印 華,方 挺,董 沖,胡祥翱

安徽工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院,安徽 馬鞍山 243000

1 引 言

在物聯(lián)網(wǎng)[1]技術(shù)迅速發(fā)展的時(shí)代背景下,越來(lái)越多的工業(yè)設(shè)備更加智能化和信息化。如今,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到工業(yè)制造、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)、醫(yī)療器械等多個(gè)領(lǐng)域,利用通訊技術(shù)對(duì)傳感模塊的感知數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制,使整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程變得更加安全化和高效化。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用,低功耗和低成本的通信技術(shù)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和服務(wù)的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。相比于熟知的低功耗藍(lán)牙(BLE)、ZigBee和WiFi等技術(shù),低功耗廣域技術(shù)(LPWA)的傳輸距離更遠(yuǎn),其鏈路預(yù)算可達(dá)到160 dBm,而B(niǎo)LE和ZigBee等在100 dBm以下。和傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(2G,3G)相比,LPWA的功耗更低。LPWA中LoRa[2-3]通信技術(shù)具有低功耗,覆蓋廣、低成本等特點(diǎn),傳輸距離可達(dá)3 km[4],使其成為物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的熱門選擇,例如:智能計(jì)量、智能農(nóng)業(yè)、智能停車等。除這些優(yōu)勢(shì)以外,LoRa也有一些問(wèn)題和不足之處。最主要問(wèn)題是,使用ALOHA類型的協(xié)議,導(dǎo)致了高電池耗電量和低可靠性,并限制了在LoRaWAN(LoRa Wide Area Network)網(wǎng)絡(luò)中控制場(chǎng)景的應(yīng)用程序。張琴等[5]將LoRa應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖水質(zhì)監(jiān)測(cè),通過(guò)設(shè)置不同的發(fā)射功率,并在MAC(Media Access Control)層使用無(wú)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)分多址協(xié)議,實(shí)現(xiàn)降低傳感器節(jié)點(diǎn)功耗的目的,使其在功耗上優(yōu)勢(shì)明顯,但發(fā)射功率會(huì)影響傳輸距離,對(duì)于較遠(yuǎn)距離傳輸會(huì)存在數(shù)據(jù)丟包問(wèn)題。李時(shí)杰等[6]將LoRa應(yīng)用于電氣設(shè)備的溫濕度監(jiān)測(cè),利用器件的低功耗特性降低終端的功耗、利用微控制器(Micro Controller Unit,MCU)端口對(duì)傳感器供電電源進(jìn)行控制,以達(dá)到降低功耗的目的,但是未對(duì)LoRa網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行優(yōu)化。岳云濤等[7]將LoRa應(yīng)用于電氣火災(zāi)預(yù)警,通過(guò)對(duì)收發(fā)器的休眠機(jī)制來(lái)降低探測(cè)器的功耗,但是通過(guò)單一的休眠機(jī)制來(lái)控制功耗,在數(shù)據(jù)層面和硬件層面的結(jié)合應(yīng)用相對(duì)較少。

在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSN)中,MAC的性能直接影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能,不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)和應(yīng)用場(chǎng)景也導(dǎo)致了其側(cè)重點(diǎn)不同,其主要考慮的是能耗、信道的利用率、數(shù)據(jù)沖突等問(wèn)題。一些研究只是通過(guò)單一的休眠機(jī)制來(lái)控制功耗,缺少在硬件低功耗設(shè)計(jì)和LoRa網(wǎng)絡(luò)性能優(yōu)化。為了減少上行通信所帶來(lái)的能耗,一般采用減少數(shù)據(jù)收發(fā)頻率的策略,但是忽視了監(jiān)測(cè)所需的實(shí)時(shí)性。對(duì)于類似數(shù)據(jù)融合和事件監(jiān)控等應(yīng)用程序,上行通信的時(shí)隙資源調(diào)度[8]顯得尤為重要。

2 系統(tǒng)采集與傳輸架構(gòu)設(shè)計(jì)

