在機場應急疏散系統中的LoRa低功耗組網設計與實現

蔡明 孔德偉

【摘要】? ? 本文針對基于LoRa的機場應急疏散系統為基礎，提出了LoRa低功耗需求，并根據相關LoRa低功耗技術研究成果，著重圍繞組網優化技術進行了分析和探討，在對LoRa技術與功耗、節點功耗特點、低功耗策略進行了必要介紹的基礎上，進一步就LoRa節點入網和多跳時隙分配機制優化研究成果進行了介紹和分析，并結合某機場應急疏散管理系統的應用試驗，對低功耗優化機制進行簡要比較，為后續進一步深入研究LoRa全網低功耗提供了必要積累。

【關鍵詞】? ? 應急疏散系統? ? LoRa? ? 低功耗組網

引言：

當今，隨著社會、經濟和文化迅猛發展，人們對交通出行提出了更加迫切需求，不僅僅滿足于傳統的“行”，更提出了“行”的便捷、高效的要求。搭乘航空交通工具出行則越來越受到青睞，也成為人們城際、省際和跨境出行的首選方式。因此，作為航空交通的核心樞紐——機場就成為人流匯集、人群密集場所。然而，當前國內外局勢不是很理想，恐怖襲擊和意外事件常有發生，加之烈性傳染病毒引發的疫情管控更加顯著，并越發趨于常態化疫情防控，這對于人流密集的公共場所就成為了凸顯的防范重地;而當緊急突發事件發生時，往往需要組織人員應急疏散，這對于機場在內的公共場所的安檢管理部門如何為人員快速建立疏散通道提出了新的要求。而在機場環境中，為了日常安檢管理的需要，采用大量隔離設施設置區域分區，但基本都是通過人員人工操作完成隔離設施的解除操作，在發生突發事件需要釋放時，需要人員在現場進行工作，并且釋放動作不能全部同步進行，在釋放不及時時，給航站樓帶來極大的安全隱患。 為此，本文基于LoRa建立了一套針對隔離設施應急疏散的管理系統，前期試驗已取得一定的良好效果，但是，考慮到隔離設施日常部署靈活、環境取電不便等特點，但又需要相關設施能長期處于工作監守狀態，因此，本文著重圍繞系統低功耗要求目標，提出LoRa低功耗組網設計與應用實現，幫助應急疏散系統在機場環境應用中更好地發揮其作用和優勢。

一、物聯系統低功耗組網現狀概述

1.1物聯網低功耗概述

LoRa作為傳輸層的重要承載主要應用方向則是面向物聯網系統，近來，物聯網系統從發展到應用不僅停留在重視層面，對其實際效用已經獲得普遍認可。作物物物相連的互聯網，通常而言，物聯網的連接對象只有在需要信息互動時才會聯網，而大部分時間則都處于監聽等待狀態。當設備處于監聽等待狀態時，如果仍然保持連接在線，不僅沒有必要，更是浪費能量，此狀態下，是完全可以釋放它所占用的頻譜資源。而傳統的移動互聯網中要求終端設備需要保持實時在線，處于隨時可以在線處理業務響應，因此，系統能耗消耗最大的鏈路保持難以得到釋放，這樣的開銷非常不適合于承載物聯網相關的業務，就需要一種新的網絡連接方式，使得終端能夠在有需要時，即有信息交互傳輸時才建立連接，其余時間則可處于離線休眠狀態，從而大大節省能耗開銷，達到降低能耗的目的。

