面向LoRa的物聯(lián)網(wǎng)平臺研究

朱慶華+景妮琴+常瑩

摘要：該文面向LoRa的物聯(lián)網(wǎng)平臺，將平臺分解為用戶節(jié)點終端、LoRa網(wǎng)關(guān)、LoRa服務(wù)器、管理平臺四個模塊。其中，傳感器和傳輸節(jié)點之間通過串口通信傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)點接收數(shù)據(jù)之后通過LoRa調(diào)制方式發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，服務(wù)器為所用設(shè)備公司提供的遠程服務(wù)器，在PC端編寫數(shù)據(jù)讀取窗口讀取服務(wù)器上接收的網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)。最后對LoRa物聯(lián)網(wǎng)平臺進行了功能測試和性能測試。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；LoRa；短距離通信

中圖分類號：TP393 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）01-0075-03

1 概述

1.1 技術(shù)的提出

2013年8月，Semtech公司向業(yè)界發(fā)布了一種新型的，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。其接受靈敏度達到了驚人的-148dbm，LoRa是由升特公司（Semtech）發(fā)布的一種專用于無線電調(diào)制解調(diào)的技術(shù)，它與其他如FSK（頻移鍵控）、GMSK（高斯最小頻移鍵控）、BPSK（二進制相移鍵控）及其派生的調(diào)制方案形成競爭關(guān)系。

LoRa融合了數(shù)字?jǐn)U頻、數(shù)字信號處理和前向糾錯編碼技術(shù)，擁有前所未有的性能。此前，只有那些高等級的工業(yè)無線電通信會融合這些技術(shù)，而隨著LoRa的引入，嵌入式無線通信領(lǐng)域的局面發(fā)生了徹底的改變。

1.2LoRa技術(shù)優(yōu)勢

LoRa技術(shù)最突出的兩個優(yōu)點就是長距離和低功耗。

LoRa技術(shù)的第一個優(yōu)點就是傳輸距離長。在郊區(qū)環(huán)境下，LoRa技術(shù)的傳輸距離可以達到10～15km；在城市環(huán)境下，傳輸距離也能達到3～5km。這樣的傳輸距離相比Wi-Fi、2G、3G、4G等要遠很多。LoRa技術(shù)能有這么遠的傳輸距離，得益于它工作的頻率范圍比較低，頻率低的信號波長較大，在城市中眾多建筑包圍之下產(chǎn)生的衰落就比較小，所以傳輸距離遠。

LoRa技術(shù)另一個優(yōu)點就是低功耗。LoRa技術(shù)之所以能夠低功耗，首先是因為其發(fā)射頻率低，信號波長比較長，在傳播過程中所產(chǎn)生的衰落比較小，因而可以采用低功率發(fā)射；其次，LoRa采用擴頻技術(shù)，能使信號的抗多徑、抗衰落能力比較強，所以對發(fā)射功率的要求不高；最后，為達到省電的目的， 業(yè)界廣泛應(yīng)用WOR（Wake on Radio） 方式—芯片周期性地進入接收模式以判斷有沒有喚醒信號（比如前導(dǎo)），其他時間處于Sleep模式，通過對比，采用WOR方式可以使電池壽命相比功耗同樣不高的FSK調(diào)制提高3倍以上。

1.3 LoRa WAN1.0

LoRaWAN1.0是有LoRa聯(lián)盟提出的LoRa技術(shù)規(guī)范，它定義了LoRa網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通信協(xié)議和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對LoRa網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點電池壽命、網(wǎng)絡(luò)容量、服務(wù)質(zhì)量、安全性和服務(wù)的多樣性有著重要影響。

如圖1所示，LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個典型的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在這個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，LoRa網(wǎng)關(guān)是一個透明的中繼，連接前端終端設(shè)備和后端中央服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器通過標(biāo)準(zhǔn)IP連接，而終端設(shè)備采用單跳與一個或多個網(wǎng)關(guān)通信，所有的節(jié)點均是雙向通信。

LoRaWAN的終端設(shè)備服務(wù)于不同的應(yīng)用，有著不同的要求。為了優(yōu)化各類終端應(yīng)用程序配置文件，LoRaWAN利用不同的設(shè)備類權(quán)衡網(wǎng)絡(luò)下行通信延遲與電池壽命。在控制或執(zhí)行器類型的應(yīng)用程序，所述下行鏈路通信延遲是一個重要的因素。

