何鳴 HE Ming；胡文飛 HU Wen-fei

（①上海亞泰儀表有限公司，上海 201900；②溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，溫州 325035）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)時代，伴隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，智能樓宇、智慧城市、智能家居以及無線抄表等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅速蔓延，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在人類日常工作、生活和學(xué)習(xí)中扮演著重要的角色[1]。在智能家居、智能樓宇等區(qū)域網(wǎng)通信場景中，常采用短距離通信技術(shù)，如WiFi、藍牙、ZigBee等[2，3]。但在智慧城市、智能交通以及遠距離戶外網(wǎng)絡(luò)等通信場景中，廣范圍、遠距離成為首先考慮的條件。目前，典型的遠距離通信技術(shù)有Cat1、Cat2、NB-IoT、LoRa等[4-7]。其中Cat通信設(shè)備使用運營商設(shè)備產(chǎn)生的4G網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，通常需要搭載SIM卡，會產(chǎn)生一定的資費，從而增加運營成本，并且在信號不佳的條件下無法使用。NB-IoT技術(shù)具有低功耗、覆蓋能力強等優(yōu)點，但是需要與運營商基站復(fù)用，實際應(yīng)用過程中，在信號較差的場景下經(jīng)常出現(xiàn)各類故障，從而導(dǎo)致通信中斷。LoRa作為一種面向低功耗遠距離應(yīng)用場景的新興無線通信技術(shù)，具有覆蓋范圍廣、能耗低、可靈活組網(wǎng)、支持廣播、定點模式等優(yōu)點，能夠很好地解決傳輸距離和系統(tǒng)功耗之間的平衡問題，克服復(fù)雜的應(yīng)用場景及通信干擾所帶來的諸多問題。目前，LoRa通信以自適應(yīng)組網(wǎng)和較好的性能優(yōu)勢已廣泛應(yīng)用在智慧城市、智能交通、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域[8]。

在智慧城市建設(shè)中，水循環(huán)系統(tǒng)的合理配分和節(jié)約水資源也是不容忽視的一個問題，傳統(tǒng)城市建設(shè)中，園林綠化和農(nóng)業(yè)水資源浪費嚴(yán)重，傳統(tǒng)的灌溉系統(tǒng)由于設(shè)備陳舊和管理不當(dāng)，浪費了大約30%的水資源，通過LoRa遠距離數(shù)傳系統(tǒng)接入智能灌溉系統(tǒng)，安裝在土壤中的傳感器經(jīng)由LoRa系統(tǒng)接入智慧城市管理終端，通過分析土壤溫度、濕度進行動態(tài)調(diào)節(jié)閥門進出水量，不僅可以節(jié)省大量寶貴的水、電資源還可以提高灌溉效率。圖1為安裝LoRa終端的智能灌溉系統(tǒng)示意圖。

圖1 智能灌溉示意圖

1 LoRa調(diào)制技術(shù)原理

LoRa是基于線性調(diào)頻擴頻技術(shù)（CSS）的一種調(diào)制方案，通過產(chǎn)生頻率線性變化的調(diào)制信號來實現(xiàn)頻譜的擴展，并結(jié)合前向糾錯（FEC）來實現(xiàn)遠距離低功耗通信。此外，LoRa的調(diào)制方案還有效解決了無線通信系統(tǒng)中常見的多徑衰落和多普勒頻移，并且利用正交的擴頻序列提高了信道容量。本文結(jié)合LoRa調(diào)制方案中的參數(shù)配置，分析了LoRa物理層通信的關(guān)鍵特點，并據(jù)此完成系統(tǒng)開發(fā)。

LoRa擴頻技術(shù)也稱為LoRa頻譜擴展通信。使用較寬的信號帶寬傳輸無線信號，并具有良好的對抗多徑衰落和多普勒效應(yīng)的能力，目前LoRa接收芯片接收靈敏度較高，甚至可以將一個比噪聲低19.5dB的信號恢復(fù)出來，使用LoRa擴頻技術(shù)可以進行低功耗遠距離的通信。

擴頻通信是以增大帶寬或犧牲傳輸時延換取在低信噪比情況下接收數(shù)據(jù)的有效性和可靠性。一般分為直接序列擴頻、跳頻、跳時等。LoRa主要采用直接序列擴頻和跳頻相結(jié)合。直接擴頻原理是將要發(fā)送的原始信息先進行信源編碼、信道編碼，其中在LoRa技術(shù)的信道編碼中使用了前向糾錯碼，一般分為重復(fù)碼、分組碼、卷積碼等。其基本思想是在發(fā)送端通過前向糾錯碼增加一段冗余信息，以便接收端接收到錯誤碼元后通過前向糾錯機制進行恢復(fù)，以降低誤碼率，提高系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