1.2 LoRa碰撞與低功耗概況

在空曠環境的條件下，LoRa 最遠理論傳輸距離達15公里以上，由于LoRa具有超長傳輸距離的特點，因而其終端控制節點在較為空曠、障礙物較少的使用場景中使用，則不需要通過其他節點進行中繼的方式。都可以與集中控制器進行通信。實際測試也表明，LoRa超遠距離傳輸只有在障礙物，特別是在建筑物較少的環境下才能測得遠距離通訊的效果;在建筑物內部，墻體較為密集、環境復雜的條件下，對LoRa信號衰減較為嚴重，導致LoRa無線信號傳輸距離降低，也導致了單跳的LoRa網關存在覆蓋范圍不夠，不能完全滿足在該應用場景下使用。同時，由于LoRa的MAC層采用的是純的 Aloha 無線通信協議，? 雖然 Aloha協議存在省電和簡單的優點，但也無法避免信號之間沖突和由此導致的低效率的問題。這些問題都可以通過設計適合 LoRa自組網協議來進行解決。

LoRa 技術的出現使得無線傳感器網絡對于低功耗、遠距離通信等要求變得切實可行。雖然 LoRa有低功耗、遠距離的優點，但是 LoRa WAN 也存在網關覆蓋范圍不足、信號碰撞嚴重并導致通信效率低缺點。因而本文將通過研究LoRa 低功耗傳感網，從Lo Ra 低功耗組網方式上進行設計，以期為上述問題提供解決參考。

二、基于LoRa的低功耗設計

要達到延長保持LoRa網絡中全網運行周期，實現 LoRa 的低功耗設計就是必然選擇。LoRa終端節點的功耗降至極低限，理論上可以選擇將終端節點置于休眠狀態。并且將LoRa作為低數據速率傳輸鏈路配置，可以讓終端收發消息的頻率進一步降低等手段來實現，但這樣的犧牲能否保證LoRa全網的可靠性，就成了一種利弊抉擇。因此，從LoRa組網著手設計功耗控制，則是一種兼顧利弊的選項。

2.1 LoRa低功耗研究現狀

為了盡量延長能量有限的無線傳感器節點的壽命，增加網絡的整體生存時間，目前，研究者已經提出了很多經典的低功耗傳感網相關協議。如通過將數據進行融合從而減少數據收發次數，進而降低節點能耗的 LEACH? （? Low? Energy? Adaptive Clustering? Hierarchy? ）? 協 議，以及基于該協議進行改進形成的 PEGASIS （? Power-Efficient? GAthering? in? Sensor? Information? Systems? ）? 協議和 HEED? （? A Hybrid，Energy-Efficient Distributed clustering approach ）? 協議;通過減少不必要的數據發送，從而提高發送數據有效性進而降低節點單位數據能耗的 SPIN? （? Sensor Protocol? for? information via? negotiation? ）? 協議和 Directed Diffusion 協議以及其他的低功耗無線傳感器網絡協議。

另外，還有針對 LEACH 協議中傳感器節點將數據直接發給簇首節點，而簇首節點又將融和的數據直接發給遠處的基站，這樣的節點與簇首及簇首與基站之間進行遠距離通訊方式存在過高消耗能量的情況進行改進，提出了 MELEACH? （? More Energy-efficient? LEACH? ）? 協議即采用最小生成樹算法選取距離簇內節點的最近的鄰居節點和距離簇首節點最近的簇間節點分別作為它們的父親節點的方式進行多跳通信。該協議的優點是通過將長距離通信變為多跳短距離通信的方式降低傳感器網絡節點的整體能耗，缺點是跳數多導致的時延過大及維護不便等問題，故認為其不適用于LoRa 通信網絡。 對 LEACH 協議中存在的不足進行改進，通過分析 LEACH協議存在非可靠傳輸機制中簇成員節點存在可能浪費能量的情況，即在穩定傳輸階段，如果某個簇首節點因能量消耗過多而突然死亡，因為采用了非可靠的傳輸進制，數據傳輸無需回復 ACK 消息，如此簇內節點就無從知曉簇首死亡而繼續發送數據，從而造成能量不必要的浪費。

通過對LoRa、低功耗傳感器網相關協議的現有研究，加深了對 Lo Ra 技術及低功耗物聯網絡的理解，對設計適用于 Lo Ra 自組網協議具有借鑒意義。本文將根據LoRa 技術特點，就基于LoRa組網協議進行初步設計探索，以期發揮 Lo Ra在機場等大型室內建筑內組網通信、低功耗的優點，同時又能解決消息碰撞嚴重，效率不高的問題。