2 面向LoRa的物聯(lián)網(wǎng)平臺設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

物聯(lián)網(wǎng)平臺的設(shè)計應(yīng)該支持多種業(yè)務(wù)需求，既要滿足不同業(yè)務(wù)的共性需求，同時又能夠支持不同業(yè)務(wù)的個性化需求。除此之外，平臺的系統(tǒng)設(shè)計還應(yīng)該遵循以下幾個原則：安全性原則、實用性原則、標(biāo)準(zhǔn)性原則和可擴充性原則。

2.2 面向LoRa的物聯(lián)網(wǎng)平臺網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

如圖2所示，整個LoRa物聯(lián)網(wǎng)平臺分為用戶節(jié)點終端、LoRa網(wǎng)關(guān)、LoRa服務(wù)器、管理平臺四個模塊。其中，用戶節(jié)點終端由測試節(jié)點與數(shù)據(jù)采集傳感器相連接，用戶節(jié)點終端部署在教學(xué)樓、學(xué)生公寓及行政樓等分散的多個位置，采用星型網(wǎng)絡(luò)布局；LoRa網(wǎng)關(guān)放在網(wǎng)絡(luò)中心機房內(nèi)，用于接收測試節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器；LoRa服務(wù)器采用設(shè)備商提供的遠程云服務(wù)器；管理平臺通過登錄遠程云服務(wù)器獲取LoRa網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)，并能通過平臺向節(jié)點發(fā)送消息。

3 面向LoRa的物聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)

平臺實現(xiàn)的用戶終端模塊由檢測儀、測試節(jié)點和移動電源組成，用于測試LoRa網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量，傳輸溫度、濕度和空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，同時，用戶也可以通過檢測儀了解到節(jié)點位置的溫度、濕度和空氣質(zhì)量情況。

3.1 檢測儀

檢測儀上的各個傳感器都是通過串口通信傳輸數(shù)據(jù)，因而整個檢測儀的數(shù)據(jù)采用串口方式傳輸，采用TTL-USB接口將檢測儀連接到PC端，通過PC端的串口調(diào)試軟件測試數(shù)據(jù)傳輸是否正常。根據(jù)檢測儀的說明書，檢測儀上傳的數(shù)據(jù)間隔為1秒，波特率9600，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位，無校驗位。

測試結(jié)果從串口調(diào)試軟件串口數(shù)據(jù)接收獲取，根據(jù)讀取的數(shù)據(jù)，計算如下：溫度=28.0℃；濕度=31RH%；PM2.5=0μg/m3；PM10=0μg/m3；計算結(jié)果與檢測儀屏幕顯示結(jié)果完全相符。測試結(jié)果說明檢測儀串口數(shù)據(jù)上傳沒有問題。

3.2 測試節(jié)點

測試節(jié)點為基于LoRa物聯(lián)網(wǎng)平臺中的重要部分，它的主要功能有：通過串口與檢測儀通信；OLED顯示屏，可根據(jù)需要顯示數(shù)據(jù)；通過編程中的邏輯修改，實現(xiàn)LoRaMAC、PHYMAC、低功耗三個模式直接的切換；向LoRa網(wǎng)關(guān)發(fā)送上行數(shù)據(jù)；接收LoRa網(wǎng)關(guān)的下行數(shù)據(jù)；測試LoRa網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量。

節(jié)點編程實現(xiàn)：

1） 串口驅(qū)動程序

其中核心代碼如下：endprint

串口初始化函數(shù)：void UART_Init（void）

該函數(shù)的作用為初始化串口設(shè)置，在對測試節(jié)點進行燒寫編程時對串口的波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、有無停止位、有無校驗位等參數(shù)進行設(shè)置，若想修改這些參數(shù)，需要對測試節(jié)點進行重新燒寫。根據(jù)檢測儀的串口參數(shù)需求，編寫代碼：

UartHandle.Instance = USARTx；

UartHandle.Init.BaudRate = 9600；

UartHandle.Init.WordLength = UART_WordLENGTH_8B；

UartHandle.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1；

UartHandle.Init.Parity = UART_PARITY_NONE；

UartHandle.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE；

UartHandle.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX；

串口發(fā)送函數(shù)的關(guān)鍵語句為：

uint16_t i = 0 ；

for（i = 0；i

{ USART1→TDR = （uint8_t）（str[i]）；

while（ HAL_USART_GET_FLAG（USART1，UART_FLAG_TC）== RESET）；}

2） 屏幕驅(qū)動程序

其中的核心函數(shù)如下：

void OLED_Init（void）

此函數(shù)為OLED的初始化函數(shù)，用于配置OLED引腳，設(shè)置對比度、掃描方向、亮度的參數(shù)。若想對OLED的基本參數(shù)進行改動，需修改此函數(shù)中的內(nèi)容并重新燒寫。

