fā)芯片采用TI公司的CC430f6127，用于接收無線數(shù)傳模塊發(fā)送來的各類傳感器采集到的物理場信號(hào)，并通過無線方式預(yù)置參數(shù)，下達(dá)命令。CC430f6127是一款自帶無線收發(fā)芯片的微控制器（MCU），內(nèi)部集成了16位微功耗單片機(jī)MSP430F6XX和無線射頻收發(fā)芯片CC1101，還有96段的LCD驅(qū)動(dòng)器，具有4 KB RAM、32 KB Flash、12位的ADC、DMA、32位的硬件乘法器。CC430f6127的接收靈敏度高達(dá)-117 dbm，發(fā)射功率最大為+12 dbm，接收電流為15 mA，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)500Kbps。適用于300～928 MHz頻段，支持多種調(diào)制格式：2-FSK、2-GFSK、MSK、ASK和OOK。CC430f6127采用VQFN-64封裝，體積為9.8*9.8*1mm。

3　LORA在信號(hào)偵測方面的應(yīng)用

分布式信號(hào)偵測系統(tǒng)是一種利用各種物理特性、偵測傳感器隱蔽布設(shè)于敵人活動(dòng)區(qū)域晝夜不斷地監(jiān)視敵人活動(dòng)的一種無源、隱蔽探測技術(shù)，在歐美已成為僅次于雷達(dá)、光電之后的第三種重要情報(bào)偵察技術(shù)與手段。分布式偵測微型模塊可以通過飛機(jī)大面積空投布放在監(jiān)測區(qū)域，用于實(shí)時(shí)采集被監(jiān)測區(qū)域的聲音、壓力、震動(dòng)、磁場等物理場信號(hào)，并通過無線收發(fā)器把數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)距離監(jiān)測中心。由于采用紐扣電池供電，且信號(hào)必須通過無線方式發(fā)送出去，因此利用LoRa實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、低功耗無線傳輸成為該系統(tǒng)的關(guān)鍵。

3.1無線傳輸模塊硬件電路設(shè)計(jì)

無線收發(fā)器用于將采樣的物理場信號(hào)進(jìn)行編碼，按照相應(yīng)格式把數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)測中心，其硬件電路原理圖如圖1所示。

圖1　無線數(shù)據(jù)傳輸模塊電路原理圖

圖1中的U4是聲表面濾波器，用于衰減規(guī)定頻帶以外的信號(hào)；C16、L1、C10是阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，用于提高帶負(fù)載能力；L3、L4是壓控振蕩器電感，調(diào)整電感值，即可改變系統(tǒng)工作頻率；R10、

C24、C25是鎖相環(huán)電路，用于穩(wěn)定鎖住輸入信號(hào)的相位。

3.2電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

LORA芯片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是RF前端的匹配電路的設(shè)計(jì)。高頻部分的走線盡量的短粗，電源線、地以及其它信號(hào)線的走線方向盡量平行，以提高抗干擾能力；盡量縮短元器件之間的連線，以降低相互間的電磁干擾；元器件參數(shù)要根據(jù)線路板的實(shí)際情況作出適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，以抵消分布參數(shù)的影響。一般的RF芯片發(fā)射與接收端口的阻抗并不是標(biāo)準(zhǔn)的50Ω天線匹配，天線盡量選取高增益的棒狀天線，以最大程度地延長通信距離。

圖2　信號(hào)偵測無線數(shù)傳軟件流程圖

3.3軟件流程圖

SX1212有4種工作模式，分別是正常模式、喚醒模式、省電模式、休眠模式，在程序中通過對(duì)配置寄存器寫入相應(yīng)的命令，即可使SX1212工作在相應(yīng)的模式。主控芯片采用32位ARM嵌入式微處理控制器STM32F373CC，軟件開發(fā)環(huán)境為IAR或MDK，采用C語言調(diào)用固件庫編程調(diào)試，信號(hào)偵測無線數(shù)傳軟件流程圖見圖2。

4　結(jié)束語

LORA無線技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、接收靈敏度高、工作電流低等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以它適用于無線水氣抄表、無線遙控系統(tǒng)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線溫度壓力數(shù)據(jù)采集、機(jī)器人控制等需要用電池長期工作的領(lǐng)域。目前基于LORA無線通信技術(shù)已經(jīng)在成功應(yīng)用于信號(hào)偵測系統(tǒng)中，實(shí)測在開闊地帶最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)3km，模塊接收功耗為10mA，無線發(fā)射時(shí)功耗為30mA，對(duì)機(jī)動(dòng)車探測距離超過20m。

參考文獻(xiàn)

［1］SEMTECH Company. SX1212 transceiver datasheet［Z］.2010.

［2］STMicroelectronics Company. STM32F373XX datasheet［Z］.2013.

［3］STMicroelectronics Company. RM0313 Reference manual［Z］.2013.

［4］陳博，徐建政，劉霄.新型微功率無線抄表系統(tǒng)［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，201l，31（5）：134-136.

［5］王學(xué)水，魯守寶.基于SX1212的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量無線數(shù)傳系統(tǒng)［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2013，33（2）：13-16.

［6］張浩，馬世偉，高守瑋等.基于CC1110的電力負(fù)荷無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.測控技術(shù)，201l，30（6）：16-20.