淺談基于智能手機的LoRa無線傳輸研究

趙偉宏

（云南農業大學建筑工程學院，云南昆明，650100）

0 前言

隨著現代社會的發展，各界對于物聯網的接入需求也在不斷提升，而為了對這種社會發展需求加以滿足，布置簡單、覆蓋范圍廣、支持海量接入以及成本投入低的廣域網技術得到了快速的發展，對此類技術進行應用，能夠為較大范圍內海量設備的互聯互通提供支持。也正因如此，該項技術在近些年當中成為了相關領域研究的重點內容，其中LoRa 技術作為主流的廣域網技術，具有較為廣闊的應用前景，而針對以智能手機為基礎的LoRa 無線傳輸系統進行研究，能夠為相關領域的發展開拓新的方向，這對于各領域的現代化發展具有非常重要的意義。

1 淺析LoRa 無線傳輸

從物理層面上來看，LoRa 技術對啁啾擴頻（CSS）的私有物理層技術進行了應用，借助該項技術，可以將無線信號傳輸期間的多徑效應有效降低。在早期階段，CSS 技術主要在航天領域和軍事領域進行應用，其能夠在較大的距離中實現可靠性通信。LoRa 是其在大規模商用組網當中的首次應用。LoRa 除了傳輸距離遠、可靠性高以外，在無線傳輸方面也具有較高的靈敏度，其靈敏度至少能夠保證在130dBm 以上。而通常情況下，LoRa 無線傳輸在組網當中主要對星型拓撲結構進行應用，且在一個LoRaWAN 當中涉及到數以百萬的節點，可以防止復雜多跳組網的出現。

但由于無線傳感器網絡通常會在室外應用，運行環境較為惡劣，所以其無線傳輸效果往往會受到巨大的影響，特別是降雨天氣，對于LoRa 無線傳輸質量的影響最為明顯。另外，在工廠廠區以及智能樓宇等環境中，由于設備干擾因素的存在，也會是傳輸效果受到一定的影響。而為了向LoRa網絡的設計者提供相應的參考依據，需要對相關設備進行使用，測量LoRa 在相關環境中的傳輸效能，進而獲得更多的參考數據。由于LoRa 無線傳輸網絡容易受到諸多因素的影響，所以無法長期使用造價太高的設備進行測試，也不能以商業基站為基礎對傳輸效能數據進行實時的獲取。而隨著智能手機的飛速發展，其在測試領域的應用越來越廣泛，由于智能手機的通信及運算能力較強，其用戶UI 較為友好，能夠為相關測試工作提供諸多輔助功能。因此，文章提出了以智能手機為基礎的LoRa 無線傳輸測試系統。

2 系統架構

由于在對LoRa 無線傳輸網絡進行組網時，需要以星型拓撲結構為基礎，所以，在測試其傳輸效能的過程中，可以借助點對點傳輸效能進行觀測。但由于LoRa 技術屬于私有技術，所以無法確定相應的技術細節。而對于無線傳感器網絡來說，其核心功能在于：能夠對數據進行可靠的傳輸，因此，系統將數據傳輸成功率當做衡量傳輸效果的重要依據。而成功接收則代表接收內容與發送內容未發生改變。另外，系統主要應用了Android 智能手機，其中安裝了相應的App，在與相關配套測試節點進行聯合應用以后，實現了系統功能的有效發揮。系統結構圖如圖1 所示。

圖1 系統結構圖

3 智能手機端APP 設計

在本系統當中，智能手機是最為核心的內容，其功能主要是借助測試App 來實現的，而測試App 涉及到測試功能管理模塊、NFC 標簽管理模塊、BLE 連接模塊、定位模塊、用戶UI 模塊、網絡通信模塊以及數據存儲模塊等諸多模塊。測試用智能手機端APP 結構圖如圖2 所示，其中第一，測試管理模塊在該App 當中的主要作用是：LoRa 負載、測試參數記錄、測試過程同步、觸發信號管理以及管理用戶設定等。第二，通過NFC 標簽管理模塊，智能手機可以對儲存在節點NFC 標簽中的相關內容進行獲取，包括藍牙連接信息以及節點ID 等。第三，BLE 連接模塊則負責對連接節點和智能手機間的藍牙連接進行建立和管理。第四，定位模塊能夠利用智能手機中的高德地圖或者是百度接口對節點的位置進行獲取；第五，網絡通信模塊主要在測試期間對從智能手機當中通過的數據進行管理。在完成一次測試工作以后，利用App 的數據存儲模塊可以將測試結果記錄在手機的存儲空間當中，為后續應用提供支持。第六，用戶UI 模塊能夠為用戶提供相應的操作界面，用戶在使用期間只需要將智能手機與靠近節點的NFC 標簽貼近，就能夠與節點進行連接。并且可以根據測試要求對相關參數進行設置并開展測試工作。在完成測試操作以后，相關結果會向用戶進行反饋，并記錄下來。如果需要長時間的進行測試，則用戶可以對自動測試模式進行應用，將手機設置在相應的節點上，即可對數據進行自動的接收與發送。