LoRa擴頻技術(shù)采用多個碼片將傳輸信息切分，其中符號速率和碼片速率與擴頻因子的關(guān)系可用公式表示。

在式（1）中，SF代表擴頻因子，RC為碼片速率，單位：chips/s，RS為符號速率，單位：symbols/s。

其中，又可知

所以有

在公式（3）中，Rb為調(diào)制比特率，BW為信號帶寬。

碼元傳輸時長Ts為：

采取跳頻的原因是在數(shù)據(jù)量大的時候，可能單個數(shù)據(jù)包發(fā)送時間超出最大信道占用時常，在這種情況下，就可以采取跳頻方式，將數(shù)據(jù)包切成單個碼片，在多個信道上同時傳輸，接收機接收到切片數(shù)據(jù)后再進行恢復(fù)，從而完成一個數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收。該種方式計算量小，減輕系統(tǒng)負(fù)荷，與其他方式相比所占用的帶寬較小。

帶寬大小也是影響信號傳輸時間及靈敏度的一個重要因素，增大信號帶寬可以有效的縮短數(shù)據(jù)傳輸時間，提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，但同時會犧牲一定的靈敏度。相反，降低信號帶寬可以獲得靈敏度的顯著改善，獲得更好的通信質(zhì)量及更遠的通信距離。

從以上的分析及測試中可以得出以下結(jié)論：

LoRa數(shù)據(jù)包的空中傳輸時間隨著帶寬的增加而減少，但卻隨著擴頻因子、編碼率、負(fù)載長度以及前導(dǎo)碼長度增加而增，數(shù)據(jù)的傳輸時間越長，信號的通信質(zhì)量及靈敏度越高。所以在該種調(diào)制方式下相對于FSK、OOK等傳統(tǒng)調(diào)制方式，其在保證較遠的傳輸距離的同時是以犧牲傳輸速率為代價的。因此本系統(tǒng)在不同的應(yīng)用場景中應(yīng)該靈活的進行參數(shù)調(diào)整，從而在帶寬、靈敏度以及數(shù)據(jù)的傳輸時間做出一個較好的平衡。

2 LoRa數(shù)傳系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)整體概述

LoRa通信系統(tǒng)由于其獨特的調(diào)制和擴頻機制，可滿足在低功耗、遠距離、免布線等場合使用。本次開發(fā)的LoRa數(shù)傳系統(tǒng)主要由主控模塊、LoRa射頻模塊、上位機、PLC以及天線組成。其中主控模塊和PLC使用RS485通信協(xié)議進行雙向數(shù)據(jù)收發(fā)，主控模塊與上位機通過TTL轉(zhuǎn)USB進行LoRa設(shè)備的配置和進行距離測試。天線采用單極子433MHz純銅振子天線，饋線長度50CM。如圖2為整體系統(tǒng)框圖。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

2.2 MCU和LoRa射頻芯片選型

為實現(xiàn)系統(tǒng)的可行性同時滿足研發(fā)周期的限制，LoRa通信系統(tǒng)本次采用國產(chǎn)億兆創(chuàng)新生產(chǎn)的GD32F103C8T6芯片，與ST公司的芯片相比，在價格上具有極大優(yōu)勢，此外，除少數(shù)定時器中斷、DMA傳輸有差異外，其他外設(shè)基本兼容。這樣在等代碼開發(fā)方面非常方便，也間接地降低了開發(fā)周期，減少成本。

此外，LoRa射頻芯片采用美國升特公司研發(fā)的專為低功耗、遠距離開發(fā)的射頻SX1276芯片。同一系列芯片還有SX1278、SX1212等。每種射頻芯片都有獨特的優(yōu)勢，表1從調(diào)制方式、工作頻率、功率、傳輸距離四個方面對市場上常見的射頻芯片進行對比分析。

由表1可知，上述幾款芯片都是適用于低數(shù)據(jù)量窄帶傳輸，在距離傳輸和功耗方面SX1276相比其他射頻芯片有著顯而易見的優(yōu)勢。

表1 射頻芯片數(shù)據(jù)對比

2.3 硬件電路設(shè)計

2.3.1 電源電路設(shè)計

電源承擔(dān)著整個系統(tǒng)的能量輸入，該系統(tǒng)電源部分包括一級降壓電路和二級降壓電路。將電源適配器的5～36V寬電壓直流通過SL2491降為5V直流，供板載一級電路使用。通過ASM1117線性穩(wěn)壓芯片將5V直流降低到3.3V供主控和部分電路使用。LoRa在發(fā)射狀態(tài)下，會有1W的瞬時發(fā)射功率。

所以設(shè)計出一款滿足整個系統(tǒng)峰值功耗的電源電路至關(guān)重要。同時電源設(shè)計應(yīng)保證40%的電流余量，且保證紋波不超過200mV。圖3為降壓電路。

圖3 降壓電路

2.3.2 射頻電路設(shè)計

射頻電路設(shè)計是整個通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，影響著整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。所以該部分電路的設(shè)計要遵循科學(xué)合理的原則。圖4為射頻電路設(shè)計模塊。

