LORA技術實現遠距離、低功耗無線數據傳輸

中國船舶重工集團公司第七一○研究所 龔天平

?

LORA技術實現遠距離、低功耗無線數據傳輸

中國船舶重工集團公司第七一○研究所 龔天平

【摘要】本文詳細介紹了LORA技術和芯片，列出了幾種無線通信技術對比表，設計了以Semtech公司SX1212為無線收發器的電路，給出了以ST公司ARM芯片STM32F373為MCU的信號監測無線數傳軟件流程圖。實測數據表明LORA芯片可以兼容超長距離和超低功耗的無線數據傳輸。

【關鍵詞】LORA；無線通信；信號監測；超長距離；超低功耗

0　引言

物聯網在中國已經發展了多年，無論是智能工業、車聯網、智能家居、可穿戴設備等都面臨全面爆發的趨勢。物聯網有三個關鍵要素：感知、智能、互聯。物聯網在感知和智能方面已有新的進展，而在互聯上，卻依然依賴適用于互聯網和移動互聯網的網絡連接方式，如2G、3G、4G等，即使是面向物與物相聯的WiFi、藍牙、ZigBee網絡也還是不適應物聯網對連接的需求，從無線應用開發和工程運維人員角度來看，一直以來都存在這樣一個兩難問題：即設計人員在更長的距離和更低的功耗兩者之間只能二選一，所以互聯已成為制約物聯網大規模普及的因素。

2013年8月，Semtech公司向業界發布了一種新型、基于1GHz以下的超長距低功耗數據傳輸技術（簡稱LoRa）的芯片。其接收靈敏度達到了驚人的-148dbm，其功耗極低且不需要使用昂貴的溫補晶振，引起了極大的關注。由于該產品使用一種特殊的擴頻技術，這使得不同擴頻序列的終端即使使用相同的頻率同時發送也不會相互干擾。在此基礎上研發的集中器/網關能夠并行接收并處理多個節點的數據，大大擴展了系統容量。采用LoRa技術之后，設計人員可以最大程度地實現更長距離的通信與更低的功耗，同時還可節省額外的中繼器成本。以LoRa為代表的低功耗、遠距離網絡技術的出現，有機會打破物聯網在互聯方面的瓶頸，基于該技術的測距和定位功能將會推動它在物聯網領域的大規模應用。

1　LORA技術簡介

LoRa采用星型網絡架構，與網狀網絡架構相比，它是具有最低延遲、最簡單的網絡結構。基于LoRa的擴頻芯片，可以實現節點與集中器直接組網連接，構成星形；對于遠距離的節點，可使用網關設備進行中繼組網連接。LoRa網絡供應商既可以搭建覆蓋范圍較廣的廣域網基礎設施，也可以通過簡單的網關設備搭建局域網，只要物聯網設備中嵌入LoRa芯片或模塊，即可快速實現組網和快速配置。廣域網和局域網兩種環境中均可實現便捷組網，在與以自組網見長的ZigBee協議比較，具有明顯的優勢。應用于低成本傳感網的解決方案LoRa使用新型的擴頻調制技術，大大提升了物理層硬件的性能，并且在省電方面相比WIFI、藍牙技術有了明顯的改進。

在實際應用中，采用LoRa協議的物聯網設備無線通信距離超過15公里（郊區環境），電池使用壽命可達10年以上，并且能夠將數百萬的無線傳感器節點與LoRa技術網關連接起來，這一優勢是傳統網絡通訊標準無法達到的。幾種無線通信方式的傳輸距離、速率、功耗對比如表1所示：

表1　幾種無線通信方式對比表

2　LORA芯片介紹

在信號監測無線數傳系統中，無線數傳芯片采用SEMTECH公司的LoRaTM調制技術的無線射頻芯片SX1212，用于把傳感器采集的各類信號（例如聲音、壓力、磁場等等）通過無線遠距離發送出去，也可以接收控制中心或手持自檢預置器的命令。無線數傳芯片與MCU通過SPI接口進行通訊。