高爐冷卻水溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[9]主要由數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸兩部分組成,系統(tǒng)模型如圖1所示。其中,數(shù)據(jù)采集層主要包括傳感器模塊、主控制器和LoRa模塊等,構(gòu)建了由鋰電池供電的低功耗采集裝置。網(wǎng)關(guān)主要由主控制器模塊、LoRa模塊組成。系統(tǒng)具備了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、無(wú)線傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能,實(shí)現(xiàn)了對(duì)高爐冷卻水溫度情況的分布式監(jiān)控和集中管理。

圖1 系統(tǒng)模型

采集終端將采集的溫度信息通過(guò)LoRa通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān);網(wǎng)關(guān)將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后,通過(guò)串口上傳至上位機(jī)。當(dāng)檢測(cè)的水溫情況出現(xiàn)異?；蛘咪囯姵仉妷哼^(guò)低,則會(huì)觸發(fā)警報(bào)事件中斷。此時(shí),單片機(jī)控制LoRa發(fā)送報(bào)警信息,使工作人員能夠及時(shí)了解情況。提供了穩(wěn)定且可靠的水溫監(jiān)測(cè)與異常警報(bào)方案。

2.1 采集終端設(shè)計(jì)

采集終端主要以溫度采集和數(shù)據(jù)傳輸為主,包括傳感器模塊、主控制器模塊、無(wú)線通信模塊。如圖2所示。

圖2 采集終端硬件結(jié)構(gòu)圖

傳感器模塊主要是檢測(cè)和響應(yīng)來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的輸入,以50 Hz的頻率進(jìn)行采樣。輸入信號(hào)通過(guò)RTD(Resistance Temperature Detector)數(shù)字轉(zhuǎn)化器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào),然后將數(shù)字信號(hào)以SPI(Serial Peripheral Interface)通訊協(xié)議發(fā)送給單片機(jī)。

由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜,大多采用鋰電池供電,則對(duì)采集終端的功耗提出了嚴(yán)格的要求。故選擇以Cortex-M3內(nèi)核的STM32L151芯片作為主控芯片,STM32L系列有5種低功耗模式。主控制器模塊負(fù)責(zé)接收傳感器模塊采集轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào),并將數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波與均值處理,最后將這些數(shù)據(jù)傳送給LoRa模塊。一旦完成數(shù)據(jù)處理,處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信模塊進(jìn)行發(fā)送。無(wú)線通信模塊選用安信可Ra-02,基于SX1276射頻芯片開(kāi)發(fā),主要采用LoRa遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器,用于超長(zhǎng)距離擴(kuò)頻通信,抗干擾能力強(qiáng),擁有良好的抗多徑衰落性能。

為了達(dá)到低功耗的設(shè)計(jì)要求,對(duì)于傳感器模塊,并不需要其長(zhǎng)期待機(jī)工作。當(dāng)單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式時(shí),用MOS關(guān)斷電路切斷其供電,從而降低該模塊所耗費(fèi)的功耗。由于采集終端布置在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),其工作環(huán)境惡劣,溫度、振動(dòng)等其他環(huán)境因素會(huì)影響單片機(jī)的時(shí)鐘精度,間接影響LoRa的時(shí)間同步和定時(shí)上報(bào)。所以,選用外部低功耗高精度時(shí)鐘芯片RX8010SJ,其待機(jī)電流僅為160 nA,滿足低功耗的實(shí)際需求。

2.2 采集網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

依據(jù)實(shí)際需求,網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)與終端具有一定差異化。首先,供電方式不同。網(wǎng)關(guān)由USB供電,對(duì)于功耗要求不高;其次,環(huán)境不同。網(wǎng)關(guān)放置在監(jiān)控中心,不必考慮復(fù)雜的工作環(huán)境;最后,功能不同。網(wǎng)關(guān)將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出,不包含采集數(shù)據(jù)的功能。網(wǎng)關(guān)的硬件主要包含無(wú)線通信模塊、主控制器模塊以及有線通信模塊,如圖3所示。

圖3 采集網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖

網(wǎng)關(guān)主要通過(guò)LoRa模塊接收采集終端的數(shù)據(jù),經(jīng)主控制器將接收到的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的協(xié)議輸出。通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口,將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。