void OLED_DrawPoint（u8 x，u8 y，u8 t）

void OLED_ShowChar（u8 x，u8 y，u8 chr，u8 size，u8 mode） //單個字符顯示

此函數(shù)的功能為控制OLED顯示屏在（x，y）坐標(biāo)的位置顯示一個字符。核心代碼如下：

for（t=0；t

{ if（size==12）temp=asc2_1206[chr][t]； // Font 1206

else if（size==16）temp=asc2_1608[chr][t]； // Font 1206

else if（size==24）temp=asc2_2412[chr][t]； // Font 1206

else return； //Not word stock

for（t1=0；t1<8；t1++）

{ if（temp&0x80）OLED_DrawPoint（x，y，mode）；

else OLED_DrawPoint（x，y，！mode）；

temp<<=1；

y++；

if（（y-y0）==size）

{ y=y0；

x++；

break；}}

void OLED_ShowString（u8 x，u8 y，const u8 *p，u8 size） //顯示需要的數(shù)據(jù)

{ while（（*p<='～'）&&（*p>=' '）） //Determine whether illegal

{ if（x>（128-（size/2）））{x=0；y+=size；}

if（y>（64-size））{y=x=0；OLED_Clear（）；}

OLED_ShowChar（x，y，*p，size，1）；

x+=size/2；

p++；} }

3） LoRa頻點、信道設(shè)置

測試節(jié)點支持LoRaMAC工作模式，LoRaMAC工作模式又分為LoRa調(diào)制和FSK調(diào)制兩種，本次所建的LoRa物聯(lián)網(wǎng)平臺采用LoRa調(diào)制。實現(xiàn)LoRaMAC工作模式設(shè)置的程序?qū)懺赼pp_oasl.c文件中，其核心代碼如下：

//設(shè)置LoRaMAC工作模式（LoRa調(diào)制）

//設(shè)置信道1

g_macData.channels[0].Frequency = 779500000；//頻點

//速率范圍：（（最高速率<<4丨最低速率））

g_macData.channels[0].DrRange.Value = （ （ DR_5 << 4 ） | DR_0 ）；

g_macData.channels[0].Band = 0；

4） 串口數(shù)據(jù)讀取

串口數(shù)據(jù)讀取的程序語句如下：

switch（step）

{ case 0：

if（ch == 0xFF）

{ step++；

uart1_Rxcount= 0；

memset（uart1_rxBuf，0，80）；//????????

uart1_rxBuf[uart1_Rxcount] = ch；

uart1_Rxcount++；}

break；

case 1：

uart1_rxBuf[uart1_Rxcount++] = ch；

if（uart1_rxBuf[8]==0x79）//跳過無用幀

step=0；

if（uart1_Rxcount==12）

……

for（uint8_t i=0；i<13；i++）

{ sprintf（（char*）temp_buf+len，"%X"，uart1_rxBuf[i]）；//bandwidth

len=strlen（（char*）temp_buf）；}

OLED_ShowString（0，24，（u8*）temp_buf，12）；

OLED_Refresh_Gram（）；

5） 串口數(shù)據(jù)發(fā)送

串口數(shù)據(jù)讀取完畢后，調(diào)用osal_set_event函數(shù)啟動發(fā)包程序。由于檢測儀上傳串口數(shù)據(jù)的頻率固定為1秒1幀，而測試節(jié)點采用LoRa模式發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率遠遠低于檢測儀上傳串口數(shù)據(jù)的頻率。為保證測試節(jié)點不出現(xiàn)死機的情況，設(shè)置為可以丟包但是不會死機的工作模式，以保證測試節(jié)點正常工作。

3.3 用戶節(jié)點終端模塊整體測試

用戶節(jié)點終端模塊由檢測儀和測試節(jié)點組成，在完成對檢測儀和測試節(jié)點的編程、調(diào)試工作后，需對用戶節(jié)點終端模塊整體進行測試。

將測試節(jié)點上的4PIN串口數(shù)據(jù)線按照GND-GND，5V-5V，TX-RX，RX-TX的順序連接。串口數(shù)據(jù)線連接完成后，將移動電源的Micro-USB口連接至檢測儀，打開移動電源和檢測儀的開關(guān)，測試節(jié)點已經(jīng)正確地讀取到了檢測儀上傳的串口數(shù)據(jù)。由此可得，用戶節(jié)點終端模塊工作正常。

