中国船舶重工集团公司第七一一研究所 张呈龙 庄浩然 张永安 杨文强

0 引言

物联网是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术，广泛应用于网络的融合中，也因此被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。

物联网应用中无线技术主要分为两种，一种是近距离无线技术，比如：蓝牙/WiFi/ZigBee。另外一种则是组成广域网的技术如2G/3G/4G，各个技术优缺点非常明显，在LPWAN技术产生前，通常远距离和低功耗两者只能取其一。LPWAN（low-power Wide-Area Network，低功耗广域网）专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的，是近年国际上一种革命性的物联网接入技术。LPWAN技术产生后，鱼和熊掌的问题可谓得到平衡，除实现更长距离通信和超低功耗外，还可以节省额外的中继器成本。

1 LoRa简介

LoRa是LPWAN通信技术中极具代表性技术，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输技术，是Semtech射频部分产生的一种独特的调制格式。这种传输方案改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统，进而扩展传感网络。目前，LoRa主要在全球免费频段运行，包括433、868、915 MHz等。LoRa与其他LPWAN技术的主要比较如下表1所示。

表1 几种主流LPWAN主要技术参数对比

图1 LoRa的典型物联网应用

如图1所示，基于LoRa的典型物联网应用主要由终端模块、网关（或称基站）模块、云端服务器和上层应用四部分组成，应用数据可双向传输。终端和网关之间采用星型网络拓扑，由于LoRa的长距离特性，它们之间得以使用单跳传输。网关对服务器和终端之间的LoRaWAN协议数据做转发处理，将LoRaWAN数据分别承载在了LoRa射频传输和Tcp/IP上。

2 系统方案

2.1 系统组成

借助LoRa通信具备的低带宽、低功耗、远距离、多节点等特点，得以组建具备多层分布式结构的数据采集及无线传输系统。系统由终端模块、中心模块、网关模块、云端服务器及应用服务组成。

第一层为终端模块，负责采集各种传感器数据或执行相关控制动作，并通过LoRa与中心模块进行数据定点传输。第二层为中心模块，主要具有三方面的作用：一为负责与本模块路由管理下的终端模块进行LoRa广播或单播传输，向终端模块发送召测命令或动作指令；二为负责与其上层的网关模块进行LoRa数据透传，实现数据的上传或下发；三为中继器作用，通过配置实现不同层的中心模块间数据点对点透传，以达到扩展系统通讯距离的目的。第三层为网关模块，其负责对云服务器或应用服务与下层之间的协议转发处理，将数据分别承载在LoRaWAN和TCP/IP上；同时还兼具了系统内LoRaWAN部分的信道分配、路由管理及数据存储等功能。第四层为云端服务器及应用服务，方便用户在任意具备以太网接口的设备上对系统数据进行监测、处理、存储及下发控制策略。系统的组成框图如图2所示。

图2 系统组成框图

2.2 系统节点分配方式及容量

为实现系统组成及各层间的数据传输方式，需对系统通讯协议内各层LoRa节点进行合理的节点号（ID）及信道分配。

系统内具备的数据传输方式有如下几种：一种为终端模块与中心模块（WTM-unicast-WRM）或中心模块与网关模块（WRM-unicast-GWM）间的定点单播传输，另一种为中心模块至终端模块间的广播监听（WRM-broadcast-WTM），如下图3所示。

图3 系统内两种数据传输方式

针对此，本系统采用了三层式节点ID分配方式，同时为了保证系统的节点容量最大化，模块节点ID占用2个Byte。第一层，网关节点ID = 0x0001～0x00FA (高8位必定为0x00，高8位范围为0x01～0xFA)；第二层，中心节点ID = 0xXX 00 (低8位必定为0x00，高8位范围为0x01～0xFA)；第三层，终端节点ID = 0xXX 01 ～ 0xXX 3F(高8位与对应的中心节点ID高8位一致，低8位从0x01 ～ 0x3F)。当需要进行同一中心节点下的广播监听时，可使用ID为0xXXFF（XX为对应中心节点ID高8位）作为广播地址，当需要进行同一网关下全网广播监听时，可使用ID为0xFFFF作为广播地址。同时，预留出厂默认ID（白机）：中心节点0xFD 00；终端节点0xFD 01。节点ID分配方式如图4所示。

图4 系统节点ID分配方式

由此可计算出，同一TCP/IP服务端下，系统最大支持的LoRa网关数量为250个。同一网关下的LoRaWAN内，最大支持250个中心节点，终端节点的数量最大可支持至15750个。能够满足绝大部分LoRaWAN物联网应用场景。

2.3 系统工作模式

为了达到终端模块的低功耗设计，网关模块节点及中继模块节点采用寻呼工作方式，即平时各终端模块节点处于休眠模式，只开启定时器中断用于信道监听，只有在收到中继模块节点的开启信道引导码指令时，才做出采集动作并回应，需要回送数据时再启动发射状态。系统的数据流传输工作模式流程图如图5所示。

图5 系统工作模式流程图

为了实现终端模块的空中唤醒功能，需要在有效数据报文前加一段足够长的引导码，要保证前导码的持续时间略长于终端节点的休眠时间。终端节点进行周期性地唤醒，监听网络报文，一旦捕捉到前导码就进入正常的接收流程，若没有就立即休眠，等待下一次唤醒。空中唤醒的示意图如图6所示。

图6 终端节点空中唤醒示意图

2.4 LoRa传输时间的计算

LoRa数据包结构包含三个部分，前导码（Preamble）、可选类型报头（Header）、数据有效负载（Payload）。LoRa默认为显式Header模式，在这种模式下，Header会包含Payload的相关信息，包括：Payload长度、前向纠错编码率、是否使用CRC。由此，LoRa数据包传输的总时间即等于引导码传输时间与数据有效负载传输时间之和。

根据：

再根据：

（其中PL表示有效负载的字节数；SF表示扩频因子；使用报头时 H=0，未使用H=1；当LowDataRateOptimize位设置为1时，DE=1，否则DE=0；CR表示编码率）得到有效负载数据的符号数，再代入得到数据包总传输时间。

通过在最大终端模块数量（63个）下，不同调制带宽（BW）、扩频因子（SF）模式下的试验数据对比，验证得到终端模块设置在BW=125kHz，SF=6时，间歇监听的时间设置为187.5ms为最合适值。验证数据如图7所示。

图7 系统LoRa传输时间试验数据

3 结束语

本文介绍了一种基于LoRa的多层分布式数据无线传输系统的解决方案，极大的发挥了LoRa长距离、多节点、低功耗的特点，同时在各模块仅有1个物理接受发射机的前提下，极大节省了系统成本。经实际验证，可在节点数＞1000个，数据8Byte/包的大小及60包/小时的发包频率下，系统可稳定运行。能够广泛应用与智能抄表、路灯监控、智慧农业、智能灌溉、智能楼宇等物联网应用的场合。