3 采集終端能耗計(jì)算模型

為了研究節(jié)點(diǎn)的能耗,對(duì)采集終端進(jìn)行建模分析[10]。分析終端的不同工作模式,然后計(jì)算個(gè)模式的消耗能量,并推導(dǎo)出消耗能量模型。研究中,所有的模塊都在3.3 V下供電。傳感器在一個(gè)數(shù)據(jù)上報(bào)周期內(nèi)消耗的總能量由式(1)表示:

ET=ES+EW

(1)

其中,ES和EW分別為MCU在休眠模式下和工作模式下的能量損耗。

Ework為采集終端各部分的能耗的總和。如式(2)所示:

Ework=Ew+Ea+Ed+ETx+ERx

(2)

式(2)中,Ew、Ea、Ed、ETx、ERx為MCU喚醒、傳感器數(shù)據(jù)采集、MCU數(shù)據(jù)處理、LoRa發(fā)送和LoRa接收中消耗的能量。由于采集終端多數(shù)時(shí)間處于休眠狀態(tài),在工作之前,MCU先進(jìn)行系統(tǒng)喚醒,然后通過(guò)GPIO引腳控制MOS關(guān)斷電路,使電源給傳感器模塊供電。在喚醒持續(xù)時(shí)間所消耗的能量Ew如式(3)所示:

Ew=Pon(fMCU)·Tw

(3)

式(3)中,Pon(fMCU)和Tw分別為MCU消耗的功率和喚醒持續(xù)時(shí)間,fMCU為MCU的頻率。

當(dāng)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí),損耗能量Ea如式(4)所示:

Ea=(Pon(fMCU)+Pa)·Ta

(4)

Pa和Ta分別為數(shù)據(jù)采集消耗的功率和持續(xù)時(shí)間。

在測(cè)量完成后,微控制器繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。持續(xù)時(shí)間取決于微控制器的工作頻率和指令數(shù)。式(5)中,計(jì)算微控制器所消耗的能量:

Ed=Pon(fMCU)·Td(fMCU)

(5)

LoRa發(fā)射模式所消耗的能量ETx如式(6)所示:

ETx=(Pon(fMCU)+PTx)·TTx

(6)

式(6)中,PTx為發(fā)射模式下的功率損耗,TTx為其持續(xù)時(shí)間。TTx如式(7)所示:

TTx=Nbit·Tbit

(7)

Nbit和Tbit分別為傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)和傳輸一個(gè)比特?cái)?shù)的時(shí)間。

LoRa接收模式所消耗的能量ERx如式(8)所示:

ERx=(Pon(fMCU)+PRx)·TRx

(8)

式(7)中,PRx為接收模式下的功率損耗,TRx為其持續(xù)時(shí)間。

微控制器在工作模式下所消耗的能量由式(9)表示:

EMCU=Pon(fMCU)·TMCU(fMCU)

(9)

其中,TMCU(fMCU)為微控制器的工作時(shí)間,由式(10)表示:

TMCU(fMCU)=Tw+Ta+Td(fMCU)+TTx+TRx

(10)

4 基于LORA的通信策略

在高爐冷卻水溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,既需要周期性上傳冷卻水的溫度數(shù)據(jù),也需要實(shí)時(shí)上傳緊急異常數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測(cè)的水溫情況出現(xiàn)異常或者鋰電池電壓過(guò)低,會(huì)觸發(fā)警報(bào)事件中斷,需要發(fā)送緊急信息。對(duì)于周期性上傳的數(shù)據(jù),LoRa通信使用ALOHA協(xié)議,當(dāng)多個(gè)數(shù)據(jù)包同時(shí)發(fā)送時(shí),會(huì)造成數(shù)據(jù)沖突發(fā)生丟包。為了提高網(wǎng)絡(luò)可靠性和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳,采用了時(shí)分多址技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。該技術(shù)給網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)時(shí)隙,各個(gè)節(jié)點(diǎn)只有在自己的時(shí)隙才會(huì)定時(shí)上報(bào)數(shù)據(jù)。為了確保時(shí)隙的分配調(diào)度,網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)的時(shí)間必須保持一致。