2.2 LoRaWAN軟件層次結構分析

LoRa聯盟官方設計了其協議棧的軟件的層次結構，該層次結構分為物理層、MAC 層和應用層如圖1所示。

在 Lo RaWAN 的軟件層次結構中，各層的功能如下：

物理層：負責 Lo Ra 無線信號的收發與調制解調，物理層的 Lo Ra射頻信號的工作頻段因地區的不同而不同。具體地區工作頻段為：歐盟 868MHz 頻段和 433MHz 頻段、美國 915MHz 頻段、亞洲地區 430MHz 頻段等。

MAC 層：負責 Lo Ra 信號接入控制、邏輯鏈路的管理。

應用層：為用戶需求提供基于 Lo RaWAN 協議架構規范的應用程序、軟件接口等。

其擁有三種通信模式分別為：Class A、Class B 和 Class C。詳細介紹如下：

1.? Class A

Class? A 是 Lo Ra WAN? 協議 MAC 層的基礎通信模式，其允許終端與網關進行雙向通信。如圖 2 所示，終端在發給網關一個上行信號后方可進行下行通信，終端會在一個上行信號后打開兩個接收窗口。上行通信的信號傳輸參數與終端自身的通信需求有關，下行通信的信號參數與上行一致。

2.? Class B

支持 Class B 的終端設備，除了支持 Class A 中在一個上行通信之后，開放兩個下行窗口外，還會開放額外的窗口用于接收下行數據。為了實現這一點，終端設備會同步從網關接收到一個 Beacon，用于告知服務器該終端設備正在偵聽如圖3所示。

3.? Class C

Class C 是為那些不需要過多考慮能量的終端設備而設計，支持 Class C 的終端會持續地開啟接收窗口，只是在需要進行上行數據發送的時候才會關閉如圖 4所示。支持 Class C 的終端不會支持 Class B，反過來亦是如此。

2.3 LoRa節點功耗分析

對于LoRa低功耗網絡的研究隨著其應用范圍的愈加廣泛，越來越受到更多關注和投入。而LoRa網絡中的節點功耗則成為其中的研究重點之一。怎么樣降低LoRa組網的功耗，需要優先考慮節點的功耗，延長節點的壽命有著直接的影響。而從LoRa節點功耗分析發現，節點模塊對功耗影響明顯主要來自三類：傳感器模塊、射頻通信模塊和 MCU 模塊，相關模塊功耗分析如圖 5 所示。

傳感器模塊功耗來源于數據采集;MCU功耗則與具體型號有關，功耗主要由其運算過程產生;射頻通信模塊負責數據收發，其數據有效長度，傳輸的頻率是功耗產生的直接原因。因此，如何有效控制射頻模塊的收發則成為LoRa低功耗設計的關鍵因素。

2.4低功耗設計一般策略

本文認為LoRa低功耗設計主要從硬件層面和軟件層面展開，硬件層面主要是器件的選型與硬件的設計，軟件層面主要是協議優化。具體設計策略包括：

1.? 硬件設計

低功耗節點設計是基于良好的軟件設計和硬件設計共同結果，包括對MCU、射頻模塊和傳感器模塊在內的重要器件，其選型選是進行低功耗設計的首選。

2.? 功率控制

低功耗節點合理的發射功率是可以讓節點以最小的功率完成滿足設計要求，滿足指令、數據交換。當前，已有相關的研究者提出基于節點方位進行統一管理的功率控制算法。

3.? 協議優化

優化協議來避免不必要的數據發送行為也是降低節點能耗的有效途徑，同時合理設計協議算法來避免通訊沖突、降低數據重傳帶來的消耗也能顯著改善節點能耗水平。

4.? 休眠策略

LoRa節點在進行工作時都有著較高的功耗，而休眠狀態的功耗水平極低。設計合理的休眠策略，讓節點在不需要工作的時候進行休眠，可以通過LoRa節點內部定時器對節點在需要工作時進行喚醒，可以有效降低節點的功耗。在機場應用環境中，LoRa節點控制器的電池不易進行維護或者更換，上述幾種策略設計低功耗的LoRa網絡更顯必要。