3.4 LoRa 網(wǎng)關(guān)

為了方便管理和調(diào)試LoRa網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)上設(shè)有USB-B型接口，通過使用USB打印線可以將網(wǎng)關(guān)和PC相連接。PC終端與LoRa網(wǎng)關(guān)連接成功后，首先在PC 終端的設(shè)備管理器中查詢到PC終端與LoRa網(wǎng)關(guān)連接的串口號。連接后采用的調(diào)試軟件為Putty。設(shè)置相應(yīng)參數(shù)進行連接管理。

常用指令gw info顯示LoRa網(wǎng)關(guān)的基本信息，包括ID，DTU版本，GWM 版本（硬件/軟件），地理位置信息。指令gw ip顯示LoRa網(wǎng)關(guān)的IP 信息，包括網(wǎng)絡(luò)連接類型，IP 地址，子網(wǎng)掩碼，默認(rèn)網(wǎng)關(guān)。指令gw ping測試LoRa網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器的連接情況。

3.5 LoRa服務(wù)器

基于LoRa的物聯(lián)網(wǎng)平臺使用的遠程云服務(wù)器主要功能有：實現(xiàn)中心網(wǎng)管平臺功能；實現(xiàn)LoRaWAN MAC部分；負(fù)責(zé)Gateway網(wǎng)關(guān)及配置工作，Mote配置及OTA與應(yīng)用服務(wù)器數(shù)據(jù)交互。

3.6 管理平臺

管理平臺對網(wǎng)絡(luò)中各個用戶的節(jié)點終端進行管理。面向LoRa物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的需求，管理平臺具有以下功能：

1） 服務(wù)器安全驗證

管理平臺所有功能的前提是登錄LoRa遠程云服務(wù)器，為保證數(shù)據(jù)安全，管理平臺登錄服務(wù)器時應(yīng)驗證登錄信息并反饋。根據(jù)上一節(jié)內(nèi)容，CS需要間隔60秒向AS發(fā)送登錄信息，這樣就確保了信息的安全。

2） 測試節(jié)點管理功能

管理平臺中應(yīng)當(dāng)對所有通過LoRa網(wǎng)關(guān)接入服務(wù)器的測試節(jié)點進行列表管理。通過選中測試節(jié)點，可以實現(xiàn)查看測試節(jié)點所發(fā)數(shù)據(jù)、向測試節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。為了測試LoRa網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量，測試節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)時會將頻點、帶寬、碼率等信息一起發(fā)送到LoRa網(wǎng)關(guān)。服務(wù)器也應(yīng)該具有讀取這些數(shù)據(jù)的功能，以方便和用戶節(jié)點終端進行對比，進而檢測LoRa網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量。

3） 對測試節(jié)點所發(fā)數(shù)據(jù)的處理功能

測試節(jié)點所攜帶的有效數(shù)據(jù)，根據(jù)上文所述，是一串HEX編碼的十六進制數(shù)據(jù)幀。為了更直觀地在管理平臺展示溫度、濕度和空氣質(zhì)量這些數(shù)據(jù)，管理平臺需要對數(shù)據(jù)幀進行處理。通過上文所述的計算方法，管理平臺可以正確地顯示實際的數(shù)據(jù)。

4） 根據(jù)測試節(jié)點ID進行篩選

由于一個LoRa服務(wù)器可以接入很多的LoRa網(wǎng)關(guān)，一個網(wǎng)關(guān)又支持上千個測試節(jié)點接入，所以在服務(wù)器端會有很多的測試節(jié)點。服務(wù)器辨別各個測試節(jié)點的依據(jù)就是每個測試節(jié)點獨一無二的ID，根據(jù)測試節(jié)點ID選擇某個位置的測試節(jié)點比較繁瑣。為了解決這個問題，管理平臺應(yīng)該具有根據(jù)節(jié)點ID進行篩選的功能，方便管理員通過按鈕直接訪問特定的測試節(jié)點。

4 結(jié)束語

本文進行了LoRa物聯(lián)網(wǎng)平臺的需求分析，針對需求，對物理網(wǎng)平臺進行了總體設(shè)計，將平臺分解為用戶節(jié)點終端、LoRa網(wǎng)關(guān)、LoRa服務(wù)器、管理平臺四個模塊。其中，傳感器和傳輸節(jié)點之間通過串口通信傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)點接收數(shù)據(jù)之后通過LoRa調(diào)制方式發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，服務(wù)器為所用設(shè)備公司提供的遠程服務(wù)器，在PC端編寫數(shù)據(jù)讀取窗口讀取服務(wù)器上接收的網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)。

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