4.1 基于TPSN的時(shí)鐘同步

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,時(shí)鐘同步主要由LoRa通過(guò)MAC層發(fā)送時(shí)間戳的方式[11]。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)和終端的高精度時(shí)鐘同步,網(wǎng)關(guān)將參考時(shí)間作為同步消息發(fā)送給采集終端。參考時(shí)間包含了秒、分鐘、小時(shí)和年月日的時(shí)間戳,消息類型包含了入網(wǎng)請(qǐng)求、時(shí)鐘同步、調(diào)度消息、數(shù)據(jù)上傳、警報(bào)信息等,用不同的編號(hào)表示,便于對(duì)讀取相應(yīng)的消息類型,對(duì)有效負(fù)載進(jìn)行必要的處理,如圖4所示。

圖4 時(shí)鐘同步信息格式圖

當(dāng)網(wǎng)關(guān)發(fā)送信息到采集終端時(shí),存在發(fā)送延遲和接受延遲產(chǎn)生的延遲影響。在時(shí)鐘同步中,網(wǎng)關(guān)以圖4所示的格式將信息發(fā)送至終端,并記錄發(fā)送時(shí)間。終端接收到消息后,MCU會(huì)讀取到LoRa模塊的中斷事件信號(hào),記錄此時(shí)的時(shí)間戳數(shù)據(jù)。解析消息后,讀取時(shí)間值,將時(shí)間值寫(xiě)入RTC(Real Time Clock)寄存器,再記錄此時(shí)的時(shí)間戳數(shù)據(jù),完成后發(fā)送應(yīng)答信號(hào)ACK(Acknowledge character)。通過(guò)兩次時(shí)間戳的差值可以計(jì)算出單片機(jī)處理計(jì)算時(shí)間。

網(wǎng)關(guān)在接收到應(yīng)答信號(hào)后,記錄接收時(shí)間。計(jì)算記錄時(shí)間的差值,從網(wǎng)關(guān)到終端的傳輸時(shí)間由式(11)表示:

ToA=(T2-Tc-T1)/2

(11)

其中,網(wǎng)關(guān)發(fā)送時(shí)間為T1,接收時(shí)間為T2,單片機(jī)的處理計(jì)算時(shí)間Tc和廣播模式下數(shù)據(jù)幀的傳輸時(shí)間ToA。 將數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間和計(jì)算時(shí)間添加到RTC中,再次發(fā)送同步消息T3至終端,同步消息中T3值如式(12)所示:

T3=ToA+Tc+TRTC

(12)

其中,TRTC為網(wǎng)關(guān)的RTC值。

終端接收后將值寫(xiě)入RTC的寄存器中,終端向網(wǎng)關(guān)發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。這樣,終端與網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了時(shí)鐘同步。當(dāng)網(wǎng)關(guān)對(duì)每個(gè)終端都實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步后,分配好每個(gè)終端的上傳時(shí)間,以廣播模式發(fā)送調(diào)度安排。時(shí)鐘同步協(xié)議圖如圖5所示。

圖5 時(shí)鐘同步協(xié)議圖

4.2 基于TDMA的數(shù)據(jù)傳輸

需要定時(shí)上傳的溫度數(shù)據(jù),網(wǎng)關(guān)根據(jù)采集終端的數(shù)量進(jìn)行分配,將整個(gè)數(shù)據(jù)上報(bào)周期T劃分為若干個(gè)時(shí)隙[12]。采集終端根據(jù)分配的時(shí)隙,按照設(shè)定的順序依次上傳周期性數(shù)據(jù),網(wǎng)關(guān)接收到后返回ACK應(yīng)答信號(hào)。終端接收完成后進(jìn)入休眠狀態(tài),到下一次上傳時(shí)隙到來(lái)時(shí),再次喚醒系統(tǒng),完成相應(yīng)的任務(wù)。將每個(gè)終端的傳輸時(shí)間都分隔開(kāi),有效避免終端傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)包碰撞問(wèn)題,提高了數(shù)據(jù)投遞率和網(wǎng)絡(luò)可靠性。

