基于樹莓派的遠距離LoRaWAN網關系統設計與實現

南開大學濱海學院 程淑偉 劉廣偉 柯佩佩 吳春玲 馮 蕾 吳亞斌

0 引言

物聯網技術的高速發展，使得物聯網技術在安防監測，智慧農業，環境監控等領域得到了廣泛的應用[1]。在眾多物聯網技術應用架構中，物聯網網關作為橋接感知域和網絡域的重要組成部分，深得研究者們的青睞，越來越多類型的物聯網網關相繼出現[2-4]，推動著無線傳感器網絡與互聯網之間的無縫集成，進一步加強了對無線傳感器網絡的管理與控制。

ZigBee是目前國內眾多研究者廣泛應用的無線短程通信技術，它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的的無線傳感器網絡技術[3-5]。ZigBee的墻體穿透能力較弱，也不適用于遠距離通信，最遠傳輸距離局限在2公里。伴隨著物聯網低功耗遠距離通信應用的需求，一種采用擴頻機制的新型無線連接技術引起了研究者的高度關注[6-8]，這種被稱為LoRa的低速遠程傳輸技術，基于非授權頻段，靈敏度高達-148dBm，其通訊鏈路預算在理想情況下可以達到15公里[9]，工作電流僅需10mA，使之成為物聯網應用中低功耗廣范圍通信設計的理想方案。

本文根據典型物聯網應用需求和場景，提出了基于樹莓派的遠距離LoRaWAN網關系統，介紹了該網關系統的應用體系框架，以及相應的硬件系統方案。解決了采用ZigBee技術作為物聯網網關所存在的穿墻能力弱，通訊距離短的問題。系統實現了低功耗廣域物聯網應用場景下的互聯網、網關與終端三者之間的數據交換、設備管理等功能，融合各種異構網絡接口為一體，可滿足不同場景下的物聯網應用需求。

1 LoRaWAN網關系統設計方案

1.1 應用分析

根據目前可知的通信范圍與通信協議的不同，將物聯網網關分為兩類：短程網關和遠程網關。短程網關基于中短程通信協議，典型中短程通信協議，如Wi-Fi，ZigBee和Bluetooth。他們各自具有優勢，但是具有共同的弱點，無法做到長距離通信[5，11，12]。遠程網關是以LoRa和SigFox為代表的遠程無線通信協議為基礎，采用低功率廣域網（LPWAN）的新型無線連接技術[13]，解決了短程通信協議在穿墻能力弱以及通信距離短的不足，擁有地域覆蓋率全而廣的特點。各種通信協議對比示意圖如圖1所示。

LoRa相比其它的通信協議在通信速率方面為低速率，剛好映對了LoRa的低功耗優勢，這種小數據，低速率的通信方式，使工作在LoRa協議下的終端設備可以數年不更換電池。低速率和LoRa接收器極低的靈敏度（低至-134dBm），與+14dBm的輸出功率相結合，使得通訊鏈路預算大大增加，高達148dB。這使得視距（LOS）鏈路的距離達到15公里，在城市環境中的非視距（NLOS）鏈路的距離可達到2公里。LoRaWAN網關適用于任何具有通用輸入/輸出引腳的微控制器或計算機，擴展了應用平臺的多樣化，同時獨特的數據加密方式確保LoRa網絡完全安全，不僅可以用于公用事業計量，智能城市，還可以接入更遠距離的工業，農業和環境的傳感器網絡。

圖1 各種通信協議對比示意圖

1.2 應用體系框架

LoRaWAN網關的應用體系框架分為四個部分：終端、Lo-RaWAN網關、網絡服務器和應用服務器。LoRaWAN網關應用體系框架示意圖如圖2所示。終端是安裝在遠程站點上具有LoRa協議的邊界設備，通訊方式有雙向、單向兩種機制，每個終端可以和一個或多個LoRaWAN網關通訊；LoRaWAN網關是橋接LoRa終端和LoRa網絡服務器之間的中間設備，根據Semtech公司官方數據可知，一個SX 1301具有8個通道，通過LoRaWAN協議，每天可接受150萬個數據包，理論上計算，若采用間隔為一個小時的數據包周期，一個由SX 1301構成的LoRaWAN網關最多可以處理來自62500個終端的數據[14]。LoRa網絡服務器負責維護終端設備與網關設備的正常運行，應用服務器負責控制終端與網關的用戶數據，一個應用服務器可以和多個網絡服務器連接。