三、基于LoRa的低功耗組網優化

目前，針對低功耗傳感網進行自組網已有較多研究，并就組網協議提出低功耗方案，但并非適合 Lo Ra 低功耗控制。通過研究發現 LoRa WAN架構下的單跳網絡存在兩個問題：網關覆蓋范圍不足和 Aloha 協議因碰撞導致傳輸成功率低，導致LoRa增加收發信息負擔，增加額外功耗開銷。因此提出通過LoRa節點多跳組網機制優化，降低傳輸碰撞，通過提高傳輸成功率有效降低傳輸損耗，從而達到節省功耗的設計優化目的。

3.1 LoRa節點入網機制優化

我們知道，優化LoRa節點入網機制，首先要解決與網關直接建立通信的終端節點入網問題，其次要針對LoRa節點經多跳入網而產生的增加延時問題。因此本研究針對一種新的節點入網機制優化提出分析和研究。對所有LoRa節點控制器的入網采取基于一個時間上的超幀來進行研究。機制可分為超幀結構、消息類型和節點入網過程三個部分進行描述。

超幀結構分為三個時段，如圖6 所示。分別是 Beacon 時段、CAP時段和 CFP 時段。其中 Beacon 時段為網關廣播 beacon 消息的階段;CAP 時段為節點競爭入網的階段;CFP 時段為非競爭的數據傳輸階段，LoRa節點控制器入網主要是在 CAP 時段完成。

這三個階段的具體作用如下：

1.? Beacon 時段

網關向其他LoRa節點控制器廣播 beacon 消息。

2.? CAP 時段

網關廣播 beacon 消息完成之后即進入 CAP 時段，在現這階段，收到 beacon 消息的LoRa節點控制器通過給網關節點發送請求入網消息來競爭入網。網關在收到請求消息后，回復該LoRa節點控制器一個包含入網短地址和時隙信息的消息。

如果LoRa節點控制器在等待一段時間后，沒有收到網關回復的消息，就再次發送請求直到本次超幀的CAP 時段結束。如果在整個 CAP 時段，LoRa節點控制器都未能入網，就只能等待下一個超幀再進行入網申請。

3.? CFP 時段

CFP 時段為LoRa節點控制器上傳數據的階段。即已經入網的LoRa節點控制器，將會根據允許入網消息中的時隙分配信息確定自己的數據發送時隙并在該時隙內將數據發送至網關。

本方案的超幀時長與具體每個超幀中的 CAP 及 CFP 時長由網關通過 beacon 消息廣播到網內，其他節點根據 beacon 消息獲得有關超幀的相關信息。

通過上述針對幀結構的優化，如果一個LoRa節點控制器，在開機后一段時間內沒有收到網關廣播的 beacon 消息，也不能確定該LoRa節點控制器就是多跳節點，LoRa節點控制器需要判斷這段時間內網關有沒有廣播 beacon 消息。如果確定網關廣播 beacon 消息了，但LoRa節點控制器沒有收到，則可以確認不在網關的單跳通信范圍內，否則不能確認。這樣的方式既可以判定本LoRa節點控制器為多跳節點，同時也可以選取本節點的中繼節點，在這個過程，不需要其他LoRa節點控制器單獨發送短消息包，只需要多跳節點一直保持接收狀態一段時間即可。

由于接收狀態相比發送狀態功耗小的多，這樣就通過消耗多跳節點較少的能量來達到節約所有一跳LoRa節點控制器能量的目的，進而達到降低LoRa全網總體功耗的目的，該優化機制提供了一種有益選擇。