對(duì)于緊急上傳的數(shù)據(jù),需要保證該數(shù)據(jù)的及時(shí)性。在周期劃為若干個(gè)時(shí)隙時(shí),為了降低緊急數(shù)據(jù)和定時(shí)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)數(shù)據(jù)包沖突的幾率,每個(gè)終端預(yù)留了緊急數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)間裕量。首先,終端進(jìn)行持續(xù)性信道活動(dòng)檢測(cè)(Channel Activity Detection,CAD),當(dāng)檢測(cè)到信道空閑時(shí),再向網(wǎng)關(guān)上傳緊急數(shù)據(jù)。LoRa數(shù)據(jù)調(diào)度如圖6所示。

圖6 LoRa數(shù)據(jù)調(diào)度圖

5 性能分析與仿真

5.1 LoRa傳輸參數(shù)性能仿真

LoRa支持PHY(Physical Layer)傳輸參數(shù)的設(shè)置[13]。擴(kuò)頻因子(SF)為12,調(diào)制帶寬(BW)為125 kHz,編碼率(CR)為4/5時(shí),LoRa傳輸距離最遠(yuǎn);擴(kuò)頻因子為7,調(diào)制帶寬為500 kHz,編碼率為4/5時(shí),LoRa傳輸距離最短[14]。對(duì)不同傳輸參數(shù)進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證,節(jié)點(diǎn)周期性上傳數(shù)據(jù)T為1 min,數(shù)據(jù)包有效負(fù)載為50 Bytes。取編碼率為4/5時(shí),不同擴(kuò)頻因子和調(diào)制帶寬的接收靈敏度圖如圖7所示。

圖7 不同擴(kuò)頻因子和調(diào)制帶寬接收靈敏度圖

在理想環(huán)境中,無(wú)線通信滿足如式(13)所示:

(13)

式(13)中,Pt為發(fā)射器的發(fā)射功率,Pr為接收器的靈敏度,Gt為發(fā)射天線增益,Gr為接收天線增益,f為載波頻率,d為收、發(fā)天線間的距離,c為光速,LC為發(fā)射天線的饋線插損,LO為空中傳播損耗。

由式(13)推出距離d如式(14)所示:

(14)

由圖7可知,擴(kuò)頻因子與接收靈敏度成反比,調(diào)制帶寬與接收靈敏度成正比。由式(14)可知,接收靈敏度與距離成反比。擴(kuò)頻因子與接收靈敏度成反比,與傳輸距離成正比,可以增大擴(kuò)頻因子值提高LoRa覆蓋范圍。調(diào)制帶寬與接收靈敏度成正比,與傳輸距離成反比,使LoRa的通信范圍降低。當(dāng)擴(kuò)頻因子為7,調(diào)制帶寬為500 kHz時(shí),接收靈敏度最大,LoRa傳輸距離最近。當(dāng)擴(kuò)頻因子為12,調(diào)制帶寬為125 kHz時(shí),接收靈敏度最小,LoRa傳輸距離最遠(yuǎn)。

取擴(kuò)頻因子為12,不同編碼率和調(diào)制帶寬的接收靈敏度如圖8所示。在同一調(diào)制帶寬下,編碼率值的改變并沒(méi)有影響到接收靈敏度。接收靈敏度隨著調(diào)制帶寬的增加而增加,LoRa傳輸距離也隨之減小。

圖8 不同調(diào)制帶寬和編碼率的接收靈敏度圖

取調(diào)制帶寬為500 kHz時(shí),不同擴(kuò)頻因子和編碼率的接收靈敏度如圖9所示。在同一擴(kuò)頻因子下,編碼率值的改變并沒(méi)有影響到接收靈敏度。接收靈敏度隨著擴(kuò)頻因子的增加而減小,LoRa傳輸距離也隨之增加。

圖9 不同擴(kuò)頻因子和編碼率參數(shù)比特率圖

LoRa傳輸距離受擴(kuò)頻因子和調(diào)制帶寬的影響,不受編碼率影響。LoRa傳輸距離與擴(kuò)頻因子成正比,與調(diào)制帶寬成反比。故擴(kuò)頻因子為12,調(diào)制帶寬為125 kHz時(shí),LoRa傳輸距離最遠(yuǎn)。

