淺析LoRa技術(shù)在軍事后勤保障系統(tǒng)中的應(yīng)用

張秀功

在未來(lái)信息化戰(zhàn)場(chǎng)中，對(duì)信息通信系統(tǒng)組網(wǎng)快速便捷，功率損耗低，傳輸距離遠(yuǎn)，抗干擾性強(qiáng)等特性要求越來(lái)越嚴(yán)格，尤其在沙漠、丘陵等荒無(wú)人煙的地區(qū)，如何更精準(zhǔn)快速進(jìn)行保障，無(wú)疑是對(duì)信息通信系統(tǒng)提出了更為苛刻地要求和標(biāo)準(zhǔn)。本文旨在利用LoRa技術(shù)自身的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一套能夠及時(shí)進(jìn)行采集和反饋人員求救，物資需求和彈藥消耗等信息的軍事后勤保障系統(tǒng)，即先由系統(tǒng)將接收到的所有戰(zhàn)場(chǎng)信息進(jìn)行歸納分類，而后由指揮所或相關(guān)保障組對(duì)接收到的戰(zhàn)場(chǎng)信息進(jìn)行分析、研判和處理。

一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

軍事后勤保障系統(tǒng)由訪問(wèn)平臺(tái)、服務(wù)器、LoRa基站（網(wǎng)關(guān)）和無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)四部分組成。其中訪問(wèn)平臺(tái)是指電腦終端，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問(wèn)查看和分析處理，為指揮所或相關(guān)保障組擬制方案、調(diào)配物資等活動(dòng)提供可靠地條件支撐;服務(wù)器不僅負(fù)責(zé)上傳數(shù)據(jù)的優(yōu)化和處理，而且其數(shù)據(jù)庫(kù)還能將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ);LoRa基站主要負(fù)責(zé)對(duì)上（服務(wù)器）和對(duì)下（無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)）的數(shù)據(jù)交互，所以該系統(tǒng)可以有效進(jìn)行指令的上傳下達(dá);無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)主要由作戰(zhàn)分隊(duì)/單兵進(jìn)行操作，它不僅有人機(jī)交互界面，可以向指揮所發(fā)送食品、藥品和彈藥等物資裝備需求;而且還有智能感應(yīng)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)單兵體征、位置和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境等信息。

二、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

LoRa技術(shù)采用LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議[1]，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，主要由服務(wù)器、基站（網(wǎng)關(guān)）、無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)三部分組成。其中基站（網(wǎng)關(guān)）就是一個(gè)透明的中繼，主要負(fù)責(zé)服務(wù)器和無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，且無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)均采用單跳與一個(gè)或多個(gè)基站（網(wǎng)關(guān)）進(jìn)行接收和發(fā)送的雙向通信。較比以前許多相對(duì)成熟的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)而言，其具有續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰等優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自我組織、自我維護(hù)與自我管理以及構(gòu)建各類網(wǎng)絡(luò)通信接口，實(shí)現(xiàn)與聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的多方式多手段的綜合接入。再者，LoRa采用的調(diào)制技術(shù)是擴(kuò)頻，所以可以在組網(wǎng)運(yùn)用中，使用不同的頻率和傳輸速率，這樣能夠有效緩解LoRa基站（網(wǎng)關(guān)）中數(shù)據(jù)并行的壓力。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文選取Semtech公司推出的SX1278擴(kuò)頻技術(shù)芯片[2]，首先是SX1278芯片主要應(yīng)用于443MHz、470MHz頻帶，接收靈敏度達(dá)-139dBm，且擴(kuò)頻因子選擇范圍是6-12個(gè)，其次是因?yàn)镾X1278芯片屬于LoRa擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，相比于通過(guò)增大發(fā)射功率來(lái)提高通信距離的常規(guī)技術(shù)，它的優(yōu)勢(shì)是調(diào)制增益（不會(huì)增加額外功耗）;最后是因?yàn)镾X1278芯片的電流消耗較低（休眠<0.2μA，空閑=1.6mA，接收=12mA，最大發(fā)射功率=120mA），SX1278芯片是由終端MCU進(jìn)行控制的，即通過(guò)“中斷+定時(shí)器超時(shí)”的方式，一旦發(fā)送和接收的狀態(tài)結(jié)束，就立即進(jìn)入休眠狀態(tài)[3]。下面分別介紹無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)和LoRa基站的硬件示意圖。