3.2多跳時隙分配機制優化

現有方式將所有的兩跳節點的時隙集中分配在一個時段，導致兩跳跳節點的數據包傳輸時延增大的問題，從而提出一種新的多跳時隙分配機制以解決該問題，本文基于此進行了分析和應用試驗。

該機制大致如下：

多跳節點的入網需要借助中繼節點來完成，而數據發送時隙的申請同樣如此。事實上本文的時隙分配機制是與入網地址分配一起進行的，即網關分配給LoRa節點控制器的入網短地址同時也是該LoRa節點控制器的數據發送時隙的序列號，而每個終端的數據發送時隙的時長都是相同的，也即LoRa節點控制器在獲得網關分配的入網短地址的同時也就獲得了數據發送時隙。

多跳LoRa節點控制器通過中繼節點向網關申請入網地址及數據發送時隙，網關在處理中繼LoRa節點控制器的多跳入網及時隙申請時，也要分為中繼LoRa節點控制器本身已經入網并獲得時隙和中繼LoRa節點控制器本身未入網兩種情況。

這樣就可在同一超幀內，讓多跳LoRa節點控制器在一個數據發送時隙內將數據上傳至中繼LoRa節點控制器，然后中繼LoRa節點控制器在另一個數據發送時隙內將多跳LoRa節點控制器的數據和本LoRa節點控制器的數據一起發送給網關，多跳LoRa節點控制器的數據包不必等待其他兩跳LoRa節點控制器時隙結束后，再有中繼轉發到網關;同時又不會影響其他一跳LoRa節點控制器在兩個時隙點的數據發送，從而大大降低了整個網絡的數據傳輸時延。

通過上述機制優化，在本系統中采用并進行驗證初步表明，通過多跳時隙分配機制優化，可以在不降低LoRa節點控制器數據傳輸效率同時，有效節省傳輸時延，從而有效避免碰撞發生概率，達到收發功耗控制目標，當然，多跳時隙機制一定程度增加了節點MCU處理過程的功耗開銷，如何評價總體功耗控制水平還有待進一步驗證。

四、結束語

本文以公共場所中客運人流密集場所為應用需求提出及應用環境為背景，尤其是響應機場人流應急疏散現實需求為基礎，在公共場所人員應急疏散控制系統基礎上提出了LoRa低功耗組網優化技術進行了分析和探討，首先對LoRa技術與功耗、節點功耗特點、低功耗策略進行了必要介紹，然后著重圍繞LoRa節點入網和多跳時隙分配機制優化進行了介紹和分析，并通過某機場應急疏散管理系統進行了應用試驗，一定程度支持了低功耗設計優化機制的合理性，為后續進一步深入研究LoRa全網低功耗提供了必要積累。

參? 考? 文? 獻

[1] coverage of LPWANs： range evaluation? and? channel? attenuation? model? for? Lo Ra? technology[C]//? International Conference on ITS Telecommunications. IEEE， 2016：55-59.

[2] Georgiou? O，? Raza? U.? Low? power? wide? area? network? analysis：? Can? lora? scale？[J]. IEEE Wireless Communications Letters， 2017， 6（2）： 162-165.

[3] Heinzelman? W，? Chandrakasan? A，? Balakrishnan? H.? Energy-efficient? protocol? for wireless? microsensor? networks[C]//Hawaii? International? Conference? on? System Sciences. 2000： 3005-3014.

[4]陳靜，? 沈鴻. MELEACH 一個高效節能的 WSN 路由協議[J].? 傳感技術學報， 2007， 20（9）： 2089-2094.

[5] Cheong P S， Bergs J， Hawinkel C， et al. Comparison of LoRaWAN classes and their power? consumption[C]//IEEE? Symposium? on? Communications? and? Vehicular Technology. 2017： 1-6.

[6]葛理威，基于LoRa的低功耗傳感網組網協議研究與實現[D].重慶郵電大學， 2018.

[7]蔣雪妍，基于LoRa技術的低功耗定位方案[D].電子科技大學， 2019.