5.2 采集終端能耗分析

在采集終端能耗模型中,主要的能源消耗是微控制器單元、傳感器單元和LoRa射頻單元。采集終端的供電電壓為3.3 V,MCU的工作頻率為8 MHz時(shí)鐘,LoRa的傳輸參數(shù)選擇擴(kuò)頻因子為12,調(diào)制帶寬為125 kHz,編碼率為4/5時(shí),測(cè)得電流如圖10所示。

圖10 終端電流圖

由圖10可知,LoRa發(fā)送時(shí)需要的電流較大,成為影響終端能耗的主要因素。選擇合理的通信策略, 盡可能地確保上行數(shù)據(jù)發(fā)送成功,避免數(shù)據(jù)包沖突造成丟包而多次發(fā)送導(dǎo)致的功耗增加問(wèn)題。

5.3 LORA通信性能仿真

利用LoRaSim離散事件模擬器,分析基于LoRa協(xié)議層的時(shí)鐘同步協(xié)議和時(shí)分多址聯(lián)合優(yōu)化的無(wú)線通信策略的性能。考慮實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中建筑物較多,信號(hào)受到建筑物和物體阻擋時(shí),會(huì)導(dǎo)致信號(hào)產(chǎn)生衰落。故選擇傳輸距離最遠(yuǎn)的參數(shù),擴(kuò)頻因子為12,調(diào)制帶寬為125 kHz。無(wú)時(shí)間同步的節(jié)點(diǎn)采用ALOHA作為MAC層協(xié)議,定期生成數(shù)據(jù)包。時(shí)間同步的節(jié)點(diǎn)按分配的時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)包。每個(gè)數(shù)據(jù)包的有效負(fù)載為50字節(jié)。隨著終端數(shù)量變化情況,將不同LoRa通信策略的投遞率和耗能進(jìn)行比較,耗能為節(jié)點(diǎn)的能量損耗。圖11顯示不同策略的能量損耗。投遞率(Packet Delivery Ratio,PDR)為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包和源節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的比值關(guān)系,如式(15)所示:

(15)

圖11 能量消耗圖

其中,Pr為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包,Ps為源節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包。圖12顯示不同策略的投遞率。

圖12 投遞率圖

如圖11所示,LoRa-ALOHA 的能量消耗也隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而增大,在數(shù)據(jù)包投遞過(guò)程中導(dǎo)致的數(shù)據(jù)碰撞和重傳,更多的數(shù)據(jù)發(fā)送次數(shù)導(dǎo)致更高的能耗。LoRa-TDMA采用時(shí)間自同步調(diào)度方式,相比于LoRa-ALOHA,能耗方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加,其低功耗的優(yōu)勢(shì)非常明顯。

如圖12所示LoRa-ALOHA的投遞率隨終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而增大。由于在數(shù)據(jù)包投遞過(guò)程中發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞,導(dǎo)致投遞率在終端節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加而減小。而LoRa-TDMA各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)依據(jù)分配的時(shí)隙上傳數(shù)據(jù),發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞的幾率小,使其具有較高的投遞率。但隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加投遞率略有下降,當(dāng)存在多個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳,數(shù)據(jù)包碰撞的概率增大,其影響較小。

6 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了基于LoRa的遠(yuǎn)距離低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)搭建基于LoRa通信水溫采集終端的模塊能耗計(jì)算模型。通過(guò)對(duì)計(jì)算模型分析,提出了一種基于LoRa協(xié)議層的時(shí)鐘同步協(xié)議和時(shí)分多址聯(lián)合優(yōu)化的無(wú)線通信策略。該策略利用LoRa通信技術(shù)完成信息交互,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與終端節(jié)點(diǎn)的高精度時(shí)鐘同步。網(wǎng)關(guān)完成對(duì)無(wú)線資源調(diào)度,動(dòng)態(tài)分配終端節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙資源,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)周期性上傳,降低數(shù)據(jù)傳輸碰撞的概率,優(yōu)化無(wú)線資源的使用效率。實(shí)驗(yàn)表明,該通信策略與ALOHA通信協(xié)議相比,顯著提高了通信的投遞率和能源效率,進(jìn)一步提高了LoRa在網(wǎng)絡(luò)中的性能,所提出的聯(lián)合優(yōu)化的無(wú)線通信策略是有效的。