3.1無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)示意圖

本文主要選取TI公司生產(chǎn)的MSP430G系列[2]為主控芯片進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹及說(shuō)明，因MSP430G系列是一款具有16位RISC結(jié)構(gòu)和一定處理能力的單片機(jī)，擁有5種省電模式，即LPM0-LPM4，功率消耗超低，而且MSP430G系列中繼機(jī)制很完善，可以有效控制CPU和各個(gè)模塊，基本達(dá)到了無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)需求。

如圖2所示，無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)主要由核心芯片、射頻模塊、電源模塊、保密模塊、傳感設(shè)備、顯控設(shè)備等組成。其主要任務(wù)是完成相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，以及對(duì)基站發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行響應(yīng)和接收，即一方面通過(guò)傳感設(shè)備采集生命體征（血壓、心率、體溫等）、位置信息、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境等相關(guān)數(shù)據(jù)，和需要匯報(bào)的武器彈藥損耗、食品藥品需求、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境情況等信息均可通過(guò)無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送到LoRa基站，申請(qǐng)裝備物資保障或受傷人員救治等等;另一方面，無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)對(duì)LoRa基站傳送來(lái)的指令進(jìn)行響應(yīng)，作戰(zhàn)分隊(duì)/單兵能夠及時(shí)接收指揮所或保障組根據(jù)現(xiàn)有物資實(shí)力及戰(zhàn)場(chǎng)情況作出的處理意見(jiàn)和決定（組織救援、物資派送等）。

3.2 LoRa基站示意圖

本文主要選取ST公司推出的基于CortexM3內(nèi)核的STM32F1系列為主控核心芯片進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹及說(shuō)明，因其具有低至13μA左右的功耗，最高可達(dá)72MHz的工作頻率和擁有20KB的片內(nèi)SRAM等特性[2]，基本滿足了基站的設(shè)計(jì)需求，同時(shí)要想使系統(tǒng)的功耗達(dá)到最優(yōu)，則還需在睡眠、停機(jī)、待機(jī)3種模式之間進(jìn)行合理的切換和平衡。

如圖3所示，LoRa基站主要由核心芯片、射頻模塊、電源模塊、加密處理器等組成。其主要任務(wù)是完成數(shù)據(jù)的上傳下達(dá)，即一方面能夠通過(guò)LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采集接收終端數(shù)據(jù)，然后通過(guò)聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至指揮所（服務(wù)器）進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，另一方面，LoRa基站接收指揮所下達(dá)的指令，然后通過(guò)LoRa無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)。

四、小結(jié)

實(shí)現(xiàn)器材裝備、武器彈藥、供養(yǎng)補(bǔ)給、人員搜救等支援保障的“精確化”，是未來(lái)信息化條件下部隊(duì)后勤保障的趨勢(shì)，相關(guān)系統(tǒng)有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和完善，我們要充分運(yùn)用以信息技術(shù)為核心的高科技手段、現(xiàn)代化管理模式和創(chuàng)新技術(shù)成果，在確保符合各項(xiàng)規(guī)章制度的前提下，結(jié)合部隊(duì)信息通信系統(tǒng)裝備的保密性、實(shí)用性、復(fù)雜性和極端性等相關(guān)要求，合理的籌劃、建設(shè)和運(yùn)用后勤保障力量，促使后勤保障適時(shí)、適地、適量達(dá)到盡可能“精確化”的程度，確保保障資源的合理化、節(jié)約化和最大化。最后，該系統(tǒng)及LoRa相關(guān)技術(shù)在軍事后勤保障上的運(yùn)用都具有一定的參考意義。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]劉磊，孫超山.低功耗遠(yuǎn)距離無(wú)線通信技術(shù)及其軍事應(yīng)用分析[J].通信技術(shù)，2018，51（02）：331-336.

[2]陳彪，揭晶方，張偉，沈瓊霞.基于LoRa的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2018，26（10）：128-132.

[3]彭飛飛.低功耗長(zhǎng)距離無(wú)線收發(fā)模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2016.