圖2 測試用智能手機端APP 結構圖

4 測試節點設計

因為在本系統當中，很多功能都需要由智能手機作為載體，因此，在測試節點設計方面具有一定的精簡性。在節點當中，可以結合實際對微控制器進行應用，并將其作為節點的重要組成部分。與此同時，節點當中涉及到RN4020藍牙模塊以及BLE 模塊，且模塊在發送成功率方面能夠達到7dBm,在接收靈敏度方面則可以達到-92.5dBm,也正是由于其具有較高的發送功率和接收靈敏度，使得其完全能夠保證智能手機和節點間通信的可靠性。而且在節點附近進行NFC 芯片的設置，還可以將藍牙連接信息以及節點ID 寫入其中。另外，對相關電源模塊進行應用，可以實現節點的可靠供電。通過對衰減器、天線以及LoRa 通信測試模塊的結合應用，可以使節點在特定區間當中使用任意LoRa 發射功率［1］。如果用戶對于功率要求相對較高，則可以對LoRa測試模塊進行適當的調整，以此來滿足用戶在發射功率方面的要求。節點通常會在PVC 管狀容器當中進行封存，用戶可以利用頂部旋開口完成相關操作，例如節點維護以及節點升級等。而具體的節點測試流程如圖3 所示。

圖3 節點測試工作流程圖

5 測試結果及討論

對于無線傳感器網絡，在對其進行設計、安裝以及維護的過程中，需要對海量的測試數據進行應用，且這些數據必須要以數據傳輸作為中心。該系統設計和應用的主要目的是為了對較長時間周期當中分布的數據進行獲取，并在特定情況下完成相應的測試工作。在測試期間，相關人員對測試場地進行了選擇，使用兩個測試場地對樓宇間的LoRa無線傳輸進行實驗。在實驗期間，需要將節點功率設置成20dBm。而天線增益則可以設置為3dB，應用的手機可以是華為Mate2。在測試過程中，需要將各節點設置在較高的位置。例如，在對場地1 進行測試的過程中，通過App可以對節點間距進行讀取，具體為523m，而對場地2 進行測試期間，通過App 可測得節點間距是557m。

針對該系統的運行情況，工作人員進行了相應的測試，通過測試可以確定，LoRa 在樓宇間的無線傳輸確實會受到惡劣天氣的影響，特別是降雨天氣是影響傳輸質量的主要因素。根據系統獲得的數據對每個月平均的數據傳輸成功率進行統計，可以發現，在降水較少的情況下，場地1 的月平均數據傳輸成功率具有較高的分布下限。但在進入夏季以后，由于場地1 當中的降水增多，其月平均數據傳輸成功率會出現分布下限降低的情況。而在場地2 的測試過程中，由于場地2 所在區域降水相對較多，因此，其每個月平均的數據傳輸成功率存在分布下限較低的現象，而且在降雨較大的情況下，LoRa 無線傳輸還會出現無法完成的問題，這里的傳輸無法完成指的是傳輸中斷。也就是在128 秒以內，LoRa 數據包不能正常發送，反之，傳輸恢復就是在128 秒當中，LoRa 數據能夠完成傳輸，且沒有數據丟失的情況。而對本文的系統進行應用，能夠確定因為降雨造成傳輸中斷的具體時間，這些數據信息的記錄主要是由從節點來實現的，在完成記錄以后，會與主節點進行交互。而具體的傳輸中斷次數及傳輸中斷時長如圖4 所示。根據圖4 可以發現，在場地2 當中，由于降雨造成的傳輸中斷問題，不管是出現的概率，還是中斷的時間，都要比雨水較少的場地1 多很多，甚至有時會出現連續數小時中斷的情況，而由于場地1 所在區域以陣雨居多，所以在長期傳輸的情況下，并不會產生太大的影響。而利用類似的數據采集方式，獲得的測試結果能夠幫助相關人員對LoRa 無線傳輸方面的管理機制進行科學的編制，包括數據采集機制、技術人員輪詢機制以及緩存機制等等。

圖4 數據傳輸中斷次數和時長

根據以往的相關研究發現，無線傳輸距離通常會受農業環境中作物生長情況的影響，而在上述測試當中也驗證了這一點，如圖5 所示為測試結果，當作物生長周期不同的情況下，LoRa 無線傳輸在可靠傳輸距離方面也會出現相應的變化，這主要是因為傳輸距離會受到植物枝干以及冠層等因素的影響，并出現縮短的情況，因此，相關領域的工作人員在針對智慧農業進行LoRa 無線傳輸網絡設計的過程中，還應該將植物種植方面的相關數據納入其中，使系統的設計能夠更加科學、可靠。

圖5 測試結果圖

6 結論

綜上所述，文章提出了一種以智能手機為基礎的LoRa 無線傳輸效能測試系統，其主要是由智能手機和相關的測試節點構成，具有成本投入低、結構簡單、便捷實用等諸多優點，能夠對長時間周期中的分散數據進行有效的獲取。而且在完成系統設計以后，相關人員在智能樓宇以及智慧農業等場景當中進行了相應的測試活動，通過測試可以確定，與現有WiFi 以及藍牙等無線傳輸網絡相比，LoRa 無線傳輸具有更高的傳輸效能。但其應用效果容易受到所在區域環境的影響。盡管如此，應用該系統結合數據傳輸成功率等測量指標，仍然可以對與環境相關的各項數據進行獲取，所以，該系統對于相關領域的發展具有很大的參考價值，因此，相關領域對于該系統一定要保持高度的重視，要結合實際對其進行深入的研究，使其能夠在現代社會發展中發揮更大的作用。