基于LoRa無線通信技術的電氣火災監控系統

張亞東

摘要：介紹了 LoRa技術的基本原理以及性能優勢，分析了LoRa無線通信技術在電氣火災監控領域應用的可行性，并設計了其在電氣火災監控領域應用的系統架構。

關鍵詞：LoRa技術;電氣火災;監控系統

隨著科學技術的發展和我國城市化進程的不斷加快，電能已成為最主要的能源。但不規范用電和電路老化引發的電氣火災事故時有發生，特別是大型商場、娛樂場所，一旦發生火災很容易造成重大的人員傷亡和財產損失。據我國消防部門的火災數據統計分析，電氣火災發生次數占到火災總數的 36. 1%，在所有火災起因中居首位。

目前，在建筑供電線路上加裝火災預警和監控系統已成為有效的措施，但是在電氣火災監控系統的應用環節尚存在一定問題。市場上研制電氣火災監控系統的廠家很多，但大多是采用有線傳輸方式，這種傳輸方式對于一些不便施工的老舊建筑、監控室較遠的建筑、出于保護目的不允許施工的古文物建筑等不太適用。隨著無線傳輸技術的發展，現在已經完全可以制作一款性能可靠、價格合理的無線電氣火災監控系統。在此背景下，開發一款基于LoRa無線通信技術的電氣火災監控系統。

1 系統概述

基于LoRa無線通信技術的電氣火災監控系統，由電氣火災探測器、現場監控設備以及監控主機組成。電氣火災監控探測器用于探測被保護線路中的剩余電流、溫度等電氣火災危險參數的變化，一般將其安裝在樓宇建筑的配電箱或配電柜中。電氣火災現場監控設備可以接收來自電氣火災探測器的信息，然后通過無線網絡將信息傳輸給監控主機，當監測到的實際值高于設定的報警范圍時，監控主機將發出聲光報警信號，存儲報警記錄。

2 LoRa技術優勢

LoRa是由美國 Semtech 公司研發和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸技術，屬于低功耗廣域網 LPWAN（Low-power Wide-area Network）的一種。這一技術解決了以往傳輸距離與功耗之間的矛盾，為用戶提供一種簡單的，能實現遠距離、長電池壽命、大容量的傳輸系統，進而擴展傳感網絡。目前，LoRa主要在全球免費頻段運行，包括433，868，915 MHz等。LoRa技術擁有以下幾大優勢：

（1）采用擴頻調制技術，對干擾信號的抑制能力達 20 dB，具有較強的抗干擾能力，提供高靈敏度、高可靠性的網絡連接。

（2）采用前向糾錯技術，給待傳輸數據序列增加冗余信息，當傳輸中數據出現錯誤時，接收機可以再建數據，所以降低了數字信號的誤碼率，提高了信號傳輸的可靠性。

（3）LoRa技術實現的通信距離比其他無線通信技術要遠的多，空曠環境下可以達到 8 km 的傳播距離，即使在城市中也可以達到 2 km 的傳播距離。經測驗，信號可以穿透 6 層樓層仍然可以穩定接收。

（4）最大發射功率 100 m W，LoRa 芯片在休眠時電流僅 1. 5μA，接收端靈敏度為 - 129 dBm。以上這些優勢非常契合在單棟或者數棟相鄰建筑中建立一個區域性穩定可靠的無線網絡的需求。當然，由于該技術是以追求遠距離和低功耗為目標的產物，在傳輸速率上做了不小的犧牲，在理想條件下，理論上只有 50 kb /s 的傳輸速率。因此，該技術僅適用于構建數據量較小的網絡，電氣火災監控系統僅需傳輸監測到的數值數據，可以說是非常合適的。

3 ?LoRa性能分析

（1）Chirp 時域信號。采用擴頻通信是 LoRa 通信性能強大的重要原因，LoRa 的調制方案中，芯片發射的信號時域上是恒包絡信號也可稱為 Chirp 信號。

（2）信道容量。當帶寬增加到一定程度時，允許信噪比進一步降低，即使信號功率接近噪聲甚至淹沒在噪聲之下，接收機也能正確地還原信號。當信道容量確定時，擴頻通信利用較寬的信道帶寬來換取較低的信道輸出信噪比條件，這是擴頻通信的基本思想和理論依據。

（3）信號的時間帶寬積 D 越大，信號的匹配濾波器輸出波形的主瓣幅度越大，寬度越窄。與其他擴頻技術相比，Chirp 擴頻有其獨特的優點：Chirp 擴頻的處理增益由信號的時間帶寬積 D = T×B 決定（T為信號周期，B為信道帶寬）。一般而言，Chirp 信號的時間帶寬積 D 遠大于 1，所以利用 Chirp擴頻通信傳輸數據，接收端信號經匹配濾波后輸出波形主瓣槡D 幅度大，具有較強的抗干擾能力。Chirp 擴頻利用大的時間帶寬積與較寬的信道帶寬，使得信號在極低的發射功率下，依然可以抗多徑衰落、多普勒頻移、背景噪聲等干擾。

4 硬件設計

基于 LoRa無線通信技術的電氣火災監控系統，采用 STM32F103 系列芯片作為主控芯片，該系列微處理器是首款基于 ARMS-7 體系結構的 32 位標準 RISC精簡指令集處理器，能提供很高的代碼效率，在通常 8位和 16 位系統的存儲空間上發揮了 ARM 內核的高性能。該系列微處理器具體性能指標為：工作頻率72 MHz，內置高達 128k 字節的 Flash 存儲器和 20k 字節的 SRAM（靜態隨機存取存儲器），具有豐富的通用I / O 瑞口。通信模塊采用 ZM470 系列芯片，該芯片是基于SX1278 芯片進行優化封裝，不但具有原芯片的全部功能而且通過良好的優化，使該芯片更方便開發。

5 結束語

經過實際測試驗證，以 LoRa無線擴頻技術為基礎研發的無線電氣火災監控系統，發射功率、接收靈敏度、通信距離以及通信可靠性等技術指標都非常優秀，而且完美契合電氣火災監控系統的需求，功耗和距離測試驗證了 LoRa無線通信技術的低功耗、超長距的巨大優勢。本文的研究，可以直接推廣到未來無線低功耗小數據量的監測領域，具有非常實際的應用價值。依托于 LoRa 無線通信的技術優勢，后期可考慮在組網算法以及行業應用方面展開研究。

參考文獻

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