圖4 射頻電路設(shè)計

2.4 PCB整體設(shè)計和實物展示

經(jīng)過PCB的設(shè)計與制作，最終電路板長度為2375mil，寬度3005mil，可使用導(dǎo)軌安裝。仿真圖如圖5所示。

圖5 LoRa數(shù)傳系統(tǒng)仿真圖

3 LoRa數(shù)傳系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計

上位機采用Qt Company開發(fā)的跨平臺圖形界面程序，支持Windows系統(tǒng)、Linux、Unix系統(tǒng)使用。上位機界面清新簡潔，且具有完善的功能，可通過上位機軟件對LoRa系統(tǒng)進行寄存器配置、改變波特率、進行距離測試等功能。

上準(zhǔn)備兩臺LoRa數(shù)傳模塊，上位機連接設(shè)備后打開距離測試板塊，試該距離下丟包率，并根據(jù)實際場景判斷該丟包率是否滿足應(yīng)用場景。

操作步驟如下所示：

①取消HEX顯示，若未選則忽略；

②在模式選擇中選擇逐條發(fā)送或者循環(huán)發(fā)送（只能選擇一項），負(fù)載數(shù)據(jù)中添加字符串，例如：“123456789”，點擊開始測試按鈕；

③測試結(jié)束后查看測試結(jié)果，通過一臺設(shè)備的發(fā)送包數(shù)和另一臺設(shè)備的接收包數(shù)計算丟包率。上位機軟件配置說明如圖6所示。

圖6 設(shè)備界面配置

4 系統(tǒng)整體性能測試

在無線數(shù)傳系統(tǒng)實現(xiàn)后，需要進行實地測試來檢測所需要的功能是否能實現(xiàn)，下面本章將在實際應(yīng)用環(huán)境中對本系統(tǒng)進行通信性能測試及功能模塊測試。

4.1 LoRa數(shù)傳系統(tǒng)功率測試

通過上位機軟件對LORA模組進行配置，設(shè)定發(fā)射功率27dBm。配置后，使用Rohde&Schwarz公司生產(chǎn)的FSL18系列頻譜儀進行采樣，見圖7。

圖7 配置及測試結(jié)果

頻譜儀實際測試發(fā)射功率為26.45dBm，經(jīng)計算，能量傳輸效率達到97.96%，符合預(yù)期效果。另外LoRa模組可配置發(fā)射功率為21dBm，24dBm，27dBm，30dBm。測試方法類似，不再贅述。

4.2 LoRa數(shù)傳系統(tǒng)丟包率測試

對兩臺LORA通信模塊無線輸傳LoRa通信模塊同時進行收丟包率測試。間距10米，每次傳輸10個字節(jié)。

測試界面如圖8所示。LoRa通信模塊A累計發(fā)送30550個包，累計傳輸305500字節(jié)。LoRa通信模塊B收到30229個包，累計收到302290字節(jié)，丟包率為1.05%。LoRa通信模塊B發(fā)送30560個包，累計發(fā)送305600字節(jié)，LoRa通信模塊A收到30201包，累計收到302010字節(jié)，計算丟包率為1.17%。

圖8 丟包率測試界面

4.3 LoRa數(shù)傳系統(tǒng)距離測試

使用12V移動電源對LoRa數(shù)傳模塊進行供電。兩個上位機軟件將數(shù)據(jù)定時發(fā)送，大約1000次收發(fā)后停止發(fā)送，采集數(shù)據(jù)。

圖9實測地圖顯示

圖9 為哈爾濱市先鋒路，測試長度4公里。

采集數(shù)據(jù)及丟包率見表2。

表2 距離測試丟包率

由表2的測試結(jié)果可知，在測試過程中，考慮到實際路況車流、橋梁路面坡度對LoRa數(shù)傳系統(tǒng)距離和丟包率的影響，在發(fā)射功率30dBm下，丟包率10%左右，通信距離達到4千米，符合預(yù)期效果。

5 結(jié)論

相對于現(xiàn)有的短距離數(shù)據(jù)通信方式，LoRa網(wǎng)絡(luò)在傳輸距離、功耗、實現(xiàn)成本和穩(wěn)定性上都具有較大的優(yōu)勢，非常適用于遠距離通信。本文開發(fā)的LoRa數(shù)傳系統(tǒng)，通過對發(fā)射功率、傳輸距離、丟包率等指標(biāo)進行測試，能量傳輸效率達到97.96%，4千米路況下誤碼率維持在10%左右。所有指標(biāo)均符合項目需求和預(yù)期效果。此外，LoRa數(shù)傳系統(tǒng)還設(shè)計了自動恢復(fù)功能，一般故障以及強干擾情況下可自動重啟恢復(fù)通信，增加系統(tǒng)的魯棒性和健壯性。基于LoRa的數(shù)傳系統(tǒng)實現(xiàn)經(jīng)濟、高效、穩(wěn)定的遠距離通信，已在智慧園林灌溉中廣泛使用。