SX1212具有超遠距離擴頻調制通訊、高抗干擾性和超低電流功耗，采用星型網絡架構，能夠將數百萬的無線傳感器節點與LoRa技術網關連接起來。采用LoRaTM模式可以實現-110 dbm的高接收靈敏度，+12.5 dbm的發射功率，低至3 mA的接收電流消耗，發射電流為25 mA @ +10 dbm。適用于300～510 MHz頻段，支持多種調制格式：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，內部集成壓控振蕩器、鎖相環電路、功率放大電路、低噪聲放大電路、調制解調電路、變頻器、中放電路等，數據傳輸速率高達150Kbps，數據處理功能包括一個64字節的FIFO，包處理、自動CRC生成和數據白化。SX1212采用TQFN-32封裝，體積為5*5*1mm。若想傳輸距離更遠，可以采用SX1276，它的接收靈敏度高達-148dbm，輸出功率高達+20dbm，接收電流為10mA，工作頻段為137～1020 MHz。

士兵佩帶的自檢預置器上的無線收發芯片采用TI公司的CC430f6127，用于接收無線數傳模塊發送來的各類傳感器采集到的物理場信號，并通過無線方式預置參數，下達命令。CC430f6127是一款自帶無線收發芯片的微控制器（MCU），內部集成了16位微功耗單片機MSP430F6XX和無線射頻收發芯片CC1101，還有96段的LCD驅動器，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-117 dbm，發射功率最大為+12 dbm，接收電流為15 mA，數據傳輸速率高達500Kbps。適用于300～928 MHz頻段，支持多種調制格式：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在信號偵測方面的應用

分布式信號偵測系統是一種利用各種物理特性、偵測傳感器隱蔽布設于敵人活動區域晝夜不斷地監視敵人活動的一種無源、隱蔽探測技術，在歐美已成為僅次于雷達、光電之后的第三種重要情報偵察技術與手段。分布式偵測微型模塊可以通過飛機大面積空投布放在監測區域，用于實時采集被監測區域的聲音、壓力、震動、磁場等物理場信號，并通過無線收發器把數據發送到遠距離監測中心。由于采用紐扣電池供電，且信號必須通過無線方式發送出去，因此利用LoRa實現遠距離、低功耗無線傳輸成為該系統的關鍵。

3.1無線傳輸模塊硬件電路設計

無線收發器用于將采樣的物理場信號進行編碼，按照相應格式把數據通過無線網絡發送給監測中心，其硬件電路原理圖如圖1所示。

圖1　無線數據傳輸模塊電路原理圖

圖1中的U4是聲表面濾波器，用于衰減規定頻帶以外的信號；C16、L1、C10是阻抗匹配網絡，用于提高帶負載能力；L3、L4是壓控振蕩器電感，調整電感值，即可改變系統工作頻率；R10、

C24、C25是鎖相環電路，用于穩定鎖住輸入信號的相位。

3.2電路設計注意事項

LORA芯片設計的關鍵是RF前端的匹配電路的設計。高頻部分的走線盡量的短粗，電源線、地以及其它信號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；元器件參數要根據線路板的實際情況作出適當的調節，以抵消分布參數的影響。一般的RF芯片發射與接收端口的阻抗并不是標準的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　信號偵測無線數傳軟件流程圖

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，在程序中通過對配置寄存器寫入相應的命令，即可使SX1212工作在相應的模式。主控芯片采用32位ARM嵌入式微處理控制器STM32F373CC，軟件開發環境為IAR或MDK，采用C語言調用固件庫編程調試，信號偵測無線數傳軟件流程圖見圖2。

4　結束語

LORA無線技術具有傳輸距離遠、接收靈敏度高、工作電流低等諸多優點，所以它適用于無線水氣抄表、無線遙控系統、無線傳感器網絡、無線溫度壓力數據采集、機器人控制等需要用電池長期工作的領域。目前基于LORA無線通信技術已經在成功應用于信號偵測系統中，實測在開闊地帶最遠通信距離可達3km，模塊接收功耗為10mA，無線發射時功耗為30mA，對機動車探測距離超過20m。

參考文獻

［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［J］.電力自動化設備，201l，31（5）：134-136.

［5］王學水，魯守寶.基于SX1212的剛體轉動慣量無線數傳系統［J］.物理實驗，2013，33（2）：13-16.

［6］張浩，馬世偉，高守瑋等.基于CC1110的電力負荷無線數據通信系統設計［J］.測控技術，201l，30（6）：16-20.