圖2 LoRaWAN網關的應用體系框架示意圖

1.3 硬件系統設計

LoRaWAN網關作為信息處理的中心，不僅需要連接眾多基于各種異構網絡接口的終端設備，還需要強大的運算能力來解析數據，并且執行服務器對網絡信息的配置。同時需要各種豐富的外設接口，便于實現眾多異構網絡接入，以滿足廣泛的應用需求。LoRaWAN網關硬

系統框圖如圖3所示。本文選用Raspberry Pi（RPi）Zero W作為核心處理器，RPi Zero W具有主頻1GHz的Broadcom BCM 2835處理器和512MB的運行內存，可滿足LoRaWAN網關的對運算需求，并且RPi Zero W支持USB、IIC、UART、SPI、WIFI、Bluetooth等多種通信方式，便于實現眾多異構網絡接入。

圖3 LoRaWAN網關硬件系統框圖

1.4 軟件系統設計

RPi Zero W運行的是一種類Linux系統，提供了各種語言為開發者使用，本系統以Linux上一種常見的Shell腳本語言為工具，搭建RPi Zero W平臺的數據傳輸進程[15，16]。LoRaWAN網關軟件程序流程如圖4所示。

當系統上電之后，Linux系統設置自動啟動腳本ic880a-gateway。腳本開始運行，首先解析全局配置文件，讀取網卡的識別號，用以匹配服務器端配置文件，讀取射頻模塊（SX 1301）的參數值，配置每個通道中心頻率，然后，將配置好的參數覆蓋本地配置文件，開始嘗試連接服務器，連接失敗會再次解析本地配置文件，直至終止腳本運行。若成功連接至服務器，將開啟集中器，讀取RF模塊收到的數據，CRC校驗數據的正確性，然后上傳至服務器，并且讀取服務器下行數據，CRC校驗數據的正確性，然后傳達至各個無線終端設備。

圖4 LoRaWAN網關軟件程序流程圖

2 測試分析

為了驗證本系統的通信能力，在校園內進行測試，學校位于鬧市區，具有較密集的建筑物，以及繁多的個人與公用網絡信號干擾。進行測試的設備分為兩類，一類是采用LoRaWAN網關的四組終端（終端1，終端2，終端3，終端4）；另一類是采用ZigBee網關的兩組終端（終端5，終端6）。測試結果以接收信號強度（RSSI）來判定通信能力的質量，由于該測試的通信信號為mW量級，所以在此以dBm為單位表示信號強度。

所有終端均采用同樣的測試條件，信號強度測試結果如圖5所示。從圖中可以看出，采用ZigBee技術的終端在500米內信號衰減坡度極為陡峭，而采用LoRaWAN技術的終端在1公里內信號衰減坡度輕微陡峭。結果表明采用繞射傳輸方式的LoRaWAN在障礙物密集區，有著較好的墻體穿透能力。在遠距離通信測試中，采用ZigBee技術的終端因建筑物稠密和網絡干擾等原因，通訊距離局限于1公里之內，而采用LoRaWAN技術的終端在2公里內保持著平緩的信號衰減坡度。結果表明，LoRaWAN在遠距離通信具有較好的抗干擾能力。綜上所述，不管是近距離的墻體穿透能力，還是遠距離通訊的抗干擾能力，LoRaWAN技術都要比ZigBee技術有著顯著的優勢。

圖5 信號強度測試結果

3 總結

物聯網網關作為物聯網應用體系框架中信息樞紐的部分，其性能的優劣性顯得尤為重要。本文設計了一種基于樹梅派的遠距離LoRaWAN網關系統，通過實驗測試與Zigbee系統進行比較，不管是近距離的墻體穿透能力，還是遠距離通訊的抗干擾能力，Lo-RaWAN技術都具有顯著的優勢。

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